目前台积电、英特尔和三星等头部的晶圆制造商积极地发展尖端先进制程工艺，希望在单位面积内塞入更多的晶体管，以维持摩尔定律的继续有效。为此，他们在7nm制程上就都已经采用了售价高达1.5亿欧元的EUV光刻机，而未来进入2nm以下的埃米级制程则需要采用售价高达3.5亿欧元的High NA EUV光刻机。这些机器之所以如此昂贵，其中一个关键原因在于，它们的EUV光源的生产，都采用的是目前地球上最强大的商用激光器，通过轰击金属锡滴来来产生13.5nm EUV光源。

但是现在，一个非常规的替代方案正在酝酿中。位于日本筑波的高能加速器研究组织（KEK）的一组研究人员认为，如果利用粒子加速器的力量，EUV光源的获取可能会更便宜、更快、更高效。

甚至在晶圆厂安装全球第一台EUV光刻机之前，就有研究人员就看到了使用由粒子加速器产生的称为自由电子激光器（FEL，高功率相干辐射光）的强大光源进行EUV光刻的可能性。

激光产生的等离子体EUV

目前ASML是全球唯一的EUV光刻机制造商，当ASML在2016年推出第一代价值超过1亿美元的EUV光刻机时，整个行业都对它们感到绝望。当时芯片制造商一直在为当时最先进使用 193nm光源的DUV光刻机寻找新的接任者，于是转向波长更短的13.5nm的EUV光刻成为了一场革命，它将减少制造尖端芯片所需要的光刻步骤，并继续延续摩尔定律。

目前的EUV光刻机系统当中的EUV光源，被称为激光等离子体EUV光源（EUV-LPP），是通过30千瓦功率的二氧化碳激光器轰击以每秒50000滴的速度从喷嘴内喷出的锡金属液滴，每滴两次轰击（即每秒需要10万个激光脉冲），将它们蒸发成等离子体，通过高价锡离子能级间的跃迁获得13.5nm波长的EUV光线。

由于EUV光线波长非常短，所以它们会很容易被空气吸收，所以整个EUV光源的工作环境需要被抽成真空。同时，EUV光线也无法被玻璃透镜折射，所以ASML与德国光学公司蔡司（Zeiss）合作，采用钼与硅（Mo/Si）制成的特殊镀膜反射镜，来修正光的前进方向，以使得EUV光线经过多次反射后能够精准的投射到晶圆上。但EUV光线每经过一次反射仍会损失不少的能量，导致最终到达硅晶圆的光子可能只有原来的约5%左右。

显然，所有这些获取EUV光源的步骤加起来是一个高度复杂的过程。虽然它从30千瓦功率的激光器开始，但最终反射到晶圆上的EUV光线的功率只有几瓦，功率越低则意味着在硅片上形成图案所需的时间就越长。如果没有足够功率的EUV光源，晶圆上就会出现随机图案缺陷，且制造速度变得缓慢、且不经济。高吞吐量下需要高 EUV 功率来抑制随机效应。

当EUV光刻机首次推出时，其功率水平足以每小时处理约 100 片晶圆。从那时起，ASML持续设法将EUV光刻机的产量稳步提高到了每小时约200片晶圆。

ASML目前的EUV光源额定功率为500瓦，但对于未来需要的更精细的图案，Nakamura表示可能需要1000瓦或更多。ASML曾表示，它有一个开发1000W光源的路线图。但Nakamura认为，这可能很难实现，他曾领导KEK的光束动力学和磁铁小组，退休后从事EUV项目。

将EUV光源功率增加一倍是“非常具有挑战性的”，但印第安纳州普渡大学极端环境下材料中心负责人艾哈迈德·哈桑宁（Ahmed Hassanein）表示，这并非不可能，ASML过去曾使用改进和优化光源和其他组件的综合方法实现了类似的困难目标，不排除ASML重复这种可能性。

但功率并不是激光产生等离子体EUV光源（EUV-LPP）方面所面临的唯一问题。“在升级到更高的EUV功率方面存在许多具有挑战性的问题，比如污染、波长纯度和镜子收集系统的性能等。”Hassanein列举道。

