Um blogueiro publicou uma mensagem indicando que, de acordo com as informações divulgadas pela TeraFab, Elon Musk parece estar seguindo a rota FEL (Free Electron Laser: laser de elétron livre) para desafiar o monopólio tradicional da EUV.
Em seguida, a resposta de Elon Musk parece confirmar essa afirmação.
Claro, isso é apenas uma suposição e não representa a realidade. Mas acreditamos que vale a pena discutir.
FEL, não é nada novo
Devemos reconhecer que os lasers de elétrons livres (FEL) e os aceleradores de partículas não são novidades. Por anos, empresas, instituições de pesquisa e universidades têm possuído e operado aceleradores de partículas para gerar prótons, nêutrons e Quark Partículas subatômicas minúsculas. Esses sistemas são geralmente utilizados em física e outras aplicações científicas. O laser de elétrons livres (FEL) já existe há muito tempo. Segundo as informações, é essencialmente uma fonte de luz de alta potência que utiliza elétrons para produzir luz em diferentes comprimentos de onda. Um acelerador de partículas é um sistema que impulsiona partículas carregadas.
Do ponto de vista teórico, o laser de elétrons livres gera laser fazendo elétrons viajando quase à velocidade da luz passarem por um campo magnético periódico. O comprimento de onda desse laser está relacionado à frequência desse campo magnético periódico; alterando a frequência da variação do campo magnético ou a velocidade de incidência, é possível obter lasers de diferentes comprimentos de onda. Portanto, para construir esse FEL, é necessário primeiro ter uma fonte de elétrons de alta velocidade (próxima à velocidade da luz). Por que elétrons quase à velocidade da luz? Porque apenas sob essas condições a radiação gerada pela oscilação dos elétrons na direção perpendicular ao seu movimento exerce uma influência significativa sobre o movimento dos elétrons, fazendo com que elétrons adjacentes se agrupem (em vez de formar um fluxo uniforme de elétrons).
Suponha que cada agrupamento tenha N elétrons; nesse caso, a energia acumulada da radiação luminosa não é simplesmente a soma das energias dos N elétrons, mas sim proporcional ao quadrado de N, ou seja, ocorre ressonância de radiação — em outras palavras, laser. Atualmente, o acelerador linear é o mais utilizado como fonte de elétrons de alta velocidade (também há uso de radiação síncrotron como fonte de elétrons livres, mas sua potência é insuficiente).
Em outras palavras, no FEL, os elétrons se movem livremente no vácuo a velocidades próximas à da luz e trocam energia com ondas eletromagnéticas co-propagadas, gerando um feixe de luz ajustável e amplificado exponencialmente.
Especificamente, inclui as seguintes partes:
1. Feixe de elétrons de alta energia
Este processo começa com um feixe de elétrons de alta energia proveniente de um acelerador de partículas.
O amplificador de micro-ondas acelera elétrons até velocidades próximas à da luz. Por exemplo, com um feixe de elétrons de 1 GeV (ou seja, uma carga eletrônica multiplicada por 1 gigavolt), a velocidade dos elétrons é apenas um décimo milionésimo mais lenta que a da luz. Quanto maior a energia do feixe de elétrons, maior será a energia dos fótons que o FEL pode produzir.
2. Radiação de cargas aceleradas
Qualquer partícula carregada acelerada irá radiar luz. Por exemplo:
A fonte de radiação de freio (alemão Bremsstrahlung, significando "radiação de frenagem") funciona ao colidir elétrons contra uma parede metálica, fazendo com que os elétrons desacelerem rapidamente; o feixe de elétrons dissipa energia por meio da emissão de luz e liberação de calor.
Um ímã desviador também pode alcançar um efeito semelhante:
Ao curvar o feixe de elétrons em uma órbita circular, obtém-se uma fonte de radiação de sincrotrão.
Se um feixe de elétrons for oscilado para frente e para trás ao longo de uma trajetória senoidal, forma-se uma fonte de wiggler ou undulator.
A radiação de sincrotrão e as fontes de oscilador produzem luz com uma faixa de frequências ampla, enquanto os undulators são diferentes: em condições específicas, o feixe de elétrons que passa por um undulator pode gerar emissão a laser.
