एक ब्लॉगर ने सूचना दी है कि TeraFab द्वारा जारी सूचना के अनुसार, एलन मस्क लगता है कि पारंपरिक EUV के एकाधिकार को बदलने के लिए FEL (Free electron laser: मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर) रास्ता अपनाने वाले हैं।
इसके बाद, एलन मस्क के जवाब ने इस बात की पुष्टि कर दी।
यह निश्चित रूप से एक अनुमान है और वास्तविकता का प्रतिनिधित्व नहीं करता है। लेकिन हम मानते हैं कि इसकी चर्चा करना योग्य है।
FEL, नया कुछ नहीं
हमें स्वीकार करना चाहिए कि मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर (FEL) और कण त्वरक नए पदार्थ नहीं हैं। कई वर्षों से, कंपनियाँ, अनुसंधान और विकास संस्थान और विश्वविद्यालय कण त्वरकों को प्रोटॉन, न्यूट्रॉन और क्वार्क सूक्ष्म उपपरमाणविक कण। इन प्रणालियों का उपयोग आमतौर पर भौतिकी और अन्य वैज्ञानिक अनुप्रयोगों में किया जाता है। मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर (FEL) पहले से ही मौजूद हैं। इसे एक उच्च शक्ति का प्रकाश स्रोत माना जाता है, जो इलेक्ट्रॉन का उपयोग करके विभिन्न तरंगदैर्ध्य का प्रकाश उत्पन्न करता है। कण त्वरक एक आवेशित कणों को त्वरित करने की प्रणाली है।
सिद्धांत रूप से, मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर एक आवर्ती चुंबकीय क्षेत्र से होकर प्रकाश के निकट गति से यात्रा करने वाले इलेक्ट्रॉनों को गुजरने से उत्पन्न होता है। इस लेजर की तरंगदैर्ध्य इस आवर्ती चुंबकीय क्षेत्र की आवृत्ति से संबंधित होती है, और चुंबकीय क्षेत्र की आवृत्ति या आपतित गति को बदलकर विभिन्न तरंगदैर्ध्य के लेजर प्राप्त किए जा सकते हैं। इसलिए, FEL बनाने के लिए, पहले एक उच्च गति (प्रकाश के निकट) इलेक्ट्रॉन स्रोत की आवश्यकता होती है। उच्च गति के इलेक्ट्रॉन क्यों? क्योंकि केवल इस स्थिति में, इलेक्ट्रॉन की आपतित दिशा के लंबवत दोलन से उत्पन्न विकिरण प्रकाश, इलेक्ट्रॉन की गति पर स्पष्ट प्रभाव डालता है, जिससे पास-पास के इलेक्ट्रॉन समूहों (एक समान इलेक्ट्रॉन प्रवाह के बजाय) में संगठित हो जाते हैं।
मान लीजिए कि प्रत्येक झुंड में N इलेक्ट्रॉन हैं, तो उनके द्वारा उत्सर्जित प्रकाश की संयुक्त ऊर्जा N इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा के सरल योग के बराबर नहीं होती, बल्कि N के वर्ग के अनुपात में होती है, अर्थात् उत्सर्जन सहकंपन कर रहा है, जिसे दूसरे शब्दों में लेजर कहा जाता है। वर्तमान में सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला उच्च गति इलेक्ट्रॉन स्रोत रेखीय त्वरक है (समानांतर विकिरण को मुक्त इलेक्ट्रॉन स्रोत के रूप में भी उपयोग किया जाता है, लेकिन इसकी शक्ति पर्याप्त नहीं है)।
