Elon Musk, will er die EUV-Lithografiemaschinen revolutionieren?
Ein Blogger hat eine Nachricht veröffentlicht, wonach Elon Musk laut den von TeraFab veröffentlichten Informationen offenbar den FEL (Freie-Elektronen-Laser) Weg einschlagen will, um das traditionelle Monopol von EUV zu durchbrechen.
Anschließend scheint Elon Musks Antwort diese Aussage zu bestätigen.
Natürlich handelt es sich hierbei um eine Vermutung, die nicht der Realität entspricht. Wir sind jedoch der Ansicht, dass dies eine Diskussion wert ist.
FEL ist keine neue Erfindung
Wir müssen anerkennen, dass Freie-Elektronen-Laser (FEL) und Teilchenbeschleuniger keine neuen Dinge sind. Seit vielen Jahren besitzen und betreiben Unternehmen, Forschungseinrichtungen und Universitäten Teilchenbeschleuniger, um winzige subatomare Teilchen wie Protonen, Neutronen und Quarks zu erzeugen. Diese Systeme werden üblicherweise für Anwendungen in der Physik und anderen Wissenschaftsbereichen eingesetzt. Freie-Elektronen-Laser (FEL) existieren bereits seit langem. Laut Erläuterungen handelt es sich im Wesentlichen um eine Hochleistungslichtquelle, die Elektronen nutzt, um Licht unterschiedlicher Wellenlänge zu erzeugen. Ein Teilchenbeschleuniger ist ein System, das geladene Teilchen beschleunigt.
Vom Prinzip her erzeugt der Freie-Elektronen-Laser Laserstrahlung, indem Elektronen, die sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen, durch ein periodisch veränderliches Magnetfeld laufen. Die Wellenlänge dieses Lasers hängt mit der Frequenz des Ablaufs dieses periodischen Magnetfelds zusammen. Durch Änderung der Frequenz der Magnetfeldänderung oder der Einfallsgeschwindigkeit lassen sich Laser unterschiedlicher Wellenlänge erhalten. Um diesen FEL zu realisieren, braucht man zuerst eine Elektronenquelle mit hoher Geschwindigkeit (nahe der Lichtgeschwindigkeit). Warum braucht man Elektronen nahe der Lichtgeschwindigkeit? Denn nur unter dieser Bedingung kann die Strahlung, die durch die Schwingung der Elektronen in der senkrechten Richtung zur Einfallsrichtung erzeugt wird, einen deutlichen Einfluss auf die Bewegung der Elektronen ausüben, sodass benachbarte Elektronen zu Clustern zusammenballen (statt einen gleichmäßigen Elektronenstrom zu bilden).
Angenommen jeder dieser Cluster enthält N Elektronen, dann ist die überlagerte Energie ihrer Strahlung nicht die einfache Summe der Energien von N Elektronen, sondern proportional zum Quadrat von N, das heißt die Strahlung kohert resonanz, mit anderen Worten es entsteht Laser. Der am weitesten verbreitete Hochgeschwindigkeits-Elektronenquellen ist derzeit der Linearbeschleuniger (es gibt auch Anwendungen, die Synchrotronstrahlung als Freie-Elektronenquelle nutzen, aber deren Leistung reicht nicht aus).
Mit anderen Worten: In einem FEL bewegen sich Elektronen im Vakuum frei nahe der Lichtgeschwindigkeit und tauschen Energie mit der sich gemeinsam ausbreitenden elektromagnetischen Welle aus, wodurch ein stimmbarer, exponentiell verstärkter Lichtstrahl erzeugt wird.
Konkret umfasst dies die folgenden Teile:
1. Hochenergetischer Elektronenstrahl
Dieser Prozess beginnt mit einem hochenergetischen Elektronenstrahl aus einem Teilchenbeschleuniger.
