有博主發文稱，根據 TeraFab 發布的消息，Elon Musk 似乎打算推動 FEL（Free electron laser：自由激光器）路線，顛覆傳統 EUV 的壟斷。
隨後，Elon Musk 的回覆，似乎印證了這種說法。
當然，這是一種猜測，並不代表真實情況。但我們認為這值得討論一下。
FEL，不是新東西
我們必須承認，自由電子激光器（FEL）和粒子加速器並非新鮮事物。多年來，公司、研發機構和大學一直擁有並運營著粒子加速器，用於產生質子、中子和 夸克 等微小的亞原子粒子。這些系統通常用於物理學和其他科學應用。自由電子激光器（FEL）早已存在。據介紹，這本質上是一種高功率光源，利用電子產生不同波長的光。粒子加速器是一種推進帶電粒子的系統。
從原理上看，自由電子激光是讓接近光速飛行的電子經過一個週期性變換的磁場產生的激光。這個激光的波長與這個週期性磁場過程的頻率相關，可以通過改變磁場變化頻率或入射速度，獲得不同波長的激光。因此，要製造這種FEL，首先需要一個高速（接近光速）電子源。為何需要接近光速的電子？因為只有在這種條件下，電子沿入射方向垂直方向的擺動所產生的輻射光，才能對電子運動產生明顯影響，導致鄰近電子聚集成簇（而非均勻的電子流）。
假設每一簇有 N 個電子，這時它們輻射光的疊加能量並非 N 個電子能量的簡單相加，而是與 N 的平方成正比，也就是說輻射發生了協振，換句話說，就是雷射。目前最常用的是直線加速器作為高速電子源（也有使用同步輻射作為自由電子源的，但功率不足）。
In other words, in FEL, electrons move freely in a vacuum at nearly the speed of light and exchange energy with a co-propagating electromagnetic wave, thereby generating a tunable and exponentially amplified beam of light.
具體而言，包括以下幾個部分：
1. 高能電子束
這一過程始於來自粒子加速器的高能電子束。
微波放大器將電子加速至接近光速的速度。以 1 GeV 的電子束（即一個電子電荷乘以 1 吉伏）為例，電子的速度僅比光速慢一千万分之一。電子束的能量越高，FEL 所能產生的光子能量也越高。
2. 加速電荷的輻射
任何被加速的帶電粒子都會輻射光。例如：
韌致輻射（德語 Bremsstrahlung，意為「制動輻射」）光源通過將電子撞擊到金屬壁上，使電子快速減速，電子束通過輻射光和釋放熱量來消耗能量。
偏轉磁體也可實現類似效果：
若將電子束彎成一個圓軌道，就得到同步輻射光源。
若將電子束沿正弦波軌跡來回擺動，就形成了搖擺器（wiggler）或波蕩器（undulator）光源。
同步輻射和搖擺器光源產生的光頻率較寬，而波蕩器則有所不同：在特定條件下，通過波蕩器的電子束可實現雷射發射。
3、波動指標
波荡器是由周期性排列的磁體構成的裝置，能使高能電子束以特定頻率沿正弦曲線振盪（即“擺動”）。對電子束進行這種受控振盪，是產生精準調諧光的第一步。波蕩器的週期（λᵤ）與電子束能量共同決定了輸出光的波長。
因此，有人將 FEL 視為 EUV 光刻的替代方案。
一個替代現行光源的候選
傳統 EUV 光刻之所以採用 13.5 nm，是因為錫等離子體能夠比較高效地產生這一波段的光。
但 FEL 的邏輯完全不同。它透過調整電子束能量、波蕩器週期和磁場強度，即可改變輸出光的波長。因此理論上可從軟 X 射線、EUV 一直覆蓋到更長波段。這意味著：傳統 EUV 更像是一把固定焦距的「光刻刀」，而 FEL 更像是一把可以不斷調整波長的「光學工具」。
因此，有人透過採用 FEL 來突破限制。美國初創公司 xLight 正是這條路的支持者。值得一提的是，英特爾前首席執行官 Pat Gelsinger 目前擔任 xLight 執行董事長。
在 xLight 的技術中，電子首先被注入粒子加速器，然後進入自由電子激光（FEL）。xLight 表示：「FEL 利用來自粒子加速器的電子，並使其穿過具有週期性磁場的波蕩器，從而產生相干的高強度光束。」
簡單來說，EUV 光是在加速器中產生的。然後，EUV 光通過類似光子管道的裝置，從粒子加速器設備傳輸至晶圓廠。此時，EUV 光會被引導至子晶圓廠。子晶圓廠內有各種獨立的系統，稱為「翻轉站」。
根據 xLight 的影片，每個翻轉站都專門為上層晶圓廠的一台 EUV 設備服務。在操作過程中，EUV 光線被傳輸至子晶圓廠區的每個旋轉工位。接著，每個旋轉工位接收光線並將其引導至晶圓廠樓上的 EUV 系統，進而為 EUV 設備提供能量。
在這種情況下，EUV 光刻設備本身並不包含 LPP 光源。相反，EUV 光是在粒子加速器中產生，然後傳輸到晶圓廠的 EUV 設備。這是對複雜工藝的簡化描述。
Nevertheless, the FEL light source from xLight produces four times the power of current LPP systems. xLight states: “By providing up to four times the EUV power, fabs can optimize pattern improvement, increase productivity and yield, generating billions of additional dollars in revenue per scanner per year and reducing the cost per wafer by approximately 50%. In addition, a single xLight system can support up to 20 ASML systems, with a lifespan of up to 30 years, reducing capital and operational expenditures by more than three times.”
