Rute FEL potensial Elon Musk bisa menantang lithografi EUV

Seorang blogger melaporkan bahwa, berdasarkan pengumuman TeraFab, Elon Musk tampaknya akan mengikuti jalur FEL (Free Electron Laser: laser elektron bebas) untuk menggoyang monopoli EUV tradisional.

Selanjutnya, tanggapan Elon Musk tampaknya memperkuat pernyataan ini.

Tentu, ini hanyalah spekulasi dan bukan fakta nyata. Namun, kami merasa ini layak untuk dibahas.

Kita harus mengakui bahwa free electron laser (FEL) dan akselerator partikel bukanlah hal baru. Selama bertahun-tahun, perusahaan, lembaga penelitian dan pengembangan, serta universitas telah memiliki dan mengoperasikan akselerator partikel untuk menghasilkan proton, neutron, dan Quark Partikel subatomik yang sangat kecil. Sistem ini biasanya digunakan dalam fisika dan aplikasi ilmiah lainnya. Free Electron Laser (FEL) sudah lama ada. Menurut penjelasan, ini pada dasarnya adalah sumber cahaya berdaya tinggi yang memanfaatkan elektron untuk menghasilkan cahaya dengan panjang gelombang berbeda. Akselerator partikel adalah sistem yang mempercepat partikel bermuatan.

Secara prinsip, laser elektron bebas menghasilkan laser dengan melewatkan elektron yang bergerak mendekati kecepatan cahaya melalui medan magnet yang berubah secara periodik. Panjang gelombang laser ini terkait dengan frekuensi proses medan magnet periodik tersebut; dengan mengubah frekuensi perubahan medan magnet atau kecepatan masuk, laser dengan panjang gelombang berbeda dapat dihasilkan. Oleh karena itu, untuk membuat FEL ini, pertama-tama diperlukan sumber elektron berkecepatan tinggi (mendekati kecepatan cahaya). Mengapa elektron harus mendekati kecepatan cahaya? Karena hanya dalam kondisi ini, radiasi yang dihasilkan dari osilasi elektron tegak lurus terhadap arah masuknya dapat memberikan pengaruh signifikan terhadap gerakan elektron, menyebabkan elektron-elektron terdekat berkumpul menjadi kelompok (bukan aliran elektron yang seragam).

Misalkan setiap kelompok memiliki N elektron, maka energi radiasi cahaya yang dihasilkan bukan merupakan penjumlahan sederhana dari energi N elektron, melainkan berbanding kuadrat dari N, artinya terjadi koherensi radiasi; dengan kata lain, ini adalah laser. Saat ini, akselerator linier paling banyak digunakan sebagai sumber elektron berkecepatan tinggi (ada juga yang menggunakan radiasi sinkrotron sebagai sumber elektron bebas, tetapi dayanya tidak mencukupi).

Dengan kata lain, dalam FEL, elektron bergerak bebas di ruang hampa dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya dan bertukar energi dengan gelombang elektromagnetik yang bergerak bersamaan, menghasilkan sinar yang dapat disesuaikan dan diperkuat secara eksponensial.

Secara khusus, mencakup beberapa bagian berikut:

1. Sinar elektron berenergi tinggi

Proses ini dimulai dengan sinar elektron berenergi tinggi dari akselerator partikel.

Microwave amplifiers accelerate electrons to speeds close to the speed of light. For example, an electron beam with an energy of 1 GeV (i.e., one electron charge multiplied by 1 gigavolt) travels only one ten-millionth slower than the speed of light. The higher the energy of the electron beam, the higher the photon energy that the FEL can produce.

2. Radiasi muatan yang dipercepat

Setiap partikel bermuatan yang dipercepat akan memancarkan cahaya. Misalnya:

Sumber cahaya radiasi bremsstrahlung (bahasa Jerman untuk "radiasi pengereman") bekerja dengan menembakkan elektron ke dinding logam, menyebabkan elektron melambat dengan cepat, di mana berkas elektron menghabiskan energinya melalui radiasi cahaya dan pelepasan panas.

Magnet pembelok juga dapat mencapai efek serupa:

Jika sinar elektron dibengkokkan menjadi orbit melingkar, maka akan diperoleh sumber radiasi sinkrotron.

Jika sinar elektron digerakkan bolak-balik sepanjang lintasan gelombang sinus, maka terbentuk sumber cahaya wiggler atau undulator.

Sumber cahaya dari sinkrotron dan wiggler menghasilkan frekuensi cahaya yang lebar, sedangkan undulator berbeda: dalam kondisi tertentu, berkas elektron yang melewati undulator dapat menghasilkan emisi laser.