Mikrowellenverstärker beschleunigen die Elektronen auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit. Nehmen wir als Beispiel einen Elektronenstrahl mit 1 GeV (also eine Elektronenladung multipliziert mit 1 Gigavolt): Die Geschwindigkeit der Elektronen unterscheidet sich von der Lichtgeschwindigkeit nur um ein Zehnmillionstel. Je höher die Energie des Elektronenstrahls ist, desto höher ist auch die Photonenenergie, die der FEL erzeugen kann.
2. Strahlung beschleunigter Ladungen
Jedes beschleunigte geladene Teilchen strahlt Licht ab. Zum Beispiel:
Die Bremsstrahlungs-Lichtquelle erzeugt Strahlung, indem Elektronen gegen eine Metallwand geschlagen werden, sodass sie schnell abgebremst werden. Der Elektronenstrahl verbraucht seine Energie durch Abstrahlung von Licht und Abgabe von Wärme.
Ablenkmagnete können einen ähnlichen Effekt erzielen:
Wenn man den Elektronenstrahl auf eine kreisförmige Umlaufbahn biegt, erhält man eine Synchrotronstrahlungsquelle.
Wenn man den Elektronenstrahl entlang einer sinusförmigen Bahn hin- und herschwingen lässt, entsteht eine Wiggler- oder Undulator-Lichtquelle.
Synchrotronstrahlungs- und Wiggler-Lichtquellen erzeugen Licht mit breitem Frequenzspektrum, während Undulatoren anders sind: Unter bestimmten Bedingungen kann der durch den Undulator laufende Elektronenstrahl Laseremission erreichen.
3. Undulator
Der Undulator ist eine Vorrichtung aus periodisch angeordneten Magneten, die den hochenergetischen Elektronenstrahl dazu bringt, mit einer bestimmten Frequenz entlang einer Sinuskurve zu oszillieren (also zu „schwingen“). Diese kontrollierte Oszillation des Elektronenstrahls ist der erste Schritt zur Erzeugung von präzise abgestimmtem Licht. Die Periode des Undulators (λᵤ) bestimmt zusammen mit der Energie des Elektronenstrahls die Wellenlänge des Ausgangslichts.
Aus diesem Grund sehen manche Menschen FEL als Ersatz für die EUV-Lithographie.
Ein Kandidat zur Ersetzung der aktuellen Lichtquellen
Die traditionelle EUV-Lithographie verwendet 13,5 nm, weil Zinnplasma Licht in diesem Wellenlängenbereich relativ effizient erzeugen kann.
Die Logik von FEL ist jedoch völlig anders. Durch Anpassung von Elektronenstrahlenergie, Undulatorperiode und Magnetfeldstärke kann die Wellenlänge des Ausgangslichts verändert werden. Theoretisch lässt sich damit der Bereich von weichen Röntgenstrahlen über EUV bis zu längeren Wellenlängen abdecken. Das bedeutet: Die traditionelle EUV-Technik ähnelt eher einem „Lithographiemesser“ mit fester Brennweite, während FEL eher einem „optischen Werkzeug“ entspricht, dessen Wellenlänge ständig angepasst werden kann.
Daher versuchen manche Menschen, mit FEL die bestehenden Beschränkungen zu durchbrechen. Das US-amerikanische Startup-Unternehmen xLight ist genau der Befürworter dieses Weges. Erwähnenswert ist, dass der ehemalige CEO von Intel, Pat Gelsinger, jetzt als Executive Chairman von xLight tätig ist.
In der Technologie von xLight werden Elektronen zuerst in einen Teilchenbeschleuniger injiziert und gelangen dann in den Freie-Elektronen-Laser (FEL). xLight erklärt: „Der FEL nutzt die Elektronen aus dem Teilchenbeschleuniger und lässt sie durch einen Undulator mit periodischem Magnetfeld laufen, um einen kohärenten, hochintensiven Lichtstrahl zu erzeugen.“
Einfach ausgedrückt wird EUV-Licht im Beschleuniger erzeugt. Anschließend wird das EUV-Licht durch eine Vorrichtung ähnlich einem Photonenrohr von der Teilchenbeschleunigeranlage zur Fabrik für Wafer transportiert. Zu diesem Zeitpunkt wird das EUV-Licht zum Unterwaferwerk geleitet. Im Unterwaferwerk befinden sich verschiedene unabhängige Systeme, die als „Umschaltstationen“ bezeichnet werden.
