高科技
想把芯片做的更小？只能上粒子加速器了
科学家用高速电子雕刻纳米级图案，挑战芯片制造极限。粒子加速器或将成为新光源，高效又精准，助力芯片更小、更强。
半导体芯片是人类能制造的最小、最精密的物体之一。如何让它变得更小、更复杂，是一场与物理极限的较量，而光学光刻技术——用短波长光在硅片上蚀刻纳米级图案——无疑是这场战斗的前沿阵地。荷兰公司ASML打造的光刻工具几乎像科幻电影里的装置：在真空环境中，用激光轰击熔融的锡滴，产生波长仅13.5纳米的极紫外光(EUV)。如今，一些研究者希望借助粒子加速器，将电子加速到接近光速，生成更强大的EUV光束，突破现有技术的瓶颈。
当前的EUV光源有个致命弱点：能量不足，难以稳定地在硅片上刻画电路。以ASML的设备为例，EUV光束在抵达硅片前要经过近十几面镜子反射。由于这种光极易被吸收，即便在真空密封舱里使用特制镜面，每反射一次也会损失30%的能量。最终到达硅片的光子，能量只剩最初的不到2%。能量不足，精准度和可靠性就会大打折扣。为了解决这个问题，有人提出用多轮EUV光照射硅片，但这会拖慢生产速度；另一种方法则是提升光子本身的功率。ASML最新设备的光源功率已达500瓦，几乎是前代机器的两倍。可若想进一步加速生产，或将芯片特征尺寸再缩小，光源必须更强。为此，他们计划研发功率达一千瓦的光源。
然而，还有更激进的方案：利用自由电子激光器(FEL)。这种技术让接近光速的电子发出EUV辐射。具体过程是这样：一台强力电子枪先射出一束电子，进入一个小型“赛道”，接着通过线性加速器被推到接近光速。随后，电子进入一个约200米长的磁铁阵列——“波荡器”。在这里，磁场极性周期性翻转，电子被“抖动”，释放出特定波长的EUV光子。xLight公司老板Nicholas Kelez形容这像一个更强大、更灵活的“新灯泡”，可以直接装进现有光刻机。这家硅谷初创企业预计四年内推出首款商用系统。
日本高能加速器研究组织(KEK)的研究团队已经迈出了第一步，他们成功生成波长20微米的光，虽然远超ASML的13.5纳米，但为技术精进奠定了基础。中国研究者也在探索FEL技术，希望借此开发自主的EUV设备。相比激光，FEL的优势显而易见。首先是功率：基于FEL的光刻机能效比激光等离子设备高出约六倍。去除熔锡滴还降低了污染风险。调整波长也更简单，只需微调电子枪和波荡器的设置即可。更妙的是，一套FEL系统能同时为多台光刻机供光，运营成本分摊后大幅下降。KEK的Nakamura Norio估算，其建造成本仅为激光EUV设备的一半，运行费用更是低至十五分之一。
当然，这些目前都停留在理论层面。ASML的EUV设备已在量产中证明实力，而FEL光刻还处于实验阶段。可在芯片制造这个高风险高回报的领域，任何一点优势都值得全力追逐。想象一下，未来工厂里，电子在加速器中飞驰，点亮下一代芯片的微小世界——这或许不再是科幻，而是近在咫尺的现实。