高昂的运营成本也是一个重要问题。这些EUV-LPP系统每分钟需要消耗约 600 升氢气，其中大部分用于防止锡和其他污染物进入光学器件和晶圆。不过，如果做好氢气的回收，则可以降低这方面的运营成本。

EUV-LPP系统最为关键的运营成本消耗则来自于电力的消耗。根据研究论文显示，EUV-LPP 光源在 250W EUV功率下需要消耗约 1.1 MW 电能，在1000W EUV 功率下消耗约 4.4 MW 电能。

弗吉尼亚州托马斯·杰斐逊国家加速器设施（Thomas Jefferson National Accelerator Facility）最近退休的高级研究科学家斯蒂芬·本森（Stephen Benson）估计，整个EUV-LPP系统的墙插效率（输出发光功率与输入电功率的比值）可能低于0.1%。

什么是能量回收直线加速器EUV-FEL？有何优势

正如前面所说，面对EUV-LPP系统的种种弊端，很早就有研究人员就看到了使用由粒子加速器产生的称为自由电子激光器（FEL）来产生强大的EUV光源的可能性。但是并不是所有自由电子激光器都能够作为EUV光源。

自由电子激光器（FEL）大致分为两种类型：振荡器FEL和自放大自发辐射（SASE）FEL。

在振荡器FEL中，来自电子加速器的电子束在波荡器中发光，与存储在振荡器中的波荡器光相互作用，并放大FEL光。然而，由于镜面对短波长光的反射率较差，FEL波长被限制在100nm以上。

在SASE-FEL中，加速器提供的高质量电子束的自发辐射在长波荡器中自放大，无需任何振荡器和外部种子。它适用于短波长FEL，例如EUV-FEL。

而用于SASE-FEL的直线加速器（linacs）也分为两种：正常传导和超导直线加速器。

正常传导直线加速器很常见，但其电子束的平均电流被限制在小于∼100 nA，以避免直线加速器腔因高热负荷而变形。而超导直线加速器由于热负荷极低而具有更高的束团重复频率和平均电流（通常为几十μA），因此更适合高功率的自由电子激光器。

如果与没有能量回收功能的普通直线加速器相比，拥有能量回收直线加速器（ERL）是更强大的自由电子激光器驱动器。基于ERL 的 EUV-FEL 可成为最强大的 EUV 光源，通过使用能量回收方案和超导加速器技术来克服 EUV 光刻的当前问题。

△(a) 普通直线加速器 和 (b) 能量回收直线加速器示意图。

与激光等离子体EUV光源（EUV-LPP）相比，基于ERL 的EUV-FEL 光源具有多项优势：EUV-FEL 光源可产生超过 10 kW 的高 EUV 功率，且不会产生锡滴碎片，因此，它可以同时为 10 台EUV光刻机供超过1000W 的 EUV 功率，而不会对 Mo/Si 反射镜面造成锡污染。

KEK的科学家表示，制造EUV光源的最佳候选者是能量回收直线加速器，可以使自由电子激光器经济地产生数10kW功率的EUV光源。这足以同时驱动多台下一代光刻机，从而降低先进芯片制造的成本。

KEK高级光源研究员Norio Nakamura也表示：“EUV-FEL光束的极高功率、窄光谱宽度和其他特性使其适合作为未来光刻的EUV光源来应用。”

此外，EUV-FEL 可升级为 BEUV-FEL，以使用更短的波长（6.6-6.7 nm）实现更精细的图案化。它还可以可变地控制 FEL 光的偏振，以实现High NA 光刻。

在电力消耗方面，EUV-FEL光源也要远低于EUV-LPP光源。下面的表格显示了 EUV-FEL 光源的估算电力消耗，超导腔体的制冷系统是所有项目中耗电量最大的，其他耗电的基础设施包括冷却水系统、空调系统、照明系统等。总的来看，10 kW EUV-FEL光源系统的功率的总耗电量为 7MW，因此每1000W EUV功率的耗电量为 0.7 MW，远低于同样1000W EUV功率的LPP光源的4.4 MW耗电量，只有其1/6不到，即便ASML已逐渐降低其EUV-LPP 光源所需的电能，也远高于EUV-FEL光源的​电耗。