Laut dem Video von xLight ist jede Umschaltstation für ein EUV-Werkzeug im oberen Waferwerk vorgesehen. Während des Betriebs wird das EUV-Licht zu jeder Umschaltstation im Bereich des Unterwaferwerks übertragen. Anschließend empfängt jede Umschaltstation das Licht und leitet es zu den EUV-Systemen im Obergeschoss des Waferwerks weiter. Dies wiederum versorgt die EUV-Anlagen mit Energie.
In diesem Fall enthält die EUV-Lithographieanlage selbst keine LPP-Lichtquelle. Stattdessen wird EUV-Licht im Teilchenbeschleuniger erzeugt und dann zur EUV-Anlage im Waferwerk übertragen. Das ist eine einfache Beschreibung dieses komplexen Prozesses.
Trotzdem erzeugt die FEL-Lichtquelle von xLight eine vier Mal höhere Leistung als die aktuellen LPP-Anlagen. xLight erklärt: „Durch die Bereitstellung einer bis zu 4-fachen EUV-Leistung können Waferwerke die Musterverbesserung optimieren, die Produktivität und Ausbeute steigern, sodass jeder Scanner jährlich zusätzliche Einnahmen in Milliardenhöhe erzielen und die Kosten pro Wafer um etwa 50 % senken kann. Darüber hinaus kann ein einzelnes xLight-System bis zu 20 ASML-Systeme unterstützen und eine Lebensdauer von bis zu 30 Jahren erreichen, wodurch die Kapital- und Betriebsausgaben um mehr als das 3-fache gesenkt werden.“
Theoretisch kann die Technologie von xLight für EUV mit niedriger numerischer Apertur, hoher numerischer Apertur und sogar EUV mit ultrahoher numerischer Apertur eingesetzt werden. Im Forschungs- und Entwicklungsbereich entwickelt ASML derzeit die 0,75 Ultra-Hoch-Numerische-Apertur-EUV-Technologie, die für die weitere Zukunft vorgesehen ist.
Aus dem schlanken Anlagendesign von TeraFab und Musks Antwort geht hervor, dass TeraFab höchstwahrscheinlich einen Linearbeschleuniger als Hochgeschwindigkeits-Elektronenquelle für FEL einsetzen wird. Derzeit werden Femtosekunden-Freie-Elektronen-Röntgenlaser bereits in Universitätslabors zur Datenerfassung bei der Proteinkristalldiffraktion verwendet.
Wenn Sie noch nicht verstehen, wie leistungsstark diese Technologie ist: Stellen Sie sich zum Beispiel vor, die Lichtquelle der EUV-Lithographieanlage von ASML sei eine gewöhnliche Glühbirne, dann entspricht die FEL-Freie-Elektronen-EUV-Lichtquelle einem hocheffizienten Laser, der sehr einfach Laser mit Ausgangsleistungen von mehreren Kilowatt bis zu mehreren zehn Kilowatt erzeugen kann, und dessen Wellenlänge beliebig einstellbar ist.
Im Vergleich dazu hat das von ASML eingesetzte LPP-EUV eine feste Wellenlänge, seine Leistung lässt sich kaum über 1 Kilowatt hinaus steigern, und es kann in Bezug auf die Reinheit der Lichtwellenlänge sowie seine Kohärenz nicht mithalten. Wenn diese Technologie realisiert werden kann, wird sie die Lithographiegeschwindigkeit und die Lithographiequalität von Lithographieanlagen erheblich beschleunigen. Ein weiterer Vorteil von FEL ist der besonders hohe Umwandlungswirkungsgrad (Energieverhältnis): Das von ASML eingesetzte LPP benötigt etwa 4,4 MW elektrische Leistung, um 1 kW nutzbares EUV-Licht zu erzeugen (der Gesamtwirkungsgrad liegt in der Größenordnung von 0,05 %).
