Un blogueur a publié un message indiquant que, selon les informations de TeraFab, Elon Musk semble se tourner vers la technologie FEL (Free Electron Laser), pour remettre en question le monopole de l'EUV traditionnel.
Ensuite, la réponse d'Elon Musk semble confirmer cette affirmation.
Bien sûr, c'est une hypothèse et ne représente pas la réalité. Mais nous pensons qu'elle mérite d'être discutée.
FEL, pas une nouveauté
Nous devons reconnaître que les lasers à électrons libres (FEL) et les accélérateurs de particules ne sont pas de nouvelles technologies. Depuis des années, des entreprises, des organismes de recherche et des universités possèdent et exploitent des accélérateurs de particules pour produire des protons, des neutrons et Quark Des particules subatomiques extrêmement petites. Ces systèmes sont généralement utilisés en physique et dans d'autres applications scientifiques. Les lasers à électrons libres (FEL) existent depuis longtemps. Il s'agit essentiellement d'une source de lumière à haute puissance qui génère de la lumière à différentes longueurs d'onde à l'aide d'électrons. Un accélérateur de particules est un système qui propulse des particules chargées.
Sur le plan théorique, le laser à électrons libres produit un laser en faisant passer des électrons se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière à travers un champ magnétique périodique. La longueur d'onde de ce laser est liée à la fréquence de variation de ce champ magnétique périodique ; en modifiant la fréquence de variation du champ magnétique ou la vitesse d'incidence des électrons, on peut obtenir des lasers de longueurs d'onde différentes. Ainsi, pour réaliser un FEL, il faut d'abord disposer d'une source d'électrons à haute vitesse (proche de la vitesse de la lumière). Pourquoi des électrons à vitesse proche de celle de la lumière ? Car seulement dans ces conditions, le rayonnement produit par l'oscillation des électrons perpendiculairement à leur direction d'incidence exerce une influence notable sur leur mouvement, entraînant l'agrégation des électrons voisins en groupes (plutôt qu'une distribution uniforme de faisceau d'électrons).
Supposons que chaque grappe contienne N électrons ; l'énergie radiée combinée n'est pas simplement la somme des énergies des N électrons, mais proportionnelle à N², ce qui signifie que le rayonnement est cohérent — autrement dit, il s'agit d'un laser. Actuellement, les accélérateurs linéaires sont les sources d'électrons rapides les plus utilisées (on utilise aussi parfois le rayonnement synchrotron comme source d'électrons libres, mais sa puissance est insuffisante).
Autrement dit, dans un FEL, les électrons se déplacent librement dans le vide à une vitesse proche de celle de la lumière et échangent de l'énergie avec une onde électromagnétique co-propagée, produisant ainsi un faisceau de lumière réglable et exponentiellement amplifié.
Plus précisément, cela inclut les parties suivantes :
1. Faisceau d'électrons de haute énergie
Ce processus commence par un faisceau d'électrons à haute énergie provenant d'un accélérateur de particules.
L'amplificateur à micro-ondes accélère les électrons à des vitesses proches de celle de la lumière. Par exemple, avec un faisceau d'électrons de 1 GeV (c'est-à-dire une charge d'électron multipliée par 1 gigavolt), la vitesse des électrons est seulement un dix-millionième plus lente que celle de la lumière. Plus l'énergie du faisceau d'électrons est élevée, plus l'énergie des photons produite par le FEL est élevée.
2. Rayonnement des charges accélérées
Toute particule chargée accélérée émet de la lumière. Par exemple :
La source de rayonnement de freinage (allemand Bremsstrahlung, signifiant « rayonnement de freinage ») fonctionne en faisant frapper des électrons contre une paroi métallique, ce qui ralentit rapidement les électrons ; le faisceau d'électrons dissipe son énergie par émission de lumière et libération de chaleur.
Un aimant déviateur peut également produire un effet similaire :
En courbant le faisceau d'électrons en une orbite circulaire, on obtient une source de rayonnement de synchrotron.
En faisant osciller un faisceau d'électrons selon une trajectoire sinusoïdale, on obtient une source de type wiggler ou undulator.
Les sources de rayonnement de synchrotron et de wigglers produisent une large gamme de fréquences lumineuses, tandis que les undulators sont différents : dans des conditions spécifiques, le faisceau d'électrons passant à travers un undulator peut produire une émission laser.
