Японские учёные исследуют применение ускорителя частиц в производстве чипов

Intel, Samsung Foundry и TSMC используют машины ASML EUV-литографии, которые способны «печатать» полупроводники с разрешением 13 нм, для создания чипов на своих новейших производственных узлах. Но использование источника EUV-излучения с лазерной плазмой (LPP) (который представляет собой CO2-лазер, воздействующий на маленькие капли олова) — не единственный способ генерировать EUV-излучение с длиной волны 13,5 нм для «печати» чипов. Исследователи из Японии изучают возможность использования лазеров на свободных электронах (ЛСЭ) из ускорителей частиц для создания чипов с передовыми размерами, сообщает Spectrum.IEEE.org.

Исследовательская организация по ускорителям высоких энергий (KEK) в Цукубе, Япония, изучает возможность использования лазеров на свободных электронах (FEL), генерируемых линейным ускорителем с рекуперацией энергии (ERL), для производства чипов. Они говорят, что линейный ускоритель с рекуперацией энергии может экономически эффективно производить десятки киловатт энергии EUV для одновременного питания нескольких литографических машин. Компания ASML, напротив, произвела источник света EUV мощностью 500 Вт для своего Twinscan NXE:5800E и рассматривает возможность потенциального повышения мощности своих источников света EUV до 1000 Вт — в конечном итоге.

ERL работает совершенно иначе, чем инструмент для литографии EUV. Сначала электронная пушка впрыскивает электроны в криогенно охлаждаемую трубку, где сверхпроводящие радиочастотные резонаторы ускоряют их. Электроны проходят через ондулятор, излучая свет, который усиливается в результате процесса, называемого самоусиливающимся спонтанным излучением (SASE). После испускания света отработанные электроны возвращаются в радиочастотный ускоритель в противоположной фазе, передавая оставшуюся энергию вновь инжектированным электронам, а затем удаляются в хранилище пучка. Такая рекуперация энергии позволяет ERL использовать то же количество электричества для ускорения большего количества электронов, что делает его высокоэффективным и экономичным методом генерации EUV-света чрезвычайной мощности.

«Чрезвычайная мощность луча ЛСЭ, его узкая спектральная ширина и другие особенности делают его пригодным для применения в будущей литографии», — сказал в интервью Spectrum.IEEE.org Норио Накамура, исследователь передовых источников света в KEK.

В 2021 году, до начала сильной глобальной инфляции, команда KEK оценила стоимость строительства новой системы ERL в 260 миллионов долларов, что на 50–60 миллионов долларов выше, чем цена Twinscan NXE:3800E — хотя последняя полностью интегрированный инструмент, тогда как первый по сути является лишь источником света. Эта система будет обеспечивать 10 кВт мощности EUV, снабжать несколько литографических машин (KEK не уточняет их количество), а ее ежегодные эксплуатационные расходы прогнозируются на уровне около 25,675 миллионов долларов.

«Оценочная стоимость одного инструмента воздействия в нашей установке остается относительно низкой по сравнению с расчетной стоимостью современного источника лазерной плазмы», - сказал Накамура Spectrum.IEEE.org.

Есть несколько небольших проблем с FEL и ERL. Во-первых, как и любой ускоритель частиц, линейный ускоритель с рекуперацией энергии огромен. Во-вторых, нужен чрезвычайно сложный набор зеркал, чтобы направить эти 10 кВт EUV-излучения на несколько литографических инструментов без значительной потери мощности, и этот набор еще не изобретен (и его стоимость неясна).

Наконец, если предположить, что существует сложный набор зеркал, которые могут направлять 10 кВт EUV-излучения на 10 литографических инструментов, не существует резистов и пленок, совместимых с таким мощным источником света. Однако это не будет проблемой, потому что на данный момент экспериментальный ERL может генерировать всплески 20-микрометрового инфракрасного света, что очень далеко от 13,5-нм EUV-света.

Накамура признал, что необходимо решить множество технических проблем, прежде чем литографический инструмент на основе ERL сможет достичь высокого уровня производительности и эксплуатационной стабильности, необходимых для коммерческого производства чипов.

Источник: Tomshardware.com