Das modernste energierückgewinnende FEL (ERL-FEL) hingegen benötigt nur etwa 0,7 MW elektrische Leistung, um 1 kW EUV-Licht zu erzeugen, sein Wirkungsgrad ist etwa 6 Mal höher. In Zukunft kann er durch bessere supraleitende Materialien noch weiter gesteigert werden.
Es lässt sich nicht von heute auf morgen realisieren
Aus rein technischer Sicht ist FEL in Bezug auf die Leistung der Lichtquelle deutlich überlegen, aber bei der industrialisierten Lithographie bedeutet das nicht automatisch, dass es fortschrittlicher ist. Denn für die EUV-Lithographie reicht es nicht aus, „einen Lichtstrahl von 13,5 nm“ zu haben.
Darüber hinaus sind folgende Voraussetzungen erforderlich: Hochleistung + hohe Stabilität + hohe Wiederholrate + hohe Zuverlässigkeit + extrem niedrige Kosten + extrem hohe Betriebszeit + Kompatibilität mit reflektierenden optischen Systemen.
Die aktuelle EUV-Lichtquelle von ASML hat nach mehrjähriger technischer Entwicklung ein vollständiges industrielles System ausgebildet.
FEL hingegen erfordert normalerweise große Elektronenbeschleuniger, Undulatoren, Vakuumsysteme, Strahlsteuerungssysteme usw., sodass das Volumen und die Kosten der Anlagen sehr hoch sind. Wenn man also die physikalische Leistung der Lichtquelle betrachtet: FEL ist deutlich leistungsfähiger und flexibler.
Aus der Perspektive der ingenieurmäßigen Fähigkeiten für die Massenproduktion von Halbleiter-Lithographie hingegen: Die derzeit ausgereifte EUV-Lichtquelle eignet sich besser für Waferwerke. FEL hat das Potenzial, die EUV-Lichtquelle von der „festen Wellenlänge 13,5 nm“ zu einer flexibleren Kurzwellen-Lithographie zu führen.
Zum Beispiel wenn man in Zukunft die nächste Generation der Lithographie mit 6.x nm, 5.x nm oder sogar noch kürzeren Wellenlängen erforscht, wird der Mechanismus von FEL als Lichtquelle mit stimmbarer Wellenlänge, hoher Kohärenz und hoher Spitzenhelligkeit sehr attraktiv sein.
Es gibt jedoch noch ein großes Problem: Je kürzer die Wellenlänge ist, desto schwieriger werden die Probleme mit optischen Systemen, Masken, Fotolacken, Reflektivität, Photonenstreuung, Vakuumsystemen und so weiter.
Daher ist die echte Revolution, die FEL bringen kann, nicht nur die „Ersetzung der EUV-Lichtquelle“, sondern die Bereitstellung eines völlig neuen Wegs für Kurzwellen-Hochhelligkeitslichtquellen.
Neben FEL sind auch Verfahren wie Hochharmonische Erzeugung (HHG), Entladungsplasma (DPP) und Synchrotronstrahlung Gegenstand von Diskussionen. LPP punktet durch Ausgereiftheit und Eignung für die Massenproduktion, FEL zeichnet sich durch hohe Helligkeit, hohe Kohärenz und stimmbare Wellenlänge aus, und HHG hat das Potenzial zur Miniaturisierung. Der Schlüssel zum künftigen Wettbewerb liegt darin, bei kürzeren Wellenlängen Leistung, Wirkungsgrad, Stabilität und Kosten in Einklang zu bringen.
Noch wichtiger ist, dass alle diese Technologien vor zahlreichen weiteren Herausforderungen stehen und ihr Zeitplan noch völlig ungewiss ist.