突破EUV光刻极限：TAU Systems 携紧凑型X射线自由电子激光器入局

图片来源：TAU Systems官网

近日，在科技媒体TimesTech对TAU Systems首席执行官Jerome Paye的采访中，他阐述了紧凑型粒子加速器和X射线自由电子激光如何突破EUV光刻在物理和经济上的极限。他解释说，更短的波长、更高的光子效率以及紧凑的系统设计，能够减少多重图案化、提升吞吐量、降低晶圆成本，并为全球AI驱动的下一代半导体应用实现可扩展制造。

完整采访内容如下：

TimesTech：EUV光刻正接近其物理和经济极限。从半导体制造的角度来看，TAU Systems目前正在解决的最关键瓶颈是什么？

Jerome：TAU Systems正在通过紧凑型粒子加速器和X射线自由电子激光开发下一代半导体制造光源。我们的激光尾波场加速技术能够在短短几厘米内产生相当于传统数百米长加速器的电子束能量。随后，我们将这些高能电子通过磁性波动器，产生可调谐的X射线激光，其波长远短于当前的EUV系统。

当前的EUV光刻机每台成本约4亿美元，重超过30万磅，在现有技术下已接近极限。只有极少比例的光能到达晶圆，这极大限制了吞吐量。在13.5纳米的EUV波长下，芯片制造商必须采用多重图案化来制作更小特征，这增加了时间、降低了吞吐量并提高了成本。ASML通过增大数值孔径（High-NA）的方法正面临基本的物理和经济极限。

我们选择另一条路径：直接缩短波长。我们的X射线激光可在可调谐波长下运行，并针对最大透射率进行优化。结合与波长匹配的反射光学元件（其反射率高于当前EUV镜面），我们的技术在每台紧凑设备上可输出数百瓦的X射线发射功率。在更短波长下匹配或超过ASML的功率水平。结果是生产速度更快、多重图案化减少、能源效率大幅提升。

TimesTech：当前的EUV光刻机体积庞大、耗电惊人且资本密集度极高。TAU的紧凑型自由电子激光如何从根本上改变晶圆厂的成本、能耗和占地面积等方程？

Jerome：我们的目标是用高效X射线激光取代现代光刻机的EUV光源。我们的光源将具有从电能到光能的高电光转换效率（wall-plug efficiency）。未利用的能量将被回收，进一步提升效率。X射线激光结合波长匹配的高反射率光学元件，将通过加快生产速度来降低运营成本。使用高亮度的X射线光源能加速每个光刻步骤，并减少多重图案化的需求，从而降低每片晶圆的关联成本。

TimesTech：您强调了更亮的光输出和更短的波长。这如何转化为实际制造优势，例如更精细的特征分辨率、更高的晶圆良率或更快的吞吐量？

Jerome：物理原理很简单：更短的波长能直接图案化更小的特征，而无需当前EUV限制下的多重图案化步骤。在ASML的13.5纳米波长下，要制作显著更小的特征就需要多次曝光图案，每一次都增加循环时间、降低吞吐量，并引入对齐误差从而影响良率。我们的可调谐X射线波长消除了这一限制，使竞争对手需要多重曝光的地方，我们能实现单次曝光图案化。

吞吐量提升源于更高的光子效率。当前EUV系统通过低效的锡滴等离子体源和镜面损失了大部分产生的光，只有极少数到达晶圆。我们的X射线激光结合波长匹配的反射光学元件，在每台紧凑设备上产生数百瓦功率，在更短波长和高反射率光学下匹配或超过ASML的输出。结果是：每个光刻步骤的曝光时间缩短、多重图案化开销消除、缺陷机会减少、每片晶圆成本降低，同时实现下一代AI和量子计算芯片所需的原子级特征控制。

