نشر مدون رسالة تفيد أنه وفقًا للإعلان الصادر عن TeraFab، يبدو أن إيلون ماسك يخطط للسير في مسار FEL (ليزر الإلكترون الحر) لتحدي احتكار EUV التقليدي.
ثم جاء رد إيلون ماسك، مما يُؤكد هذا القول.
بالطبع، هذا افتراض ولا يمثل الحقيقة. لكننا نعتقد أنه يستحق المناقشة.
FEL، ليس شيئًا جديدًا
يجب أن نعترف بأن الليزر الإلكتروني الحر (FEL) ومسرعات الجسيمات ليست أمورًا جديدة. لسنوات، كانت الشركات ومؤسسات البحث والتطوير والجامعات تمتلك وتشغل مسرعات الجسيمات لإنتاج البروتونات والنيوترونات و كواي جسيمات دون ذرية صغيرة جدًا. تُستخدم هذه الأنظمة عادةً في الفيزياء وتطبيقات علمية أخرى. إن الليزر الإلكتروني الحر (FEL) موجود منذ فترة طويلة. ووفقًا للشرح، فهو في جوهره مصدر ضوئي عالي الطاقة يستخدم الإلكترونات لإنتاج ضوء بأطوال موجية مختلفة. إن مُسرّع الجسيمات هو نظام يُسرّع الجسيمات المشحونة.
من الناحية النظرية، فإن الليزر الإلكتروني الحر هو ليزر يُنتج عندما تمر إلكترونات تتحرك بسرعات قريبة من سرعة الضوء عبر مجال مغناطيسي دوري متغير. يرتبط طول موجة هذا الليزر بتردد العملية المغناطيسية الدورية، ويمكن الحصول على أطوال موجية مختلفة عن طريق تغيير تردد تغير المجال المغناطيسي أو سرعة الإدخال. لذا، لبناء هذا الليزر الإلكتروني الحر (FEL)، يجب أولاً وجود مصدر إلكتروني عالي السرعة (قريب من سرعة الضوء). لماذا تحتاج الإلكترونات إلى أن تكون قريبة من سرعة الضوء؟ لأنه فقط في هذه الظروف، فإن الإشعاع الناتج عن الاهتزاز العمودي للإلكترونات بالنسبة لاتجاه السير يمكن أن يؤثر بشكل ملحوظ على حركة الإلكترونات، مما يؤدي إلى تجميع الإلكترونات القريبة في عناقيد (بدلاً من تدفق إلكتروني متجانس).
إذا افترضنا أن كل مجموعة تحتوي على N إلكترون، فإن الطاقة الإجمالية للإشعاع الضوئي الناتجة ليست مجموع طاقات الإلكترونات الفردية، بل تتناسب مع مربع N، أي أن الإشعاع يتزامن، وبعبارة أخرى، هذا هو الليزر. حاليًا، يُستخدم مُسرّع خطي على نطاق واسع كمصدر للإلكترونات السريعة (يُستخدم أيضًا إشعاع سنكروتروني كمصدر إلكترونات حرة، لكنه غير كافٍ من حيث القدرة).
بعبارة أخرى، في FEL، تتحرك الإلكترونات في الفراغ بسرعة قريبة من سرعة الضوء وتبادل الطاقة مع الموجات الكهرومغناطيسية المصاحبة، مما ينتج شعاعًا قابلًا للضبط ومُضخمًا بشكل أسّي.
على وجه التحديد، تشمل الأجزاء التالية:
1. حزمة إلكترونية عالية الطاقة
تبدأ هذه العملية بحزمة إلكترونات عالية الطاقة من مُسرّع جسيمات.
يُسرّع مُضخّم الميكروويف الإلكترونات إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء. على سبيل المثال، بحزمة إلكترونات بطاقة 1 جيجا إلكترون فولت (أي شحنة إلكترون واحدة مضروبة في 1 جيجا فولت)، تكون سرعة الإلكترونات أبطأ من سرعة الضوء بمقدار واحد من عشرة ملايين فقط. وكلما زادت طاقة حزمة الإلكترونات، زادت طاقة الفوتونات التي يمكن لإشعاع الليزر الحراري الحرّي (FEL) إنتاجها.