3. Oscillateur
Un undulateur est un dispositif composé de aimants disposés périodiquement, qui fait osciller un faisceau d'électrons à haute énergie selon une courbe sinusoïdale à une fréquence spécifique (c'est-à-dire « osciller »). Cette oscillation contrôlée du faisceau d'électrons constitue la première étape pour produire une lumière précisément accordée. La période de l'undulateur (λᵤ) et l'énergie du faisceau d'électrons déterminent ensemble la longueur d'onde de la lumière émise.
C'est pourquoi certains considèrent FEL comme un substitut à la lithographie EUV.
Un candidat pour remplacer la source de lumière actuelle
La lithographie EUV traditionnelle utilise 13,5 nm car le plasma d'étain peut produire efficacement cette longueur d'onde.
Mais la logique de FEL est totalement différente. En ajustant l'énergie du faisceau d'électrons, la période de l'undulateur et l'intensité du champ magnétique, il est possible de modifier la longueur d'onde de la lumière émise. Théoriquement, cela permet de couvrir une gamme allant des rayons X doux à l'EUV, puis jusqu'à des longueurs d'onde plus longues. Cela signifie que l'EUV traditionnel ressemble à un « couteau de lithographie » à focale fixe, tandis que FEL est plutôt comme un « outil optique » dont la longueur d'onde peut être ajustée en continu.
Ainsi, certains ont contourné les limites en adoptant FEL. L'entreprise américaine émergente xLight est une fervente défenseure de cette approche. Il est à noter que Pat Gelsinger, ancien PDG d'Intel, occupe désormais le poste de président exécutif de xLight.
Dans la technologie xLight, les électrons sont d'abord injectés dans un accélérateur de particules, puis dans un laser à électrons libres (FEL). xLight déclare : « Le FEL utilise les électrons provenant de l'accélérateur de particules et les fait traverser un undulateur doté d'un champ magnétique périodique, produisant ainsi un faisceau cohérent et intense. »
En résumé, la lumière EUV est produite dans un accélérateur. Ensuite, la lumière EUV est transportée depuis l'équipement d'accélérateur jusqu'à l'usine de fabrication de puces via un dispositif similaire à un canal de photons. À ce stade, la lumière EUV est dirigée vers une sous-usine. La sous-usine contient divers systèmes indépendants appelés « stations de retournement ».
Selon la vidéo de xLight, chaque station de retournement est dédiée à un outil EUV spécifique de l'étage supérieur de la fab. Pendant le fonctionnement, la lumière EUV est transmise à chaque poste rotatif du secteur des sous-wafers. Ensuite, chaque poste rotatif reçoit la lumière et la dirige vers le système EUV situé à l'étage supérieur de la fab. Cela fournit à son tour de l'énergie aux équipements EUV.
Dans ce cas, l'équipement de lithographie EUV ne contient pas lui-même la source LPP. Au contraire, la lumière EUV est produite dans un accélérateur de particules, puis transmise aux équipements EUV de l'usine de fabrication de puces. Il s'agit d'une manière simplifiée de décrire un processus complexe.
Malgré cela, la source lumineuse FEL d'xLight produit quatre fois plus de puissance que les dispositifs LPP actuels. xLight déclare : « En fournissant jusqu'à quatre fois plus de puissance EUV, les usines de semi-conducteurs peuvent optimiser l'amélioration des motifs, augmenter la productivité et le taux de rendement, générant ainsi des revenus supplémentaires de plusieurs milliards de dollars par an et par scanner, tout en réduisant le coût par wafer d'environ 50 %. De plus, un seul système xLight peut supporter jusqu'à 20 systèmes ASML, avec une durée de vie pouvant atteindre 30 ans, réduisant ainsi les dépenses en capital et en exploitation de plus de trois fois. »
Théoriquement, la technologie xLight peut être utilisée pour l’EUV à faible ouverture numérique, l’EUV à haute ouverture numérique et même l’EUV à supra-ouverture numérique. En matière de R&D, ASML développe une technologie EUV à supra-ouverture numérique de 0,75, visant à réaliser des avancées pour un avenir plus lointain.
De la conception allongée de l’usine de Terafab et de la réponse de Musk, il est très probable que Terafab utilise un accélérateur linéaire comme source d’électrons rapides pour le FEL. Les lasers à électrons libres à femtosecondes actuels sont déjà utilisés dans les laboratoires universitaires pour la collecte de données en diffraction de cristaux de protéines.