दूसरे शब्दों में, FEL में, इलेक्ट्रॉन निर्वात में प्रकाश की गति के करीब मुक्त रूप से चलते हैं और सह-प्रसारित विद्युत चुम्बकीय तरंगों के साथ ऊर्जा आदान-प्रदान करते हैं, जिससे एक समायोज्य और घातीय रूप से प्रवर्धित प्रकाश किरण उत्पन्न होती है।
विशेष रूप से, निम्नलिखित भागों को शामिल किया गया है:
1. High-energy electron beam
यह प्रक्रिया कण त्वरक से आने वाली उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉन बीम से शुरू होती है।
माइक्रोवेव एम्प्लीफायर इलेक्ट्रॉनों को प्रकाश की गति के लगभग बराबर त्वरित करते हैं। 1 GeV के इलेक्ट्रॉन बीम (अर्थात् एक इलेक्ट्रॉन आवेश गुणा 1 गीगावोल्ट) के उदाहरण के साथ, इलेक्ट्रॉन की गति प्रकाश की गति से केवल दस मिलियनवें हिस्से तक धीमी होती है। इलेक्ट्रॉन बीम की ऊर्जा जितनी अधिक होगी, FEL द्वारा उत्पादित फोटॉन की ऊर्जा उतनी ही अधिक होगी।
2. त्वरित आवेश का विकिरण
इससे कोई भी त्वरित आवेशित कण प्रकाश उत्सर्जित करता है। उदाहरण के लिए:
ब्रेमसस्ट्राहलुंग (जर्मन शब्द, अर्थात् "ब्रेकिंग रेडिएशन") स्रोत, इलेक्ट्रॉनों को धातु की दीवार पर टकराकर उन्हें तेजी से धीमा करके काम करता है, जिससे इलेक्ट्रॉन बीम विकिरण प्रकाश और ऊष्मा के माध्यम से ऊर्जा का उपयोग करता है।
अपवर्तन चुंबक भी समान प्रभाव प्राप्त कर सकते हैं:
यदि इलेक्ट्रॉन बीम को एक वृत्ताकार कक्षा में मोड़ दिया जाए, तो सिंक्रोट्रॉन विकिरण स्रोत प्राप्त होता है।
यदि इलेक्ट्रॉन बीम को साइन तरंग के अनुदिश आगे-पीछे हिलाया जाता है, तो एक विग्गलर या अंडुलेटर स्रोत बनता है।
सिंक्रोट्रॉन और विब्रेटर स्रोत द्वारा उत्पादित प्रकाश की आवृत्ति विस्तृत होती है, जबकि विक्षेपक अलग होते हैं: विशिष्ट परिस्थितियों में, विक्षेपक से गुजरने वाली इलेक्ट्रॉन बीम लेजर उत्सर्जन प्राप्त कर सकती है।
3, ओसिलेटर
व्यूह एक ऐसा उपकरण है जो आवर्ती रूप से व्यवस्थित चुंबकों से बना होता है और जो उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन बीम को निश्चित आवृत्ति पर एक ज्यावक्रीय वक्र के साथ (अर्थात् "कंपन") कंपन करने में सक्षम होता है। इलेक्ट्रॉन बीम पर इस नियंत्रित कंपन को लागू करना, सटीक समायोजित प्रकाश के उत्पादन का पहला कदम है। व्यूह का आवर्तकाल (λᵤ) और इलेक्ट्रॉन बीम की ऊर्जा मिलकर निकास प्रकाश की तरंगदैर्ध्य को निर्धारित करते हैं।
इसी कारण, कुछ लोग FEL को EUV लिथोग्राफी का विकल्प मानते हैं।
A candidate to replace the current light source