إشعاع الشحنة المتسارعة
أي جسيم مشحون مُتسارع يُشع ضوءًا. على سبيل المثال:
مصدر إشعاع التوقف (بالألمانية: Bremsstrahlung، أي "إشعاع التباطؤ") يعمل من خلال تصويب الإلكترونات على جدار معدني، مما يسبب تباطؤًا سريعًا للإلكترونات، حيث تستهلك حزمة الإلكترونات طاقتها من خلال إصدار الضوء والإشعاع الحراري.
يمكن أيضًا تحقيق تأثير مشابه باستخدام مغناطيس انحراف:
إذا انحني حزمة إلكترونية في مسار دائري، فسيتم الحصول على مصدر إشعاع متزامن.
إذا تم تحريك حزمة إلكترونية ذهابًا وإيابًا على طول مسار جيبي، فسيتم تكوين مصدر مُهتز (wiggler) أو مُذبذب (undulator).
يُنتج التخليق المتزامن ومصادر الاهتزاز ضوءًا بتردد واسع، بينما يختلف المُوجِّه: في ظروف معينة، يمكن تحقيق انبعاث ليزر من خلال شعاع الإلكترونات المار عبر المُوجِّه.
3. Oscillator
يُعد المُذبذب جهازًا مكونًا من مغناطيسات مرتبة دوريًا، تُجبر حزمة إلكترونية عالية الطاقة على التذبذب على طول منحنى جيبي بتردد معين (أي "التأرجح"). إن إجراء هذا التذبذب المُتحكم فيه على حزمة الإلكترونات هو الخطوة الأولى لإنتاج ضوء مُعاير بدقة. يحدد طول موجة المُذبذب (λᵤ) مع طاقة حزمة الإلكترونات طول موجة الضوء الناتج.
لهذا السبب، ينظر البعض إلى FEL كبديل لتقنية التصوير الضوئي EUV.
مرشح لاستبدال المصدر الضوئي الحالي
لماذا تم استخدام 13.5 نانومتر في الليثوغرافيا EUV التقليدية، لأن بلازما القصدير قادرة على إنتاج هذا الطول الموجي بكفاءة نسبيًا.
لكن منطق FEL مختلف تمامًا. من خلال ضبط طاقة حزمة الإلكترونات ودورة المغناطيس المتأرجح وشدة المجال المغناطيسي، يمكن تغيير طول موجة الضوء الناتج. وبالتالي، نظريًا، يمكن تغطية نطاق أوسع يشمل الأشعة السينية الناعمة، وEUV، وحتى أطوال موجية أطول. هذا يعني: أن EUV التقليدي يشبه "سكين تصوير ضوئي" ببعد بؤري ثابت، بينما FEL يشبه "أداة بصرية" يمكن ضبط طول موجتها باستمرار.
لذلك، قام بعض الأشخاص بتجاوز القيود من خلال استخدام FEL. إن الشركة الناشئة الأمريكية xLight هي من مؤيدي هذا المسار. ويُذكر أن بات جيلسينجر، الرئيس التنفيذي السابق لشركة إنتل، يشغل الآن منصب الرئيس التنفيذي التنفيذي لـ xLight.
في تقنية xLight، تُحقن الإلكترونات أولاً في مُسرّع جسيمات، ثم تدخل الليزر الإلكتروني الحر (FEL). تقول xLight: "يستخدم FEL الإلكترونات القادمة من مُسرّع الجسيمات ويجعلها تمر عبر مُذبذب يحتوي على حقل مغناطيسي دوري، مما ينتج شعاعًا متماسكًا عالي الكثافة."
