Intel, Samsung Foundry ve TSMC, en yeni üretim teknolojileriyle çip yapmak için ASML’nin EUV litografi makinelerini kullanıyor. Bu makineler, 13nm çözünürlükte yarı iletkenler “baskı” yapmak için CO2 lazer uygulanan küçük kalay damlacıklarından elde edilen lazer üretilmiş plazma (LPP) EUV ışık kaynağını kullanıyor. Ancak, Japonya’daki araştırmacılar, parçacık hızlandırıcılardan elde edilen serbest elektron lazerlerinin (FEL’ler) kullanımıyla 13.5 nm EUV ışını elde etmeyi araştırıyorlar.
Yeni Yöntem: Enerji Geri Kazanımlı Doğrusal Hızlandırıcılar (ERL)
Tsukuba’daki Yüksek Enerji Hızlandırıcı Araştırma Organizasyonu (KEK), enerji geri kazanımlı doğrusal (ERL) hızlandırıcı tarafından üretilen serbest elektron lazerlerinin (FEL’ler) çip üretiminde kullanımını araştırıyor. Bu yöntemin, aynı anda birden fazla litografi makinesini çalıştırmak için maliyet etkin bir şekilde onlarca kilovat EUV gücü üretebileceği öne sürülüyor. Buna karşılık, ASML’nin Twinscan NXE:5800E modeli için ürettiği EUV ışık kaynağı 500W gücünde ve gelecekte 1000W’a kadar artırılması planlanıyor.
ERL Çalışma Prensibi
ERL, geleneksel bir EUV litografi aracından tamamen farklı çalışır. İlk olarak, bir elektron tabancası elektronları kriyojenik olarak soğutulmuş bir tüpe enjekte eder, burada süper iletken RF boşlukları onları hızlandırır. Elektronlar bir dalgalar oluşturucu (undulator) içinden geçerek ışık yayar ve bu ışık, kendiliğinden amplifikasyon ile güçlendirilir. Işık yaydıktan sonra, harcanmış elektronlar RF hızlandırıcıya geri döner ve yeni enjekte edilen elektronlara enerjilerini aktarır, ardından bir ışın boşaltıcısına yönlendirilir. Bu enerji geri kazanımı, ERL’nin daha fazla elektronu hızlandırmak için aynı miktarda elektriği kullanmasını sağlar, bu da onu son derece verimli ve maliyet etkin bir yöntem haline getirir.
Maliyet ve Teknik Zorluklar
2021’de KEK ekibi, yeni bir ERL sisteminin inşa maliyetini 260 milyon dolar olarak tahmin etti, bu da tam entegre bir araç olan Twinscan NXE:3800E’nin fiyatından 50-60 milyon dolar daha fazla. Bu sistem 10 kW EUV gücü sağlayacak ve birden fazla litografi makinesini besleyebilecek. Yıllık işletme maliyetleri ise yaklaşık 25.675 milyon dolar olarak öngörülüyor.
Ancak, FEL’ler ve ERL’lerle ilgili bazı sorunlar var. İlk olarak, enerji geri kazanımlı doğrusal bir hızlandırıcı, herhangi bir parçacık hızlandırıcı gibi, büyük bir alana ihtiyaç duyar. İkincisi, 10 kW EUV ışını çeşitli litografi araçlarına yönlendirmek için son derece karmaşık bir ayna setine ihtiyaç vardır ve bu set henüz icat edilmemiştir. Ayrıca, bu kadar güçlü bir ışık kaynağıyla uyumlu dirençler ve pelikulalar mevcut değildir.
Sonuç
KEK araştırmacısı Norio Nakamura, bir ERL tabanlı litografi aracının ticari çip üretimi için gerekli performans ve operasyonel istikrar düzeylerine ulaşabilmesi için birçok teknik zorluğun çözülmesi gerektiğini kabul ediyor. Ancak, bu yeni yöntem, gelecekte çip üretiminde devrim yaratabilecek potansiyele sahip.