3, Oscilador
Um undulador é um dispositivo composto por ímãs dispostos periodicamente que fazem um feixe de elétrons de alta energia oscilar ao longo de uma curva senoidal (ou seja, "balançar"). Essa oscilação controlada do feixe de elétrons é o primeiro passo para gerar luz precisamente sintonizada. O período do undulador (λᵤ) e a energia do feixe de elétrons determinam conjuntamente o comprimento de onda da luz emitida.
Por isso, algumas pessoas veem o FEL como um substituto da litografia EUV.
Um candidato para substituir a fonte de luz atual
A litografia EUV tradicional utiliza 13,5 nm porque o plasma de estanho pode produzir eficientemente essa faixa de comprimento de onda.
Mas a lógica do FEL é completamente diferente. Ao ajustar a energia do feixe de elétrons, o período do undulator e a intensidade do campo magnético, é possível alterar o comprimento de onda da luz emitida. Portanto, teoricamente, pode-se cobrir desde raios-X moles até EUV e além, para comprimentos de onda mais longos. Isso significa: o EUV tradicional é como uma “ferramenta de litografia” com foco fixo, enquanto o FEL é como uma “ferramenta óptica” cujo comprimento de onda pode ser ajustado continuamente.
Assim, algumas pessoas superaram as limitações por meio da adoção do FEL. A startup americana xLight é uma defensora desse caminho. Vale destacar que o ex-CEO da Intel, Pat Gelsinger, agora atua como presidente executivo da xLight.
Na tecnologia da xLight, os elétrons são primeiro injetados em um acelerador de partículas e, em seguida, entram no laser de elétrons livres (FEL). A xLight afirma: “O FEL utiliza elétrons provenientes do acelerador de partículas e os faz passar por um undulador com campo magnético periódico, gerando um feixe coerente de alta intensidade.”
Em termos simples, a luz EUV é gerada em um acelerador. Em seguida, a luz EUV é transportada do equipamento do acelerador até a fábrica de semicondutores por meio de um dispositivo semelhante a um tubo de fótons. Nesse momento, a luz EUV é direcionada para uma subfábrica. A subfábrica contém vários sistemas independentes chamados de “estações de inversão”.
De acordo com o vídeo do xLight, cada estação de rotação é dedicada a uma ferramenta EUV específica da fábrica superior. Durante a operação, a luz EUV é transmitida para cada estação rotativa na área da subfábrica. Em seguida, cada estação rotativa recebe a luz e a direciona para os sistemas EUV localizados nos andares superiores da fábrica. Isso, por sua vez, fornece energia aos equipamentos EUV.
Neste cenário, o próprio equipamento de litografia EUV não contém a fonte LPP. Em vez disso, a luz EUV é gerada em um acelerador de partículas e depois transmitida para o equipamento EUV na fábrica de semicondutores. Esta é uma maneira simplificada de descrever um processo complexo.
Mesmo assim, a fonte de luz FEL do xLight produz quatro vezes mais potência do que os dispositivos LPP atuais. A xLight afirma: “Ao fornecer até quatro vezes mais potência EUV, as fábricas de semicondutores podem otimizar a melhoria de padrões, aumentar a produtividade e a taxa de rendimento, gerando bilhões de dólares adicionais por ano por scanner e reduzindo o custo por wafer em cerca de 50%. Além disso, um único sistema xLight pode suportar até 20 sistemas ASML, com vida útil de até 30 anos, reduzindo os gastos de capital e operacionais em mais de três vezes.”
Teoricamente, a tecnologia xLight pode ser aplicada à EUV de baixa abertura numérica, EUV de alta abertura numérica e até EUV de超 abertura numérica. Em termos de P&D, a ASML está desenvolvendo a tecnologia EUV de超 abertura numérica 0,75, cujo objetivo é alcançar um futuro mais distante.
A partir do design alongado da fábrica da Terafab e da resposta de Musk, é muito provável que a Terafab utilize um acelerador linear como fonte de elétrons de alta velocidade para o FEL. Os lasers de elétrons livres de raios-X no nível de femtossegundos já estão sendo utilizados em laboratórios universitários para coleta de dados de difração de cristais de proteínas.