EUV-FEL光源的建设和运行成本粗略估计为10kW EUV功率4亿美元和每年4000万美元，因此1kW EUV功率建设成本约4000万美元和每年400万美元。相比之下，通过简单的线性外推，LPP光源的建设和运行成本粗略估计为250W EUV功率2000万美元和每年1500万美元，即每1kW EUV功率建设成本为8000万美元和运行成本为每年6000万美元。

显然，EUV-LPP光源的建设成本达到了EUV-FEL光源建设成本的2倍，运营成本更是达到了其15倍。综合来看，EUV-LPP光源的成本也达到了EUV-FEL光源​的3倍。这其中，集光镜的维护费用占了运营成本的大部分，因为集光镜会因锡屑的污染而老化，需要经常更换。另外​庞大的能源消耗也是一大成本。也就是说，采用EUV-FEL光源来代替EUV-LPP光源，综合成本可以降低2倍以上。

能量回收直线加速器系统原理与结构

KEK正在开发的能量回收直线加速器系统是通过将电子提升到相对论速度，然后以特定方式偏离它们的运动来产生光。

Nakamura 解释说，当电子枪将一束电子注入一米长的低温冷却管时，这个过程就开始了。在这个管子里，超导体传递射频（RF）信号，驱动电子越来越快地前进。然后电子进行 180 度转弯并进入称为波荡器的结构，这是一系列方向相反的磁铁。波荡器将迫使加速的电子沿着正弦路径，这种运动将导致电子发光。

△在自由电子激光器中，加速电子受到交变磁场的影响，导致电子波动并发射电磁辐射。辐射将电子聚集在一起，导致它们仅放大特定波长，从而产生自由电子激光束。

△KEK能量回收直线加速器的原理图及模型图

接下来发生的是一种称为自放大自发发射（SASE）的现象。光与电子会相互作用，减慢一些电子的速度，加速其他电子的光，因此它们会聚集成“微束”，即沿着波荡器路径周期性出现的密度峰值。现在结构化的电子束只放大与这些微束周期同相的光，产生相干的激光束。

正是基于这一点，KEK的紧凑型能量回收直线加速器（cERL）与传统直线加速器驱动的激光器不同。通常，通过将粒子转移到所谓的电子束转储中来处理用过的电子束。但在cERL中，电子首先环回射频加速器。这个光束现在与刚刚开始旅程的新注入电子处于相反的阶段。结果是，用过的电子将大部分能量转移到新光束上，从而增强了其能量。一旦原始电子的一些能量像这样被耗尽，它们就会被转移到束流中。

在 cERL 中，KEK已经实现了在低束电荷 (<6 pC) 下以约 1 mA 的平均电流运行，并实现能量回收。可以通过在 cERL 中安装 FEL 波荡器来产生 SASE-FEL 发射，从而实现 EUV-FEL 的 PoC。

“能量回收直线加速器中的加速能量被回收，与普通直线加速器相比，倾倒的光束功率大大降低，”Nakamura解释称。而另一个房间的科学家正在操作激光器。他说，重复使用电子的能量意味着，对于相同的电量，系统通过加速器发送更多的电流，并且可以更频繁地发射激光。

随着能量回收直线加速器生产光源的效率的提高，可以大幅降低成本，“而这也是使用激光产生等离子体光源所面临的主要问题。”Hassanein说。

建造用于EUV的能量回收直线加速器

KEK紧凑型能量回收直线加速器最初于2011年至2013年之间建造，旨在为该机构物理和材料科学部门的研究人员展示其作为同步辐射源的潜力。但研究人员对计划中的系统不满意，该系统的性能目标低于一些基于存储环的同步加速器所能达到的目标。同步加速器是巨大的圆形加速器，可保持电子束以恒定的动能移动。因此，KEK的研究人员开始寻找更合适的应用。

在与包括东芝在内的日本科技公司交谈后发现，东芝当时有一个闪存芯片部门，研究人员进行了一项初步研究，证实使用紧凑的能量回收直线加速器可以产生千瓦级的光源。于是，EUV自由电子激光项目诞生了。在 2019 年和 2020 年，研究人员修改了现有的实验加速器，开始了制造 EUV光线之旅。