पारंपरिक EUV लिथोग्राफी में 13.5 नैनोमीटर का उपयोग इसलिए किया जाता है क्योंकि टिन प्लाज्मा इस तरंगदैर्ध्य के प्रकाश को अपेक्षाकृत दक्षतापूर्वक उत्पन्न कर सकता है।
लेकिन FEL का तर्क बिल्कुल अलग है। इसमें इलेक्ट्रॉन बीम ऊर्जा, वैविध्य अवधि और चुंबकीय क्षेत्र तीव्रता को समायोजित करके उत्सर्जित प्रकाश की तरंगदैर्ध्य को बदला जा सकता है। इसलिए सैद्धांतिक रूप से इसे सॉफ्ट X-किरणों, EUV से लेकर अधिक लंबी तरंगदैर्ध्य तक कवर किया जा सकता है। इसका मतलब है: पारंपरिक EUV एक स्थिर फोकल लंबाई की “लिथोग्राफी चाकू” की तरह है, जबकि FEL एक ऐसा “ऑप्टिकल टूल” है जिसकी तरंगदैर्ध्य को लगातार समायोजित किया जा सकता है।
इसलिए, कुछ लोग FEL का उपयोग करके सीमाओं को तोड़ने का प्रयास कर रहे हैं। अमेरिकी स्टार्टअप xLight इस रास्ते का समर्थक है। ध्यान देने योग्य बात यह है कि इंटेल के पूर्व CEO पैट गेलसिंगर (पूर्व Intel CEO) अब xLight के एग्जीक्यूटिव चेयरमैन हैं।
xLight की तकनीक में, इलेक्ट्रॉन को पहले कण त्वरक में इंजेक्ट किया जाता है, फिर मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर (FEL) में भेजा जाता है। xLight का कहना है: “FEL, कण त्वरक से आने वाले इलेक्ट्रॉन का उपयोग करता है और उन्हें आवर्ती चुंबकीय क्षेत्र वाले वेवगाइड से गुजारता है, जिससे समन्वित, उच्च तीव्रता वाली किरणें उत्पन्न होती हैं।”
सरल शब्दों में, EUV प्रकाश त्वरक में उत्पन्न होता है। फिर, EUV प्रकाश को कण त्वरक उपकरण से वेफर फैक्ट्री तक प्रकाश नली के समान उपकरण के माध्यम से स्थानांतरित किया जाता है। इस समय, EUV प्रकाश को उप-वेफर फैक्ट्री की ओर निर्देशित किया जाता है। उप-वेफर फैक्ट्री में विभिन्न स्वतंत्र प्रणालियाँ होती हैं, जिन्हें "फ्लिप स्टेशन" कहा जाता है।
xLight के वीडियो के अनुसार, प्रत्येक फ्लिप स्टेशन ऊपरी वेफर फैक्ट्री के एक EUV उपकरण के लिए समर्पित है। संचालन के दौरान, EUV प्रकाश को प्रत्येक घूर्णन स्टेशन तक सब-वेफर फैक्ट्री में स्थानांतरित किया जाता है। फिर, प्रत्येक घूर्णन स्टेशन प्रकाश को प्राप्त करता है और इसे वेफर फैक्ट्री के ऊपरी मंजिल पर EUV सिस्टम की ओर मार्गदर्शित करता है। इससे EUV उपकरणों को ऊर्जा प्रदान होती है।
इस स्थिति में, EUV लिथोग्राफी उपकरण स्वयं में LPP स्रोत शामिल नहीं होता है। इसके बजाय, EUV प्रकाश आयन त्वरक में उत्पन्न किया जाता है और फिर वेफर फैक्ट्री के EUV उपकरणों तक पहुँचाया जाता है। यह जटिल प्रक्रिया का एक सरलीकृत वर्णन है।