Se você ainda não entende o quão poderoso isso é, faça esta analogia: se a fonte de luz da máquina de litografia de ultra-violeta extremo da AMSL fosse uma lâmpada comum, então a fonte de luz de ultra-violeta extremo de elétrons livres (FEL) seria equivalente a um laser de alta eficiência, capaz de gerar facilmente lasers com potência de saída de vários quilowatts a dezenas de quilowatts, e cujo comprimento de onda pode ser ajustado livremente.
Em comparação, o LPP EUV utilizado pela AMSL tem comprimento de onda fixo, e sua potência é difícil de ultrapassar 1 kW; tanto a pureza do comprimento de onda da luz quanto sua coerência são incomparáveis. Se for possível desenvolvê-lo, acelerará significativamente a velocidade e a qualidade da litografia. Outra vantagem do FEL é sua eficiência de conversão (razão de consumo de energia) extremamente alta: o LPP utilizado pela AMSL exige cerca de 4,4 MW de energia elétrica para produzir 1 kW de EUV útil (eficiência geral da ordem de 0,05%).
O FEL com recuperação de energia mais avançado (ERL-FEL) requer apenas cerca de 0,7 MW de eletricidade para produzir 1 kW de EUV, sendo cerca de 6 vezes mais eficiente, e ainda pode ser melhorado no futuro com materiais supercondutores mais avançados.
Não se pode fazer tudo de uma vez
Do ponto de vista puramente técnico, o FEL demonstra claramente melhor desempenho na fonte de luz, mas isso não significa que seja mais avançado na litografia industrial. Isso porque a litografia EUV exige muito mais do que “ter um feixe de luz de 13,5 nm”.
Também necessário: alta potência + alta estabilidade + alta frequência de repetição + alta confiabilidade + custo extremamente baixo + tempo de operação extremamente alto + compatível com sistema óptico refletivo.
A fonte de luz EUV da ASML, após anos de engenharia, já formou um sistema industrial completo.
O FEL geralmente requer grandes aceleradores eletrônicos, unduladores, sistemas de vácuo, sistemas de controle de feixe, etc., com equipamentos de volume e custo extremamente elevados. Portanto, do ponto de vista das características físicas da fonte de luz: o FEL é claramente mais poderoso e mais flexível.
Mas, do ponto de vista da capacidade de engenharia na litografia de produção em massa de semicondutores: a fonte EUV madura atual é mais adequada para fábricas de wafers. O FEL pode levar a fonte EUV de um “comprimento de onda fixo de 13,5 nm” para uma litografia de comprimento de onda mais curto e mais flexível.
Por exemplo, se no futuro for explorada a próxima geração de litografia com comprimentos de onda de 6,xx nm, 5,xx nm ou menores, o mecanismo de fonte FEL, com comprimento de onda ajustável, alta coerência e alta brilho pico, se tornará muito atraente.
Mas há ainda um grande problema aqui: quanto menor o comprimento de onda, mais difíceis se tornam os sistemas ópticos, máscaras, resinas fotossensíveis, refletividade, dispersão de fótons e sistemas de vácuo.
Portanto, a revolução que o FEL realmente pode trazer não é apenas “substituir a fonte EUV”, mas sim oferecer um caminho totalmente diferente para fontes de comprimento de onda curta e alta brilho.
Além do FEL, soluções como o HHG, o plasma de descarga (DPP) e a radiação de sincrotrão também são discutidas. O LPP se destaca pela maturidade e produção em massa, o FEL enfatiza alta brilho, alta coerência e comprimento de onda ajustável, enquanto o HHG possui potencial de miniaturização. A chave da competição futura será equilibrar potência, eficiência, estabilidade e custo em comprimentos de onda mais curtos.
Mais importante ainda, todos eles são iguais e enfrentam mais desafios, com prazos ainda incertos.
Este artigo é do canal do WeChat "Observatório da Indústria de Semicondutores" (ID: icbank), autor: equipe de edição