有博主發佈消息稱，從TeraFab發佈的消息看來，Elon Musk似乎要搞FEL（Free electronlaser：自由雷射器）路線，顛覆傳統EUV的壟斷。

隨後，Elon Musk的回覆，似乎印證了這種說法。

當然，這是一種猜想，並不代表真實。但我們認為這值得討論一下。

我們必須承認，自由電子雷射器（FEL）和粒子加速器並非新鮮事物。多年來，公司、研發機構和大學一直擁有並營運著粒子加速器，用於產生質子、中子和夸克等微小的亞原子粒子。這些系統通常用於物理學和其他科學應用。自由電子雷射器（FEL）早已存在。據介紹，這本質上是一種高功率光源，利用電子產生不同波長的光。粒子加速器是一種推進帶電粒子的系統。

從原理上看，自由電子雷射是讓接近光速飛行的電子經過一個周期性變換的磁場產生的雷射。這個雷射的波長跟這個周期性磁場的過程的頻率是相關的，可以通過改變磁場變化的頻率或入射速度，得到不同波長的雷射，所以要做這個FEL，首先要有一個高速（接近光速）電子源，為什麼要接近光速的電子？因為只有在這種條件下，電子沿著入射方向的垂直方向的擺動產生的輻射光才能對電子運動產生明顯的影響，導致臨近的電子聚整合簇（而不是一條均勻的電子流）。

假設這每一簇有N個電子，這時他們輻射光的疊加能量不是N個電子能量簡單相加的關係，而是N的平方的關係，也就是輻射協振了，換句話說，就是雷射。目前用的最多的是直線加速器作為高速電子源（也有用同步輻射作為自由電子源的，但是功率不夠）

換而言之，在FEL 中，電子在真空中以接近光速自由運動，並與共傳播的電磁波發生能量交換，從而產生一束可調諧並經過指數級放大的光束。

具體而言，包括以下幾個部分：

這一過程始於來自粒子加速器的高能電子束。

微波放大器將電子加速到接近光速的速度。以 1 GeV 的電子束（即一個電子電荷乘以 1 吉伏）為例，電子的速度比光速僅慢一千萬分之一。電子束的能量越高，FEL 所能產生的光子能量也越高。

這任何被加速的帶電粒子都會輻射光。例如：

軔致輻射（德語Bremsstrahlung，意為“制動輻射”）光源通過將電子撞擊到金屬壁上，使電子快速減速，電子束通過輻射光和釋放熱量來消耗能量。

偏轉磁體也可以實現類似效果：

若將電子束彎成一個圓軌道，就得到同步輻射光源。

若將電子束沿正弦波軌跡來回擺動，就形成了搖擺器（wiggler）或波蕩器（undulator）光源。

同步輻射和搖擺器光源產生的光頻率較寬，而波蕩器則有所不同：在特定條件下，通過波蕩器的電子束可實現雷射發射。

波蕩器是由周期性排列的磁體構成的裝置，能使高能電子束以特定頻率沿正弦曲線振盪（即“擺動”）。對電子束進行這種受控振盪，是產生精準調諧光的第一步。波蕩器的周期（λᵤ）與電子束能量共同決定了輸出光的波長。

正因如此，有人把FEL看做EUV光刻的替代者。

傳統EUV光刻之所以採用13.5 nm，是因為錫電漿體能夠比較高效地產生這一波段的光。

但FEL的邏輯完全不同。它通過調整電子束能量、波蕩器周期和磁場強度，就可以改變輸出光的波長。因此理論上可以從軟X射線、EUV一直覆蓋到更長波段。這意味著：傳統EUV更像是一把固定焦距的“光刻刀”，而FEL更像是一把可以不斷調整波長的“光學工具”。

於是，有人通過採用FEL來突破限制。美國初創公司xLight正是這條路的支持者。值得一提的是，英特爾前CEO Pat Gelsinger（前Intel CEO）現在擔任xLight執行董事長。

在xLight的技術中，電子首先被注入粒子加速器，然後進入自由電子雷射（FEL）。xLight表示：“FEL利用來自粒子加速器的電子，並使其穿過具有周期性磁場的波蕩器，從而產生相干的高強度光束。”

簡單來說，EUV 光是在加速器中產生的。然後，EUV 光通過類似光子管道的裝置從粒子加速器裝置傳輸到晶圓廠。此時，EUV 光會被引導至子晶圓廠。子晶圓廠內有各種獨立的系統，稱為“翻轉站”。

