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在從英特爾離開之後，前英特爾CEO帕特·基辛格 (Pat Gelsinger) 找到了新的崗位，那就去EUV光源初創公司xLight的執行董事長。
熟悉半導體的讀者應該知道，光刻技術的核心是光。目前，最先進的晶片製造採用一種名為極紫外 (EUV) 光刻的工藝，該工藝使用特定波長的光將電路圖案以奈米級列印到矽pain上。目前產生 EUV 光的方法——雷射等離子體 (LPP：Laser produced plasma)——極其耗電（約 1.5 兆瓦的電力只能產生 500 瓦的光）。
而新創公司xLight則希望使用粒子加速器為光刻機產生光，並聲稱它可以在 2028 年之前生產出這種光源，同時保持與現有工具的相容性。
革命EUV光刻
xLight在官網表示，公司的使命是將粒子加速器驅動的自由電子雷射器 (FEL：Free Electron Lasers ) 商業化，以滿足美國關鍵的經濟和國家安全應用。xLight也指出，公司正在打造全球最強大的雷射器，以革新半導體光刻、計量技術以及其他關鍵的經濟和國家安全應用。
據介紹，雷射等離子體 是目前用於尖端半導體制造的唯一 EUV 光產生方法。然而，它極其耗電（約 1.5 MW 的電力僅能產生 500 W 的光），並且無法完全支援 ASML 現有和未來版本的掃描器，因為這些掃描器需要高達 2 kW 的光源功率。
xLight 正在與領先的晶圓廠合作推出具有獨特優勢的完全 向後相容的光源。
“我們為半導體市場開發了一種全新的極紫外 (EUV) 自由電子雷射 (FEL) 光源，以取代目前已接近物理極限的雷射等離子體 (LPP) 光源。我們的 FEL 系統將顯著增強 ASML 的技術路線圖，在降低資本和運營成本的同時，提升半導體晶圓廠的生產能力，並助力美國重振其在先進半導體領域的領先地位。” xLight強調。
Pat Gelsinger在“領英”中表示，光刻技術是所有先進半導體制造的核心。這個概念看似簡單——在矽片上“列印”影像——但它卻是業內技術最複雜、成本最高的工藝之一，佔據了資本支出的主導地位。
但隨著半導體行業的不斷創新，有兩種關鍵手段可以提高效能、生產率和晶片的整體良率：功率和偏振。如果美國要繼續開發和製造尖端晶片，我們需要更強大、更節能的 EUV 光源。每個光源都蘊藏著數十億美元的市場機遇，也是重塑美國在先進半導體制造領域領先地位的關鍵所在。
Pat Gelsinger表示，他非常高興能與一家致力於解決這一問題的公司合作：xLight Inc.。作為我在Playground Global新職位的一部分，他已加入xLight擔任董事會執行主席。他也將與Nicholas Kelez及其團隊密切合作，利用粒子加速器技術打造全球最強大的自由電子雷射器(FEL)。
據介紹，xLight開發了一種EUV光源，其功率是當今最先進光源的四倍。藉助xLight的技術，晶圓廠可以最佳化圖案化工藝、提高生產率和良率，從而創造數十億美元的額外年收入。xLight的系統還將使每片晶圓的成本降低約50%，並將資本和運營支出降低三倍。這些都顯著提升了半導體晶圓廠的生產能力。
“尖端半導體是經濟繁榮和國家安全的關鍵要素。當今的製造工藝所依賴的技術正迅速走向衰落，不再具有經濟可行性。半導體對美國至關重要。從經濟繁榮到國家安全，一切都與晶片息息相關。 xLight 的雷射器有望開啟下一代先進半導體技術，並對其他行業產生巨大影響。這正是我想要合作的公司——科學家們致力於開發能夠從根本上改善我們生活、照亮未來之路的技術。”Pat Gelsinger強調。
xLight 目前正在構建一個功能齊全的原型，該原型將連線到 ASML 掃描器並在 2028 年之前執行晶圓。
我們的團隊擁有獨特的資質和豐富的經驗，我們利用成熟的 FEL 和粒子加速器技術來構建光源。
按照xLight的觀點，雖然先進的光刻技術本身就 為 xLight 的每個光源帶來了數十億美元的商機，但 FEL 也能在其他高影響力領域帶來短期收益。公司的系統尤其適用於先進的計量和檢測，這些領域受益於更高的功率和定製的波長。除了半導體應用之外，xLight認為，其系統的功能還可以解決複雜的國家安全和生物技術問題——從點防禦和地面空間碎片減緩到醫學成像和科學研究。
xLight的具體做法
在上文中，我們大概介紹了xLight的目的。參考該公司的相關資料，我們瞭解到了xLight的做法。
xLight表示，粒子加速器是一種利用射頻（RF）和磁場將帶電粒子（例如電子或質子）加速到極高速度的裝置。這些加速後的粒子可用於各種用途，包括科學研究、醫療和工業應用。
自由電子雷射器 (FEL) 使用來自粒子加速器的電子，並使其透過具有周期性磁場的波盪器來產生相干、高強度的光束。
而FEL 是 xLight 系統的核心，因為它能夠在很寬的波長範圍內產生強烈、可調的光束。
“公司的EUV FEL 建立在成熟的核心技術之上，這些技術基於數十年的執行資料進行系統工程設計，並不斷改進以滿足大批次生產的需求。由於底層技術的成熟，我們的系統比當今的光源更易於維護，並且高度可靠。”xLight強調。