TimesTech：TAU已将激光尾波场加速从国家实验室转移到集装箱大小的商用系统。将这项技术应用于晶圆厂就绪的关键工程挑战是什么？

Jerome：基础物理早已得到验证，我们的学术同行实现了比传统系统强2000倍的加速梯度，在几厘米内完成传统射频技术需要数百米和庞大基础设施才能实现的目标。挑战不在于证明概念，而在于实现工业可靠性。实验室演示优先考虑峰值性能，而非数百万次循环的一致运行。半导体光刻要求极高的稳定性，电子束能量、时序精度和空间特性必须在每一次脉冲中保持在严格公差内。我们在激光稳定性、等离子体产生控制和电子束检测方面投入巨大，以实现这种一致性。

系统集成和占地缩小同样是重大挑战。国家实验室设施占地建筑规模，我们将其转化为可在现有晶圆厂空间部署的集装箱大小装置。我们在加州TAU Labs的设施展示了这一转变，在验证技术的同时生成运营数据。我们与德克萨斯大学奥斯汀分校、劳伦斯伯克利国家实验室以及极端光基础设施核物理设施的合作，将世界领先的研究专长与商业工程纪律相结合。三阶段商业化策略——当前的辐射测试、制造规模化的放射治疗，以及持续的光刻研发投资——体现了所需的耐心。每项应用都在完善核心技术，同时为进入半导体市场产生收入和运营经验。

TimesTech：随着AI和先进计算推动对更小、更复杂芯片的需求，TAU的激光驱动加速器技术在高产量半导体制造中的可扩展性如何？

Jerome：我们技术的可扩展性源于多项架构优势。每台紧凑加速器单元驱动一台扫描器，在更短波长下匹配或超过ASML的功率输出。晶圆厂产能呈线性扩展，增加扫描器只需增加加速器单元，但基础技术保持不变。与传统同步辐射设施（单一大型装置服务多条束线）不同，我们的紧凑系统支持分布式部署，匹配晶圆厂布局需求。制造可扩展性直接受益于我们的放射治疗开发路径，该路径与光刻平台共享基础技术，但针对更大近期市场并需要批量生产。这在光刻部署前建立了商业规模的制造流程、供应链和质量体系。

经济模型支持高产量部署。当前EUV机器每台约4亿美元，重超30万磅，需要特殊设施基础设施，同时相对于可用光子输出消耗大量电力。我们置于现有晶圆厂空间的高效紧凑系统，在总拥有成本上具有显著优势。集装箱大小的单元可在现有厂房内部署，降低资本需求和建设周期。这种灵活性允许晶圆厂逐步增加产能，而非提前数年进行巨额基础设施投资。与ASML High-NA方法（受镜面制造精度物理极限制约）不同，我们的波长缩短路径为节点需求演进提供持续性能提升空间。

TimesTech：展望未来，您认为紧凑型粒子加速器将在未来十年如何重塑半导体制造经济和晶圆厂设计？

Jerome：当前制造流程将极端资本和复杂性集中于单台4亿美元工具，并需要建筑级支持基础设施。紧凑加速器技术通过在现有晶圆厂占地内分布式部署集装箱大小系统，从根本上改变这一方程。晶圆厂获得灵活性，可根据生产需求逐步增加产能，而非进行巨额前期承诺，从而降低财务风险并实现更快市场响应。高墙插效率结合能量回收大幅降低每片晶圆功耗。更高的光子效率提升吞吐量，同时消除多重图案化需求，改善晶圆经济性，并支持当前EUV成本结构无法支撑的更激进节点过渡。或许最重要的是，紧凑加速器为超越当前EUV物理极限提供了可行路径。ASML的High-NA系统已将镜面制造精度推至基本边界；通过X射线激光缩短波长代表了实现原子级制造控制的物理解决方案。我们通过辐射测试和放射治疗的近期商业化，展示了技术成熟度，同时为半导体部署积累运营经验和制造规模。行业公认，实现原子级控制最终需要X射线。紧凑型粒子加速器不仅将改善半导体制造经济性，还将启用当前技术无论代价多高都无法实现的能力。

原文链接：https://timestech.in/tau-systems-eyes-x-ray-lithography-beyond-euv-limits/