हालांकि, xLight के FEL प्रकाश स्रोत द्वारा उत्पन्न शक्ति वर्तमान LPP उपकरणों की तुलना में चार गुना अधिक है। xLight का कहना है: "उच्चतम 4 गुना EUV शक्ति प्रदान करके, वेफर प्लांट पैटर्न सुधार, उत्पादकता और उत्पादन दक्षता को अनुकूलित कर सकते हैं, जिससे प्रति स्कैनर प्रति वर्ष अतिरिक्त दस अरब डॉलर की आय उत्पन्न हो सकती है और प्रति वेफर लागत में लगभग 50% की कमी हो सकती है। इसके अलावा, एकल xLight प्रणाली अधिकतम 20 ASML प्रणालियों को समर्थन कर सकती है, जिसकी आयु 30 वर्ष तक हो सकती है, जिससे पूंजीगत और संचालन व्यय में 3 गुना से अधिक की कमी होती है।"
सिद्धांत रूप से, xLight की तकनीक का उपयोग निम्न न्यूमेरिकल एपर्चर EUV, उच्च न्यूमेरिकल एपर्चर EUV और यहां तक कि अतिन्यूमेरिकल एपर्चर EUV के लिए किया जा सकता है। अनुसंधान और विकास के मामले में, ASML 0.75 अतिन्यूमेरिकल एपर्चर EUV तकनीक का विकास कर रहा है, जिसका लक्ष्य भविष्य के लंबे समय तक के लक्ष्यों को प्राप्त करना है।
टेराफैब के लंबे कारखाने के डिज़ाइन और मस्क के जवाब से लगता है कि टेराफैब FEL के लिए एक रेखीय त्वरक का उपयोग करने की संभावना है। वर्तमान में, फेम्टोसेकंड स्तर के मुक्त इलेक्ट्रॉन एक्स-किरणों के लेजर, प्रोटीन क्रिस्टल डिफ्रैक्शन के लिए डेटा संग्रह के लिए विश्वविद्यालय प्रयोगशालाओं में पहले से ही उपयोग किए जा रहे हैं।
अगर आप अभी तक नहीं समझ पाए हैं कि यह चीज़ कितनी शक्तिशाली है, तो एक उदाहरण देते हैं: यदि AMSL के EUV लिथोग्राफी मशीन का स्रोत एक सामान्य बल्ब है, तो FEL मुक्त इलेक्ट्रॉन EUV प्रकाश का स्रोत एक उच्च कुशलता वाले लेज़र के समान है, जो आसानी से किलोवाट से दर्जनों किलोवाट तक की आउटपुट पावर का उत्पादन कर सकता है, और इसकी तरंगदैर्ध्य को स्वतंत्र रूप से समायोजित किया जा सकता है।
तुलना के लिए, AMSL द्वारा उपयोग किया जाने वाला LPP EUV एक निश्चित तरंगदैर्ध्य होता है, और इसकी शक्ति 1 किलोवॉट से आगे बढ़ना मुश्किल है, और यह या तो प्रकाश तरंगदैर्ध्य की शुद्धता या इसकी सहसंबंधिता के मामले में तुलना नहीं की जा सकती। अगर इसे बनाया जा सके, तो इससे लिथोग्राफी मशीन की लिथोग्राफी गति और गुणवत्ता में काफी तेजी आएगी। FEL का एक अतिरिक्त लाभ यह है कि इसकी रूपांतरण दक्षता (ऊर्जा-उपयोग अनुपात) विशेष रूप से उच्च होती है; AMSL द्वारा उपयोग किया जाने वाला LPP 1 किलोवॉट उपयोगी EUV प्राप्त करने के लिए लगभग 4.4 मेगावॉट बिजली की आवश्यकता होती है (समग्र दक्षता लगभग 0.05% के स्तर पर)।
सबसे उन्नत ऊर्जा पुनर्प्राप्ति वाला FEL (ERL-FEL) लगभग 0.7 मेगावाट बिजली का उपयोग करके 1 किलोवाट EUV उत्पन्न करता है, जो लगभग 6 गुना अधिक कुशलता प्रदान करता है, और भविष्य में बेहतर सुपरकंडक्टिंग सामग्री के साथ इसे और बढ़ाया जा सकता है।