xLight的系統同時採用電子束複用和光學複用技術。專有的 xLight 電子束分束技術可實現每個掃描器獨特的可調性、功率和偏振。高精度光學複用技術使多臺掃描器能夠透過多個獨立的加速器驅動的 EUV FEL 系統執行，從而實現高可用性。
xLight系統也完全冗餘，確保掃描器的高可用性。每套設施均配備兩套相同的 EUV FEL 系統，並透過彈性資源分配，確保兩套系統均能在穩定狀態下正常執行。透過多路複用技術，每個系統都能為其各自支援的掃描器組提供充足的電力，這意味著維護永遠不會成為持續運營的障礙。
公司的系統也將顯著增強 ASML（EUV 光刻系統領域無可爭議的全球領導者）的技術路線圖，改變半導體晶圓廠的能力，並大幅降低資本和運營費用。
xLight表示，隨著半導體行業的不斷創新，提高效能、生產率和整體晶片產量的關鍵手段有兩種：功率（Power）和極化（polarization）。
xLight 的 EUV 自由電子雷射器 (FEL) 可直接解決這兩個問題。我們的 EUV FEL 光源比 LPP 光源的功率高出 4 倍。透過提供高達 4 倍的 EUV 功率，晶圓廠可以最佳化圖案化改進、生產效率和良率，從而為每臺掃描器帶來數十億美元的額外年收入，並將每片晶圓的成本降低約 50%。
此外，單個 xLight 系統可支援多達 20 個 ASML 系統，使用壽命為 30 年，從而將資本和運營支出減少 3 倍以上。
除了功能更強大之外，xLight的 FEL 系統還具備可程式設計光特性，可提升現有功能。將現有的 ASML 系統連線到 xLight FEL 可顯著提升該裝置的功能，無需承擔高昂的成本和複雜性，即可提供下一代掃描器的效能。
xLight表示，雖然 ASML 的 EUV 光刻系統目前使用波長僅為 13.5 奈米的微小光刻技術在晶片上列印特徵，但未來在晶片上列印更精細的特徵將需要下一代波長的 EUV 光。我們系統的可程式設計光特性將支援更短波長的光，從而將摩爾定律延續數十年。
總而言之，xLight 的 EUV FEL 將使美國在未來的半導體行業中佔據領先地位。
FEL和LPP的不同
正如IEEE在其文章中所說，從使用 193 奈米光的光刻技術的光刻機轉向波長更短（13.5 奈米）的 光刻機，無疑是一場革命，因為它將大大簡化晶片製造所需的步驟，並使摩爾定律在未來十年繼續有效。
但是，這項技術過去多次持續延遲，其主要原因是因為剛開始的“光源”太暗。最終，在工程師的攻關下，終於能夠提供足夠明亮的EUV光源的技術被稱為雷射等離子體（EUV-LPP）。該技術採用二氧化碳雷射器以每秒數千次的速度將熔融的錫液滴噴射成等離子體。等離子體發射出一系列光子能量，然後由專用光學器件從光譜中捕獲所需的13.5奈米波長，並將其引導穿過一系列反射鏡。隨後，EUV光被圖案化的掩模反射，然後投射到矽片上。
不過，所有的這些加起來構成了一個高度複雜的過程。儘管它始於耗能數千瓦的雷射器，但反射到晶圓上的EUV光量只有幾瓦。光線越暗，在矽片上可靠地曝光圖案所需的時間就越長。如果沒有足夠的光子攜帶圖案，EUV的速度將非常緩慢，不經濟。而過分追求速度可能會導致代價高昂的錯誤。
據瞭解，ASML 目前的光源額定功率為 500 瓦。但未來要實現更精細的圖案化需要 1 千瓦甚至更高的功率。ASML 表示，他們已經制定了開發 1000 瓦光源的路線圖，但要實現這一目標可能頗具挑戰性。
自由電子雷射器 (FEL) 則是一種利用相對論電子束產生相干高強度輻射的雷射器。這類裝置通常被稱為“FEL”。與依靠原子或分子躍遷產生光的傳統雷射器不同，FEL 利用自由電子的加速來產生從紅外到 X 射線波長範圍廣泛的電磁輻射。
自由電子雷射器 (FEL) 的工作原理基於自放大自發輻射 (SASE) 的原理。在 FEL 中，高能電子束穿過一個週期性磁結構，即波盪器。波盪器使電子振盪，從而發射光子。當電子束穿過波盪器時，發射出的光子與電子相互作用，使電子聚束並放大輻射。這一過程最終產生相干的高強度輻射束。
除了上文談到的xLight ，日本KEK 團隊也推出了緊湊型能量回收直線加速器 (cERL) 。與傳統直線加速器驅動的雷射器有所不同，cERL的電子首先會返回射頻加速器。這束電子現在的相位與剛開始旅程的新注入電子相反。結果是，耗盡的電子會將大部分能量轉移到新電子束中，從而增強其能量。一旦原始電子的部分能量以這種方式耗盡，它們就會被轉移到“束流收集器”中。
不過，根據2023年釋出的論文，該加速器目前尚無法產生極紫外 (EUV) 波長。憑藉 17 兆電子伏特的電子束能量，研究人員能夠以 20 微米的紅外光脈衝形式產生 SASE 輻射。而且該系統被放置於一個長約60米，寬約20米的房間中，大部分空間被錯綜複雜的裝置、管道和電纜佔據，這些裝置、管道和電纜蜿蜒在房間兩側，形成一條細長的跑道。這足以看到這個方案的“缺陷”。
此前，有訊息指出，中國研究團隊也正在利用粒子加速器開發一種獨特的雷射源。他們的目標是突破傳統光刻機的限制，而光刻機在微晶片生產中至關重要。擬建的粒子加速器大約有兩個籃球場那麼大，周長在100至150米之間，將作為晶片製造的高質量光源。
但毫無疑問，這還有很長的一段路要走。
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