Si vous ne comprenez pas encore à quel point ceci est impressionnant, voici une comparaison : si la source de lumière de la machine de lithographie EUV d'AMSL était une ampoule ordinaire, alors la source de lumière EUV à électrons libres (FEL) serait comparable à un laser hautement efficace, capable de produire facilement un laser d'une puissance de sortie de plusieurs kilowatts à plusieurs dizaines de kilowatts, avec une longueur d'onde réglable à volonté.
En comparaison, l'EUV à source LPP utilisée par AMSL a une longueur d'onde fixe, et il est difficile de dépasser 1 kW de puissance ; quant à la pureté de la longueur d'onde et à sa cohérence, elles ne peuvent pas être comparées. Si cela pouvait être réalisé, cela accélérerait considérablement la vitesse et la qualité de la lithographie. Un autre avantage du FEL est son rendement de conversion (rapport énergie consommée/énergie utile) particulièrement élevé : la source LPP utilisée par AMSL nécessite environ 4,4 MW d'électricité pour produire 1 kW d'EUV utilisable (rendement global d'environ 0,05 %).
Les FEL à récupération d'énergie (ERL-FEL) les plus avancés nécessitent environ 0,7 MW d'électricité pour produire 1 kW d'EUV, soit un rendement environ six fois supérieur, et pourraient encore s'améliorer à l'avenir avec de meilleurs matériaux supraconducteurs.
On ne peut pas y arriver du jour au lendemain
Du point de vue purement technique, FEL présente clairement de meilleures performances en termes de source lumineuse, mais cela ne signifie pas nécessairement une technologie plus avancée pour la lithographie industrielle, car la lithographie EUV ne se limite pas à « disposer d’un faisceau de lumière à 13,5 nm ».
Nécessaire : haute puissance + haute stabilité + haute fréquence de répétition + grande fiabilité + coût extrêmement faible + temps de fonctionnement très élevé + compatibilité avec un système optique réfléchissant.
La source EUV d'ASML, après des années d'ingénierie, a désormais établi un système industriel complet.
Cependant, les FEL nécessitent généralement de grands accélérateurs électroniques, des undulators, des systèmes sous vide, des systèmes de contrôle du faisceau, etc., ce qui entraîne des volumes et des coûts d'équipement très élevés. Ainsi, du point de vue des performances physiques de la source lumineuse : les FEL sont nettement plus puissants et plus flexibles.
Mais du point de vue des capacités d'ingénierie de la lithographie à grande échelle des semi-conducteurs : la source EUV mature actuelle est plus adaptée aux usines de puces. Le FEL pourrait permettre de passer de la lithographie à longueur d'onde fixe de « 13,5 nm » à une lithographie à longueurs d'onde courtes plus flexibles.
Par exemple, si à l'avenir des recherches sur la prochaine génération de lithographie entrent en jeu avec des longueurs d'onde de 6,xx nm, 5,xx nm ou même plus courtes, le mécanisme de source FEL, avec sa longueur d'onde réglable, sa haute cohérence et sa brillance de pointe élevée, deviendrait très attrayant.
Mais il y a un autre problème majeur : plus la longueur d'onde est courte, plus les systèmes optiques, les masques, les résines photosensibles, la réflectivité, la diffusion des photons et les systèmes sous vide deviennent difficiles.
Ainsi, la véritable révolution que FEL pourrait apporter ne se limite pas à « remplacer les sources EUV », mais consiste à offrir une toute autre voie pour des sources à courte longueur d'onde et haute luminosité.
Outre le FEL, des solutions telles que le HHG, le plasma de décharge (DPP) et le rayonnement synchrotron sont également discutées. Le LPP se distingue par sa maturité et sa capacité de production de masse, le FEL met l'accent sur une forte luminosité, une haute cohérence et une longueur d'onde réglable, tandis que le HHG présente un potentiel de miniaturisation. La clé de la concurrence future réside dans la capacité à allier puissance, efficacité, stabilité et coût à des longueurs d'onde plus courtes.
Plus important encore, ils sont tous les mêmes et font face à davantage de défis, avec des échéances encore incertaines.
Cet article provient du compte officiel WeChat « Semiconductor Industry Watch » (ID : icbank), auteur : rédaction