△KEK的实验性紧凑型能量回收直线加速器

该系统被安装在一个全混凝土房间内，以保护研究人员免受运行过程中产生的强烈电磁辐射的影响。这个房间长约60米，宽约20米，大部分空间被复杂的设备、管道和电缆所占据，这些设备、管道和电缆以细长的赛道的形式沿着其长度的两侧蜿蜒而行。

凭借17兆电子伏特的电子束能量，研究人员已经能够在20μm红外光的爆发中产生SASE发射。早期测试结果已于2023年4月发表在《日本应用物理杂志》上。下一步正在进行中，是在连续波模式下产生更大的激光功率。

可以肯定的是，20μm的红外光与13.5nm的EUV相去甚远，并且已经有一些类型的粒子加速器可以产生比EUV波长更短的同步辐射光线。但是，KEK研究人员声称，基于能量回收直线加速器的激光器由于其固有的效率，可以产生更高功率的EUV。在该同步辐射源中，光强度与注入的电子数量成正比。相比之下，在自由电子激光系统中，光强度大致随着注入电子数的平方而增加，才能产生更大的亮度和功率。

为了使能量回收直线加速器达到EUV范围，需要设备升级，这将超出KEK目前的空间。因此，研究人员现在正在计划构建一个新的原型系统，该系统可以产生所需的800 MeV。

△一个装满工业设备的房间，电子枪将电荷注入KEK的紧凑型能量回收直线加速器。

2021 年，在严重的通货膨胀影响全球经济之前，KEK 团队估计新系统的建设成本（不包括土地）为 400 亿日元（2.6 亿美元），该系统预计将可提供 10千瓦的 EUV光源，可以提供给多台光刻机使用。据判断，每年的运营成本约为40亿日元。因此，即使考虑到最近的通货膨胀，“与当今激光生产的等离子体EUV光源的估计成本相比，我们设置中的每次曝光的估计成本仍然相当低。”Nakamura说道。

Nakamura承认，在这样的系统能够实现半导体制造商所要求的高水平性能和运行稳定性之前，还有很多技术挑战需要解决。该团队将不得不开发新版本的关键部件，如超导腔、电子枪和波荡器。工程师还必须开发良好的程控制程序，以确保电子束在操作过程中不会退化或动摇。

为了确保他们的方法具有足够的成本效益以吸引芯片制造商的注意力，研究人员将需要创建一个能够可靠地将超过1000W的EUV功率同时传输到多台光刻机的光源系统。研究人员已经有了一个特殊镜子布置的概念设计，该镜子将EUV光传送到多个曝光工具，而不会显著损失功率或损坏反射镜（高功率的光源可能会使反射镜发热变形）。

如何升级至波长更短的BEUV-FEL方案？​

此外，EUV-FEL 可升级为 BEUV-FEL，以使用更短的波长（6.6-6.7 nm），可以实现更高的分辨率，从而实现更精细的芯片图案化。

下图 (a) 至 (c) 示意性地显示了从 EUV-FEL 光源升级到 BEUV-FEL 的三种可能方案。

图 (a) 中的第一个方案非常简单，基于单环布局。由于 FEL 波长与相同波荡器周期和场的光束能量平方成反比，因此主直线加速器长度增加了约 2 的平方根倍，光束能量增加到 1.13–1.14 GeV，以将波长缩短至 6.6–6.7 nm，约为 EUV 波长的一半。由于 FEL 饱和长度与光束能量成正比，因此波荡器部分长度也增加了。另外两种方案基于双环布局，不会显著增加光源长度。

在图 6 ( b) 所示的第一个双环布局中，主直线加速器的总长度增加了，但分为两部分。组合器和扩展器可能主要由三个或四个弯曲磁铁组成，应设计和添加组合器和扩展器来连接两个环路，而不会显著降低光束质量。两束不同能量的光束由组合器合并，由扩展器分离。

在图（c）所示的双环布局中，光束被主直线加速器加速两次，因此主直线加速器长度保持不变或可以减小。相反，主直线加速器中的光束电流和热负荷几乎翻倍。我们可以选择其中一个适合场地大小和光源条件（例如允许的腔体热负荷）的组件。在每种方案中，大多数 EUV-FEL 组件都可以在 BEUV-FEL 光源中重复使用。