एकदम से नहीं हो सकता
केवल तकनीकी दृष्टि से, FEL की प्रकाश स्रोत क्षमता स्पष्ट रूप से अधिक मजबूत है, लेकिन उद्योग-स्तरीय लिथोग्राफी में इसका अर्थ अधिक उन्नत होना नहीं है। क्योंकि EUV लिथोग्राफी के लिए केवल "13.5 एनएम की एक किरण होना" पर्याप्त नहीं है।
आवश्यकता है: उच्च शक्ति + उच्च स्थिरता + उच्च पुनरावृत्ति दर + उच्च विश्वसनीयता + अत्यंत कम लागत + अत्यंत उच्च संचालन समय + परावर्तक प्रकाशिकी प्रणाली के साथ संगतता।
ASML का वर्तमान EUV स्रोत कई वर्षों के इंजीनियरिंग के बाद एक पूर्ण उद्योग प्रणाली बन चुका है।
FEL के लिए आमतौर पर बड़े इलेक्ट्रॉन त्वरक, विकंपक, निर्वात प्रणाली, किरण नियंत्रण प्रणाली आदि की आवश्यकता होती है, जिसके कारण उपकरणों का आकार और लागत बहुत अधिक होता है। इसलिए, प्रकाश स्रोत की भौतिक क्षमता के आधार पर: FEL स्पष्ट रूप से अधिक शक्तिशाली और अधिक स्वतंत्र है।
लेकिन अर्धचालक बड़े पैमाने पर लिथोग्राफी की इंजीनियरिंग क्षमता के आधार पर: वर्तमान चरण में परिपक्व EUV स्रोत वेफर फैक्ट्री के लिए अधिक उपयुक्त हैं। FEL संभवतः EUV स्रोत को "13.5 nm एक निश्चित तरंगदैर्ध्य" से अधिक लचीले छोटी तरंगदैर्ध्य लिथोग्राफी की ओर ले जा सकता है।
उदाहरण के लिए, यदि भविष्य में 6.x नैनोमीटर, 5.x नैनोमीटर या उससे भी छोटी तरंगदैर्ध्य की अगली पीढ़ी के प्रकाश प्रक्रमण की खोज में प्रवेश किया जाता है, तो FEL जैसा तरंगदैर्ध्य-समायोज्य, उच्च सहसंबंधित, उच्च शिखर चमक वाला प्रकाश स्रोत तंत्र बहुत आकर्षक होगा।
लेकिन यहाँ एक बड़ी समस्या और है: जितना तरंगदैर्ध्य छोटा होगा, उतना ही ऑप्टिकल सिस्टम, मास्क, लिथोग्राफिक रेजिस्ट, परावर्तनता, फोटॉन प्रकीर्णन, वैक्यूम सिस्टम आदि समस्याएँ कठिन होती जाएँगी।
इसलिए, FEL वास्तव में जो क्रांति ला सकता है, वह केवल “EUV स्रोत का विकल्प” होना नहीं है, बल्कि एक पूरी तरह से अलग छोटी तरंगदैर्ध्य उच्च चमक वाले स्रोत का मार्ग प्रदान करना है।
FEL के अलावा, उच्च गामा हरमोनिक्स (HHG), डिस्चार्ज प्लाज्मा (DPP) और सिंक्रोट्रॉन विकिरण जैसे विकल्पों पर भी चर्चा की गई है। LPP की ताकत परिपक्वता और बड़े पैमाने पर उत्पादन में है, FEL उच्च चमक, उच्च सहसंबंध और तरंगदैर्ध्य के समायोजन पर जोर देता है, जबकि HHG की छोटे आकार की संभावना है। भविष्य की प्रतिस्पर्धा की कुंजी, छोटी तरंगदैर्ध्य पर शक्ति, दक्षता, स्थिरता और लागत को संतुलित करना होगी।
更重要的是，他们都一样，还面临更多的挑战，时间线更是没定数。
यह लेख वेचेन ग्रुप "सेमीकंडक्टर इंडस्ट्री ऑब्जर्वर" (ID: icbank) से आया है, लेखक: संपादक दल