Công ty đề xuất máy gia tốc hạt 'bàn' với laser petawatt

Tạo ra một nguồn sáng mạnh mẽ, đáng tin cậy và dễ sản xuất cho các nhà sản xuất chip hiện đại là một trong những thách thức phức tạp nhất trong ngành công nghiệp ngày nay. Trong số các nhà sản xuất hệ thống litho, chỉ có ASML đã thành công trong việc tạo ra ánh sáng EUV để in những chi tiết chip nhỏ nhất. Tuy nhiên, một startup có tên Inversion Semiconductor tại San Francisco, được hỗ trợ bởi quỹ đầu tư Y Combinator, đang có ý tưởng mới táo bạo để thay đổi tình hình. Họ dự định phát triển một nguồn sáng dựa trên máy gia tốc hạt nhỏ gọn, mà theo họ, sẽ mạnh hơn 33 lần so với công nghệ hiện tại của ASML và có thể mở đường cho việc sản xuất các chi tiết chip tinh vi hơn.

Công nghệ Inversions sử dụng một máy gia tốc hạt nhỏ gọn, nhỏ hơn 1,000 lần so với máy gia tốc truyền thống, nhưng có thể cung cấp công suất lên tới 10 kW. Nguồn sáng của Inversion, dựa trên phương pháp gia tốc laser wakefield (LWFA), có khả năng tăng tốc độ sản xuất chip gấp 15 lần nếu một nguồn sáng 10 kW cung cấp cho một hệ thống lithography, hoặc có thể cung cấp năng lượng cho nhiều công cụ sản xuất chip cùng lúc, giúp giảm chi phí.

Startup mới gặp nhiều thách thức lớn, vì loại tăng tốc này yêu cầu laser công suất petawatt, tốn kém và tiêu tốn nhiều năng lượng. Hơn nữa, nếu Inversion Semiconductor không hợp tác với ASML hoặc các nhà sản xuất máy lithography khác, họ sẽ phải phát triển hệ thống lithography riêng và tạo ra một hệ sinh thái mới cho máy quét, điều này tốn thời gian và chi phí.

Pat Gelsinger đang tìm kiếm cách mới để sản xuất chip bằng cách sử dụng máy gia tốc hạt, tham gia vào xLight. Intel đã ủng hộ các công cụ sản xuất chip High-NA EUV, nhưng chi phí và các hạn chế khác có thể gây chậm trễ trong việc áp dụng rộng rãi. Các nhà khoa học Trung Quốc đã phát triển nguồn laser DUV rắn đột phá cho các công cụ sản xuất chip. Tuy nhiên, Inversion Semiconductor chưa có kinh nghiệm trong việc xây dựng công cụ sản xuất quy mô lớn 24/7, nên tham vọng của công ty này có thể không đạt được như kỳ vọng.

Inversion Semiconductor, được thành lập vào năm 2024 bởi Rohan Karthik (CEO) và Daniel Vega (CTO), cả hai đều có bằng thạc sĩ về kỹ thuật cơ khí và vật lý ứng dụng, được Y Combinator hỗ trợ. Mục tiêu của công ty là phát triển nguồn sáng nhỏ gọn, hiệu suất cao dựa trên máy gia tốc hạt, với công suất đầu ra 10 kW, gấp 10 lần công suất mà ASML dự kiến đạt được trong thập kỷ tới.

Máy gia tốc hạt này có thể tạo ra laser với bước sóng từ 20nm đến 6.7nm, bao gồm ánh sáng 13.5nm mà ASML sử dụng cho cả thiết bị in litho Low-NA EUV và High-NA EUV. Ánh sáng có bước sóng dưới 10nm được gọi là tia X mềm, nhưng hiện tại không được sử dụng trong sản xuất chip do khả năng hấp thụ cao của hầu hết các vật liệu. Tuy nhiên, bước sóng dưới 10nm có thể là một lĩnh vực nghiên cứu tiềm năng trong tương lai dài hạn.

Inversion Semiconductor không chỉ phát triển nguồn sáng mà còn hướng tới việc xây dựng các công cụ lithography hoàn chỉnh để cạnh tranh trực tiếp với ASML. Họ dự định sử dụng các máy gia tốc hạt nhỏ gọn, có khả năng gia tốc electron đến năng lượng cao trong phạm vi cm, thay vì km như các máy gia tốc lớn như Máy va chạm Hadron lớn của CERN.

Immersion dự định sử dụng công nghệ gia tốc dựa trên phương pháp tăng tốc sóng wakefield (LWFA), khác biệt rõ rệt so với các phương pháp của ASML và CERN. LWFA sử dụng các xung laser mạnh và siêu ngắn tương tác với plasma, bao gồm các electron tự do và ion mang điện tích dương. Khi xung laser mạnh di chuyển qua plasma, nó tạo ra các trường điện mạnh bằng cách đẩy electron sang một bên và sinh ra sóng plasma, hay còn gọi là sóng wakefield, phía sau.

Electron có thể bị giữ lại và tăng tốc nhanh chóng trong các sóng plasma, thu được năng lượng lớn trong khoảng cách rất ngắn khi chúng quay trở lại vị trí ban đầu. Sóng plasma tăng tốc electron trong các trường mạnh gấp 100 – 1000 lần so với trong máy gia tốc thông thường, theo thông tin từ Imperial College London. Các electron được tăng tốc này có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng thực tiễn, bao gồm nguồn tia X nhỏ gọn và lithography bán dẫn.

Khác với các nguồn EUV truyền thống, phương pháp LWFA tạo ra bức xạ đồng bộ, đơn sắc và có thể điều chỉnh chính xác, cho phép tạo ra bước sóng ngắn hơn 13.5 nm, chẳng hạn như mục tiêu 6.7 nm, điều này có thể hữu ích cho các hệ thống lithography thế hệ tiếp theo. Cơ chế LWFA tăng tốc electron đến năng lượng lên tới nhiều giga-electron volt (GeV) chỉ trong khoảng cách vài centimet, giúp thu nhỏ hệ thống tăng tốc electron năng lượng cao từ các cơ sở lớn xuống các thiết bị kích thước bàn, từ đó có thể thúc đẩy sự đổi mới trong ngành công nghiệp bán dẫn.

Mục tiêu ngay lập tức của Immersion Semiconductors là thiết lập một phòng thí nghiệm laser nhỏ trong văn phòng Y Combinator để phát triển các kỹ thuật ổn định laser mới, và xây dựng các nguyên mẫu LWFA ban đầu có khả năng sản xuất bức xạ bước sóng ngắn. Họ cũng đã hợp tác với Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley và Trung tâm BELLA để cộng tác trong dự án BELLA-LUX.

Nguồn: www.tomshardware.com/tech-industry/semiconductors/plans-to-shrink-particle-accelerators-by-1000x-could-speed-chipmaking-by-15x-inversion-semiconductor-proposes-tabletop-particle-accelerators-with-petawatt-lasers