3. Oscillator

Undulator adalah perangkat yang terdiri dari magnet yang disusun secara periodik, yang menyebabkan sinar elektron berenergi tinggi bergetar sepanjang kurva sinusoidal (yaitu, "bergoyang") dengan frekuensi tertentu. Mengendalikan getaran sinar elektron ini merupakan langkah pertama dalam menghasilkan cahaya yang disetel secara akurat. Periode undulator (λᵤ) bersama dengan energi sinar elektron menentukan panjang gelombang cahaya yang dihasilkan.

Karena itu, beberapa orang memandang FEL sebagai pengganti lithografi EUV.

Tradisional EUV lithography menggunakan 13,5 nm karena plasma timah mampu menghasilkan cahaya pada panjang gelombang ini dengan efisiensi yang relatif tinggi.

Namun, logika FEL sama sekali berbeda. Dengan menyesuaikan energi berkas elektron, periode undulator, dan kekuatan medan magnet, panjang gelombang cahaya output dapat diubah. Oleh karena itu, secara teori FEL dapat mencakup rentang dari sinar-X lunak, EUV hingga panjang gelombang yang lebih panjang. Ini berarti: EUV tradisional lebih seperti “pisau litografi” dengan fokus tetap, sementara FEL lebih seperti “alat optik” yang dapat terus-menerus menyesuaikan panjang gelombang.

Oleh karena itu, beberapa pihak mengatasi batasan ini dengan mengadopsi FEL. Perusahaan rintisan AS, xLight, adalah pendukung jalan ini. Pat Gelsinger (mantan CEO Intel) kini menjabat sebagai Executive Chairman xLight.

Dalam teknologi xLight, elektron pertama-tama diinjeksikan ke akselerator partikel, lalu memasuki laser elektron bebas (FEL). xLight menyatakan: “FEL memanfaatkan elektron dari akselerator partikel dan membuatnya melewati osilator dengan medan magnet periodik, sehingga menghasilkan sinar koheren berintensitas tinggi.”

Secara sederhana, cahaya EUV dihasilkan di akselerator. Kemudian, cahaya EUV ditransmisikan dari perangkat akselerator partikel ke pabrik wafer melalui perangkat yang mirip saluran foton. Pada titik ini, cahaya EUV akan diarahkan ke pabrik wafer sub. Di dalam pabrik wafer sub terdapat berbagai sistem independen yang disebut “stasiun balik”.

Menurut video xLight, setiap stasiun flip didedikasikan untuk satu alat EUV di lantai atas pabrik wafer. Selama operasi, cahaya EUV ditransmisikan ke setiap posisi putar di area pabrik wafer bawah. Kemudian, setiap posisi putar menerima cahaya dan mengarahkannya ke sistem EUV di lantai atas pabrik wafer. Ini pada gilirannya memberikan energi ke perangkat EUV.

Dalam kasus ini, peralatan lithografi EUV itu sendiri tidak mengandung sumber cahaya LPP. Sebaliknya, cahaya EUV dihasilkan di akselerator partikel, lalu ditransmisikan ke peralatan EUV di pabrik wafer. Ini adalah cara sederhana untuk menggambarkan proses yang kompleks.

Meskipun demikian, sumber cahaya FEL dari xLight menghasilkan daya hingga 4 kali lebih tinggi dibandingkan perangkat LPP saat ini. xLight menyatakan: "Dengan menyediakan daya EUV hingga 4 kali lebih tinggi, pabrik wafer dapat mengoptimalkan perbaikan pola, meningkatkan produktivitas, dan meningkatkan yield, sehingga masing-masing scanner dapat menghasilkan pendapatan tambahan puluhan miliar dolar per tahun dan mengurangi biaya per wafer sekitar 50%. Selain itu, satu sistem xLight dapat mendukung hingga 20 sistem ASML, dengan masa pakai hingga 30 tahun, sehingga mengurangi pengeluaran modal dan operasional lebih dari 3 kali lipat."

Secara teori, teknologi xLight dapat digunakan untuk EUV numerik aperture rendah, EUV numerik aperture tinggi, bahkan EUV super numerik aperture. Dalam hal pengembangan, ASML sedang mengembangkan teknologi EUV super numerik aperture 0,75 yang bertujuan untuk mencapai masa depan yang lebih jauh.

Dari desain pabrik panjang Terafab dan tanggapan Musk, Terafab sangat mungkin akan menggunakan akselerator linier sebagai sumber elektron berkecepatan tinggi untuk FEL. Laser sinar-X elektron bebas tingkat femtosekon saat ini sudah digunakan di laboratorium universitas untuk pengumpulan data difraksi kristal protein.