图（d）显示了模拟的 BEUV-FEL 光谱。该光谱的带宽（∼0.04 nm）比图（e）中测得的 BEUV 镜反射率的带宽要窄。这意味着基于ERL的FEL也是一种很有前途的BEUV光刻光源。

其他EUV方案可能性

对于快速扩张的芯片制造商来说，EUV自由电子激光器的商用还为时过早。但KEK团队并不是唯一一个追逐这项技术的团队。总部位于美国加利福尼亚州帕洛阿尔托（Palo Alto）的一家风险投资支持的初创公司xLight也在追逐EUV光源的开发。

据介绍，xLight 由一支由光源先驱、光刻师和粒子加速器制造商组成的团队领导。虽然规模很小，但其团队在光刻和加速器技术领域拥有多年的经验，不仅拥有来自斯坦福直线加速器和其他地方的粒子加速器资深研究人士，其首席科学家 Gennady Stupakov 博士还是 2024 年 IEEE 核能和等离子体科学学会粒子加速器科学技术奖 (PAST 奖) 的两名获奖者之一。

据官网资料介绍，xLight 成立的使命是打造一种能够彻底改变光刻、计量和检测的光源。之所以有这个目标，是源于“美国必须重新夺回并保持半导体制造业的领导地位”这样的信念。

xLight 利用数十年的投资和美国在粒子加速器技术、基础设施和知识方面的领导地位，正在快速开发和部署其独特的基于加速器的EUV光源解决方案，以实现更经济、更可持续的 EUV 光刻未来。在此基础上，xLight 设计了一个具有新功能的 HVM（大批量制造）兼容系统，该系统可提供生产力和性能，从而推动尖端半导体制造业数十年的持续进步。

在今年1月份，xLight 公司参加了在东京举行的第8届EUV-FEL研讨会，其前首席执行官Erik Hosler介绍了该技术。

今年4月，xLight 还与伊利诺伊州的费米国家加速器实验室签署了一项研发协议，以开发超导腔和低温模块技术。

值得注意的是，ASML在十年前考虑转向粒子加速器，最近在将自由电子激光技术的进展与激光产生的等离子体路线图进行比较时再次考虑转向粒子加速器。但公司高管认为LLP带来的风险较小。

事实上，这是一条危险的道路。对KEK项目的独立观点强调，可靠性和资金将是研究人员未来面临的最大挑战。“研发路线图将涉及许多苛刻的阶段，以开发一个可靠、成熟的系统，”Hassanein说。“这将需要大量的投资，并且需要相当长的时间。

“机器设计必须非常坚固，并内置冗余，”退休研究科学家Benson补充道。设计还必须确保组件不会因辐射或激光而损坏。这必须“在不影响性能的情况下实现，性能必须足够好，以确保良好的的效率。

更重要的是，Benson警告说，如果没有即将到来的投资承诺，“EUV-FEL的开发可能无法及时帮助半导体行业。”

总结

最近，基于 250W LPP 光源的 EUV 光刻大批量制造已经开始。但是，为了克服随机效应，实现更高的吞吐量和更高的 NA，未来的 EUV 光刻将需要更强大的 EUV 光源。因此，开发更高功率的 EUV 光源仍然很重要。基于 能量回收直线加速器（ERL）的自由电子激光器（FEL）可以通过能量回收方案获得极高的FEL功率，是光刻高功率光源的有希望的候选者。

目前业界已经设计了一种基于 ERL 的 EUV-FEL 光源用于未来的光刻，并且已经研究和开发了主要组件。EUV-FEL 光源在 EUV 功率、升级到 BEUV-FEL、High NA 光刻的偏振控制、电力消耗和每台光刻机的成本方面具有许多优势。

估算 EUV-FEL 和 LPP 光源的每个光刻机的电力消耗、建设和运行成本，不难发现通过从EUV-LPP 源切换到 EUV-FEL 光源可以节省大量成本。此外，在 cERL IR-FEL 上产生了显著的 SASE-FEL 发射，这是 EUV-FEL 概念验证的重要一步。在未来的高功率 FEL 操作方面取得了进一步的进展。EUV-FEL 光源被认为是未来光刻最有前途的光源，应进一步推动其产业化。

编辑：芯智讯-浪客剑   资料来源：ieee.org、iop.org