根據 xLight 的視訊，每個翻轉站都專用於上層晶圓廠的一款 EUV 工具。在操作過程中，EUV 光被傳輸到子晶圓廠區的每個旋轉工位。然後，每個旋轉工位接收光並將其引導至晶圓廠樓上的 EUV 系統。這反過來又為 EUV 裝置提供能量。

在這種情況下，EUV光刻裝置本身並不包含LPP光源。相反，EUV光是在粒子加速器中產生，然後傳輸到晶圓廠的EUV裝置。這是描述複雜工藝的簡單方法。

儘管如此，xLight 的 FEL 光源產生的功率比目前的 LPP 裝置高出 4 倍。xLight 表示：“通過提供高達 4 倍的 EUV 功率，晶圓廠可以最佳化圖案改進、提高生產率和良率，從而每台掃描器每年可額外創造數十億美元的收入，並將每片晶圓的成本降低約 50%。此外，單個 xLight 系統最多可支援 20 台 ASML 系統，使用壽命長達 30 年，從而將資本和營運支出降低 3 倍以上。”

理論上，xLight 的技術可以用於低數值孔徑 EUV、高數值孔徑 EUV 甚至超數值孔徑 EUV。在研發方面，ASML 正在開發 0.75 超數值孔徑 EUV 技術，該技術的目標是實現更遠的未來。

從Terafab那細長的廠房設計和馬斯克的回覆可以看出， Terafab極有可能會採用直線加速器作為FEL的高速電子源。目前的飛秒級自由電子x射線雷射，已經在大學實驗室用於蛋白質晶體衍射的資料收集。

如果你還不明白這個東西有多厲害，打個比方說，如果AMSL的極紫外光刻機的光源是普通的燈泡，那麼FEL自由電子極紫外光光的光源就相當於是一個高效率的雷射器，可以很容易產生幾千瓦到幾十千瓦輸出功率的雷射，而且波長可以隨意調節。

作為對比，AMSL採用的LPP EUV是固定波長，而且功率很難突破1千瓦，而且無論是光波長的純淨度，還有它的相乾性都是無法比的。如果做得出來，將大大加速光刻機的光刻速度和光刻質量。FEL 還有一個好處，就是轉換效率（能耗比）特別高，AMSL採用的LPP大約需要 4.4 MW電 才能產出1 kW可用EUV（整體效率約0.05%量級）。

而最先進的能量回收型FEL（ERL-FEL）大約只需 0.7 MW電 產出1 kW EUV，效率高出6倍左右，未來用更好超導材料還能進一步提升。

單純從技術本身看FEL在光源性能上明顯更強，但在產業化光刻上並不意味著更先進。因為EUV光刻需要的不只是“有一束13.5 nm的光”。

還需要：高功率 + 高穩定性 + 高重複頻率 + 高可靠性 + 極低成本 + 極高執行階段間 + 與反射式光學系統匹配。

ASML現在的EUV光源經過多年工程化，已經形成完整的產業體系。

而FEL通常需要大型電子加速器、波蕩器、真空系統、束流控制系統等，裝置體積和成本都非常巨大。所以如果從光源物理性能來看：FEL明顯更強、更自由。

但如果從半導體量產光刻的工程能力來看：現階段成熟的EUV光源更適合晶圓廠。FEL有可能把EUV光源從“13.5 nm這一固定波長”，帶向更加靈活的短波長光刻。

例如未來如果進入6.x nm、5.x nm甚至更短波長的下一代光刻探索，FEL這種波長可調諧、高相干、高峰值亮度的光源機制就會非常有吸引力。

但這裡還有一個巨大的問題：波長越短，光學系統、掩模、光刻膠、反射率、光子散射、真空系統等問題都會越來越難。

所以，FEL真正可能帶來的革命，並不只是“替代EUV光源”，而是提供一種完全不同的短波長高亮度光源路線。

除了FEL外，諸如高次諧波（HHG）、放電電漿體（DPP）以及同步輻射等都是討論的方案。LPP勝在成熟和量產，FEL強調高亮度、高相干和波長可調，HHG則具備小型化潛力。未來競爭的關鍵，是在更短波長下兼顧功率、效率、穩定性與成本。

更重要的是，他們都一樣，還面臨更多的挑戰，時間線更是沒定數。 (半導體行業觀察)

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馬斯克，要顛覆EUV光刻機？