Jika Anda masih tidak memahami sehebat apa hal ini, bayangkan ini: jika sumber cahaya mesin lithografi EUV AMSL adalah bola lampu biasa, maka sumber cahaya EUV free-electron laser (FEL) setara dengan laser efisien yang dapat dengan mudah menghasilkan laser dengan daya output beberapa kilowatt hingga puluhan kilowatt, dan panjang gelombangnya dapat disesuaikan sesuai kebutuhan.

Sebagai perbandingan, AMSL menggunakan LPP EUV dengan panjang gelombang tetap, dan dayanya sulit melebihi 1 kW, baik dalam hal kemurnian panjang gelombang cahaya maupun koherensinya, keduanya tidak dapat dibandingkan. Jika dapat diwujudkan, ini akan secara signifikan mempercepat kecepatan dan kualitas litografi mesin litografi. FEL juga memiliki keuntungan lain, yaitu efisiensi konversi (rasio konsumsi energi) yang sangat tinggi; LPP yang digunakan AMSL memerlukan sekitar 4,4 MW listrik untuk menghasilkan 1 kW EUV yang dapat digunakan (efisiensi keseluruhan sekitar 0,05%).

Sementara itu, FEL daur ulang energi paling canggih (ERL-FEL) hanya memerlukan sekitar 0,7 MW listrik untuk menghasilkan 1 kW EUV, dengan efisiensi sekitar 6 kali lebih tinggi, dan dapat ditingkatkan lebih lanjut di masa depan dengan bahan superkonduktor yang lebih baik.

Dari segi teknis saja, FEL jelas lebih unggul dalam kinerja sumber cahaya, tetapi ini tidak berarti lebih maju dalam litografi industri. Karena litografi EUV tidak hanya membutuhkan "satu berkas cahaya 13,5 nm".

Diperlukan: daya tinggi + stabilitas tinggi + frekuensi ulang tinggi + keandalan tinggi + biaya sangat rendah + waktu operasi sangat tinggi + kompatibel dengan sistem optik reflektif.

Sumber cahaya EUV ASML sekarang, setelah melalui rekayasa bertahun-tahun, telah membentuk sistem industri yang lengkap.

Namun, FEL biasanya memerlukan akselerator elektron besar, undulator, sistem vakum, sistem kontrol sinar, dan lainnya, sehingga ukuran dan biaya peralatannya sangat besar. Oleh karena itu, jika dilihat dari kinerja fisik sumber cahaya: FEL jelas lebih kuat dan lebih fleksibel.

Namun, jika dilihat dari kemampuan teknik litografi produksi massal semikonduktor: sumber cahaya EUV yang matang saat ini lebih cocok untuk pabrik wafer. FEL berpotensi membawa sumber cahaya EUV dari “panjang gelombang tetap 13,5 nm” menuju litografi panjang gelombang pendek yang lebih fleksibel.

Misalnya, jika di masa depan dilakukan eksplorasi lithography generasi berikutnya dengan panjang gelombang 6,xx nm, 5,xx nm, atau bahkan lebih pendek, mekanisme sumber cahaya FEL yang dapat menyesuaikan panjang gelombang, koherensi tinggi, dan kecerahan puncak tinggi akan sangat menarik.

Namun, ada masalah besar lainnya: semakin pendek panjang gelombang, semakin sulit masalah sistem optik, mask, resist fotolitografi, reflektivitas, hamburan foton, dan sistem vakum.

Jadi, revolusi yang benar-benar mungkin dibawa oleh FEL bukan hanya "menggantikan sumber cahaya EUV", tetapi menyediakan jalur sumber cahaya panjang gelombang pendek dan kecerahan tinggi yang sama sekali berbeda.

Selain FEL, solusi yang dibahas meliputi high-harmonic generation (HHG), discharge plasma (DPP), dan synchrotron radiation. LPP unggul dalam kematangan dan produksi massal, FEL menekankan kecerahan tinggi, koherensi tinggi, dan kemampuan menyesuaikan panjang gelombang, sementara HHG memiliki potensi miniaturisasi. Kunci persaingan di masa depan adalah menyeimbangkan daya, efisiensi, stabilitas, dan biaya pada panjang gelombang yang lebih pendek.

Yang lebih penting, mereka semua sama, dan menghadapi tantangan yang lebih besar, dengan jadwal yang tidak pasti.

Artikel ini berasal dari akun WeChat "Semiconductor Industry Watch" (ID: icbank), penulis: Redaksi