理論上，xLight 的技術可用於低數值孔徑 EUV、高數值孔徑 EUV 甚至超數值孔徑 EUV。在研發方面，ASML 正在開發 0.75 超數值孔徑 EUV 技術，該技術的目標是實現更遠的未來。
從 Terafab 細長的廠房設計和馬斯克的回覆可以看出，Terafab 極有可能會採用直線加速器作為 FEL 的高速電子源。目前的飛秒級自由電子 X 射線激光，已經在大學實驗室用於蛋白質晶體繞射的資料收集。
如果你還不明白這東西有多厲害，打個比方說，如果 ASML 的極紫外光刻機的光源是普通的燈泡，那麼 FEL 自由電子極紫外光的光源就相當於一個高效率的雷射器，可以輕易產生幾千瓦到幾十千瓦輸出功率的雷射，而且波長可以隨意調節。
作為對比，AMSL 採用的 LPP EUV 是固定波長，而且功率很難突破 1 千瓦，無論是光波長的純淨度還是其相干性都無法相比。如果能夠實現，將大大加速光刻機的光刻速度和光刻質量。FEL 還有一個優點，就是轉換效率（能耗比）特別高，AMSL 採用的 LPP 大約需要 4.4 MW 電才能產出 1 kW 可用 EUV（整體效率約為 0.05% 量級）。
而最先進的能量回收型FEL（ERL-FEL）大約只需 0.7 MW 電產生 1 kW EUV，效率高出約 6 倍，未來使用更佳的超導材料還能進一步提升。
不能一蹴而就
單純從技術本身來看，FEL 在光源性能上明顯更強，但在產業化光刻上並不意味著更先進。因為 EUV 光刻需要的不只是「有一束 13.5 nm 的光」。
還需要：高功率 + 高穩定性 + 高重複頻率 + 高可靠性 + 極低成本 + 極高運行時間 + 與反射式光學系統匹配。
ASML 現在的 EUV 光源經過多年的工程化，已形成完整的產業體系。
而 FEL 通常需要大型電子加速器、波蕩器、真空系統、束流控制系統等，設備體積和成本都非常巨大。所以如果從光源物理性能來看：FEL 明顯更強、更自由。
但如果從半導體量產光刻的工程能力來看：现阶段成熟的EUV光源更適合晶圓廠。FEL有可能把EUV光源從「13.5 nm這一固定波長」，帶向更加靈活的短波長光刻。
例如，未來若進入 6.x nm、5.x nm 甚至更短波長的下一代光刻探索，FEL 這種波長可調諧、高相干、高峰值亮度的光源機制就會非常有吸引力。
但這裡還有一個巨大的問題：波長越短，光學系統、掩模、光刻膠、反射率、光子散射、真空系統等問題都會越來越難。
因此，FEL 真正可能帶來的革命，並不只是「替代 EUV 光源」，而是提供一種完全不同的短波長高亮度光源路線。
除了 FEL 外，高次諧波（HHG）、放電等離子體（DPP）以及同步輻射等也是討論的方案。LPP 的優勢在於成熟與量產，FEL 強調高亮度、高相干性與波長可調，HHG 則具備小型化潛力。未來競爭的關鍵，在於更短波長下兼顧功率、效率、穩定性與成本。
更重要的是，他們都一樣，還面臨更多挑戰，時間表更是沒定數。
本文來自微信公眾號 “半導體行業觀察”（ID：icbank），作者：編輯部