Intel, Samsung Foundry e TSMC utilizzano la tecnologia EUV di ASML per "stampare" semiconduttori con una risoluzione di 13 nm necessari per produrre chip con le tecnologie di fabbricazione più avanzate. Tuttavia, la sorgente di luce EUV laser-induced plasma (LPP), ottenuta mediante laser CO2 applicati a piccole gocce di stagno, non è l'unico metodo per generare la radiazione EUV da 13,5 nm necessaria per la "stampa" dei chip.
Secondo quanto riportato da Spectrum.IEEE.org, al momento, un team di ricercatori giapponesi sta esplorando l'uso dei laser a elettroni liberi (FEL) provenienti da acceleratori di particelle per realizzare chip all'avanguardia
L'Organizzazione per la Ricerca sull'Acceleratore ad Alta Energia (KEK), situata a Tsukuba, Giappone, sta testando l'uso dei FEL generati da un acceleratore lineare con recupero di energia (ERL) per la produzione di semiconduttori. I ricercatori affermano che un acceleratore lineare con recupero di energia potrebbe produrre decine di kilowatt di potenza EUV in modo economico, sufficienti per alimentare contemporaneamente più macchine litografiche. Al contempo, ASML è riuscita a ottenere una sorgente di luce EUV da 500W per il suo Twinscan NXE:5800E e sta valutando la possibilità di migliorare la potenza delle sue sorgenti di luce EUV fino a 1000W in futuro.
Come funziona il sistema ERL?
Il funzionamento dell'ERL è completamente diverso da quello di uno strumento per la litografia EUV. Inizialmente, un pistola elettronica inietta elettroni in un tubo criogenicamente raffreddato, dove le cavità superconduttrici RF li accelerano. Gli elettroni attraversano un ondulatore, emettendo luce che viene amplificata attraverso un processo chiamato emissione spontanea auto-amplificata (SASE).
Dopo l'emissione della luce, gli elettroni esausti ritornano nell'acceleratore RF in fase opposta, trasferendo la loro energia residua ai nuovi elettroni iniettati prima di essere smaltiti in un deposito di fascio. Questo recupero di energia consente all'ERL di utilizzare la stessa quantità di elettricità per accelerare più elettroni, rendendolo un metodo estremamente efficiente ed economico per generare luce EUV di grande potenza.
Secondo Norio Nakamura, ricercatore in fonti di luce avanzate presso KEK:
"Il fascio FEL con la sua estrema potenza, larghezza spettrale ristretta e altre caratteristiche lo rende adatto come soluzione per la litografia futura."
Prima dell'avvento dell'inflazione globale del 2021, il team KEK aveva stimato il costo di costruzione per un nuovo sistema ERL a 260 milioni di dollari, che è 50 - 60 milioni di dollari più alto rispetto al prezzo di un Twinscan NXE:3800E. Questo sistema potrebbe distribuire 10 kW di potenza EUV, alimentando più macchine di litografia (senza specificare quante), con costi operativi annuali proiettati intorno ai 25,675 milioni di dollari.
Tuttavia, ci sono alcuni problemi non trascurabili con i FEL e gli ERL. Innanzitutto, come ogni acceleratore di particelle, un acceleratore lineare con recupero di energia è enormemente ingombrante. Inoltre, sarebbe necessario un set estremamente complesso di specchi per guidare quei 10 kW di radiazione EUV verso più strumenti di litografia senza una significativa perdita di potenza, un set che non è ancora stato inventato e i cui costi sono incerti.
Anche ammesso che esista un set complesso di specchi che possa instradare 10 kW di radiazione EUV su 10 strumenti di litografia, non esistono ancora resistenze e pellicole compatibili con una fonte luminosa così potente. Tuttavia, Nakamura osserva che, per ora, un ERL sperimentale può produrre brevi impulsi di luce infrarossa da 20 micrometri, ben lontani dalla luce EUV di 13,5 nm.
Nonostante le sfide tecniche rimangano significative, le possibilità offerte dalla tecnologia basata sul FEL e sul recupero di energia sembrano promettenti per il futuro della fabbricazione dei semiconduttori.