ببساطة، يتم إنتاج ضوء EUV داخل المسرّع. ثم يُنقل ضوء EUV عبر أجهزة تشبه أنابيب الفوتونات من معدات التسارع إلى مصنع الألواح. في هذه المرحلة، يُوجّه ضوء EUV إلى مصنع فرعي. يحتوي المصنع الفرعي على أنظمة مستقلة مختلفة تُسمى "محطات التقلب".
وفقًا لفيديو xLight، كل محطة تدوير مخصصة لأداة EUV واحدة في مصنع الرقائق العلوي. أثناء التشغيل، يُنقل ضوء EUV إلى كل محطة دوارة في منطقة مصنع الرقائق الفرعية. ثم تتلقى كل محطة دوارة الضوء وتوجهه إلى نظام EUV الموجود في طابق مصنع الرقائق. وهذا بدوره يزود أجهزة EUV بالطاقة.
في هذه الحالة، لا تحتوي أجهزة التعرض الضوئي EUV نفسها على مصدر LPP. على العكس، يتم إنتاج ضوء EUV في مُسرّع جسيمات، ثم نقله إلى أجهزة EUV في مصنع الرقائق. هذه طريقة مبسطة لوصف هذه العملية المعقدة.
ومع ذلك، فإن مصدر الضوء FEL من xLight ينتج قوة تزيد بأربع مرات مقارنة بأجهزة LPP الحالية. تقول xLight: "من خلال توفير قوة EUV تصل إلى أربع مرات، يمكن للمصانع تحسين التصاميم وزيادة الإنتاجية والكفاءة، مما يولد إيرادات إضافية تصل إلى عشرات المليارات من الدولارات سنويًا لكل ماسح، ويخفض تكلفة كل شريحة بنحو 50%. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لوحدة واحدة من نظام xLight دعم ما يصل إلى 20 نظامًا من ASML، مع عمر افتراضي يصل إلى 30 عامًا، مما يقلل النفقات الرأسمالية والتشغيلية بأكثر من ثلاثة أضعاف."
نظريًا، يمكن استخدام تقنية xLight في EUV بفتحة عددية منخفضة، EUV بفتحة عددية عالية، وحتى EUV بفتحة عددية فائقة. من حيث التطوير، تعمل ASML حاليًا على تطوير تقنية EUV بفتحة عددية فائقة قدرها 0.75، والتي تهدف إلى تحقيق مستقبل أبعد.
من تصميم المصنع الطويل لـ Terafab ورد فعل ماسك، يبدو أن Terafab من المرجح أن تستخدم مُسرّعًا خطيًا كمصدر إلكتروني عالي السرعة لـ FEL. حاليًا، تُستخدم الليزرات الحرة الإلكترونية بالأشعة السينية على مستوى الفيمتوثانية في مختبرات الجامعات لجمع بيانات حيود البلورات البروتينية.
إذا لم تكن تفهم بعد مدى قوة هذا الشيء، فتخيل هذا المثال: إذا كان مصدر ضوء آلة Lithography بالأشعة فوق البنفسجيةExtreme Ultraviolet من AMSL هو مصباح عادي، فإن مصدر الضوء بالأشعة فوق البنفسجية الحرة الإلكترونية FEL يعادل ليزرًا عالي الكفاءة، يمكنه بسهولة إنتاج ليزر بقوة خرج تتراوح بين عدة كيلوواط إلى عشرات الكيلوواط، كما يمكن ضبط الطول الموجي بحرية.
على النقيض، فإن LPP EUV المستخدم في AMSL له طول موجي ثابت، ومن الصعب جدًا تجاوز قوته 1 كيلوواط، كما أن نقاء الطول الموجي للضوء وتماسكه لا يمكن مقارنتهما بأي شكل. إذا تم إنتاجه، فسيُسرّع بشكل كبير من سرعة ودقة التعرض الضوئي في أجهزة التعرض. كما أن لـ FEL ميزة أخرى، وهي كفاءة التحويل (نسبة استهلاك الطاقة) العالية جدًا؛ إذ يتطلب LPP المستخدم في AMSL حوالي 4.4 ميغاواط من الكهرباء لإنتاج 1 كيلوواط من EUV قابل للاستخدام (بكفاءة إجمالية تقريبًا على مستوى 0.05%).
بينما تستهلك أحدث أنظمة الفوتونات الحرة المعتمدة على استرداد الطاقة (ERL-FEL) حوالي 0.7 ميغاواط من الكهرباء لإنتاج 1 كيلوواط من EUV، مما يزيد الكفاءة حوالي 6 مرات، ويمكن تحسينها أكثر في المستقبل باستخدام مواد فائقة التوصيل أفضل.
لا يمكن تحقيقه دفعة واحدة
من الناحية التقنية وحدها، فإن FEL أقوى بكثير من حيث أداء المصدر الضوئي، لكن هذا لا يعني بالضرورة تقدمًا أكبر في التصنيع الضوئي. فالتقنية الضوئية EUV لا تتطلب فقط "وجود شعاع ضوئي بطول موجي 13.5 نانومتر".
مطلوب أيضًا: قوة عالية + استقرار عالٍ + تردد تكراري عالٍ + موثوقية عالية + تكلفة منخفضة جدًا + وقت تشغيل عالٍ جدًا + توافق مع نظام بصري انعكاسي.
تم تطوير مصدر EUV الخاص بـ ASML على مدار سنوات من الهندسة، وتشكل الآن نظامًا صناعيًا كاملًا.
لكن FEL تتطلب عادةً مُسرّعات إلكترونية ضخمة، ومرنّات، وأنظمة فراغ، وأنظمة تحكم في حزمة الجسيمات، إلخ، مما يجعل حجم المعدات وتكلفتها هائلين جدًا. لذا، من حيث الأداء الفيزيائي للمصدر الضوئي: FEL أقوى وأكثر مرونة بشكل واضح.
لكن من حيث قدرة الهندسة على إنتاج أجهزة التصوير بالضوء للأشعة فوق البنفسجية ذات الطول الموجي 13.5 نانومتر: فإن مصادر EUV الناضجة في هذه المرحلة أكثر ملاءمة لمصانع الألواح. يمكن لـ FEL أن تنقل مصدر EUV من "الطول الموجي الثابت البالغ 13.5 نانومتر" إلى تصوير أقصر طول موجي أكثر مرونة.
على سبيل المثال، في المستقبل، إذا تم الدخول في استكشاف التعرض الضوئي من الجيل التالي بطول موجي 6.x نانومتر أو 5.x نانومتر أو أقصر، فإن آلية مصدر الضوء FEL ذات الطول الموجي القابل للتعديل والتماسك العالي والسطوع الذروي العالي ستكون جذابة جدًا.
لكن هناك مشكلة كبيرة أخرى: كلما قلّ الطول الموجي، زادت صعوبة أنظمة البصريات، والقوالب، والمواد الحساسة للضوء، ومعامل الانعكاس، وتشتت الفوتونات، وأنظمة الفراغ.
لذلك، فإن الثورة الحقيقية التي يمكن أن تقدمها FEL ليست مجرد "استبدال مصادر EUV"، بل تقديم مسار مختلف تمامًا لمصادر موجات قصيرة عالية السطوع.
بالإضافة إلى FEL، فإن حلولًا مثل التوافقيات العالية (HHG) و البلازما بالتفريغ (DPP) والإشعاع المتزامن تم مناقشتها أيضًا. يتميز LPP بالنضج والإنتاج الضخم، بينما يركز FEL على السطوع العالي والتماسك العالي وقابلية ضبط الطول الموجي، وتمتلك HHG إمكانات التصغير. المفتاح التنافسي المستقبلي هو تحقيق التوازن بين القدرة والكفاءة والاستقرار والتكلفة عند أطوال موجية أقصر.
الأهم أنهم جميعًا على نفس المستوى، ويتعرضون لتحديات أكبر، ولا توجد جدول زمني محدد.
هذا المقال من حساب ويشات الرسمي "مراقبة صناعة أشباه الموصلات" (ID: icbank)، المؤلف: فريق التحرير