自由電子激光器可以提供具有成本效益的單光源選擇，為整個集成電路制造項目供電。
EUV光刻技術已得到廣泛認可，它很有可能將接替193nm浸沒式光刻技術，用以摹制集成電路加工中最關鍵的幾層。然而，到目前為止，激光等離子體（LPP）光源的緩慢進展延誤了將EUV技術嵌入大批量加工（HVM）。直到最近，LPP光源功率和可靠性方面的進步才使它們能夠用于下一代技術研發項目。目前正設想用EUV光刻技術支持7nm技術節點的有限數量曝光層的加工。然而，EUV光刻技術的歷史證明，如果不能根據替代圖案化技術來調整模具的經濟性，就有可能使嵌入目標繼續溜走。此外，作為EUV光刻技術演變的目標技術，實現必要的分辨率、印刷特征粗糙度和生產率所需的光源功率將增加。這種不斷演變的光源需求促使光源機構考慮推動LPP技術超越其250W的現有目標，或者考慮甚至更高功率的替代技術，如自由電子激光器（FEL）。這些設備有能力用單個光源為制造設備的整個EUV光刻機組供電，滿足其千瓦能級需求。
目前，FEL主要被科學界用作光譜掃描光源，該光源的高亮度和一致性由于原始平均功率。然而，以往的項目，比如杰斐遜國家實驗室的IR演示，它們主要關注擴展加速器和FEL技術以獲得純功率（用于工業和軍事應用）的潛力。對于功率擴展有幾項關鍵的使能技術。這些技術包括高亮度電子光源、超導加速器和電子束保質。每項技術都處于研發之中，以用于下一代短脈沖、高亮度X射線光源。然而，也有機會用同一項研究為光刻技術研發高平均功率的EUV FEL（圖1）。
圖1. 在自由電子激光器的波蕩器內輻射EUV光的電子束團插圖。N和S代表磁極，k是電子和輻射束的傳播矢量。
到目前為止，大部分將FEL用于EUV光刻技術的研究還集中在生成500–1000W（如，每臺掃描儀功率需求的預測最大值）的可行性和基礎設施設計上。給定加速器設施的實際成本，過去兩年我們一直致力于設計和研發一種FEL，以便能生成幾萬瓦的功率。這種設備能夠為制造設備的整個EUV光刻機組供電，并可能因此而帶來超越等效LPP光源的顯著經濟優勢。
雖然FEL設施的初始資本投資可能相當于或大于被拿來作對比的LPP光源裝置的總體成本，但FEL擁有的優勢每年能省下估計高達1億美元的成本。相比LPP光源，FEL可通過降低公用事業和燃氣供應需求而節省成本。此外，FEL還能消除對錫控制/管理或透鏡修整的需求。相反，需要專門處理潛在的活性材料（取決于加速器的設計）。此外，我們發現通過增加電子束電荷或重復率，基于加速器的光源更易被擴展至更高功率。這種光源結構也很容易適應較短波長，這可以通過增加電子束的能量或改變波蕩器的結構來實現。摩爾定律將因此而得到進一步延伸，不需要再進行大量的光源-掃描儀調整。然而，具有更直接意義的是FEL免去了對任何（錫）碎片減緩的需求。
推動向光刻技術的高功率EUV FEL創新需要我們縮小潛在的配置，如發射結構、設備結構、能源/FEL效率以及余能。最近，我們專注于發射結構的選擇工作。根據作為內在加速器波動的函數的光子通量、帶寬和中心波長穩定性，我們評估了自放大自發發射、自激注入和再生放大器如何影響光刻性能。雖然科學用戶設施能通過增加數據采集時間吸收這些波動，但在HVM環境中這并不現實，如在單光源被用來為多個工具供電的環境中（圖2）。因此，我們研發出一種評分卡，它提供衡量每個技術的準備狀態與加工需求的直接評估測量結果。
圖2. 可能與半導體制造設備整合的自由電子激光器的示意圖。
除了選擇發射結構，我們還需要研究設備的能源和活性材料的生產。能效的主要考慮因素在于是否需要（或者甚至可能）在FEL波蕩器的輻射發射后回收電子束能量。也可以使波蕩器的一頭變細以實現到EUV的最大轉化。或者，事實上有可能將兩種技術結合。再加上能效問題，即在加速器的電子垃圾堆生成活性材料。如果沒有能量回收和激進的變細，就需要兆瓦級的電子束并會產生非同一般的輻射危害。因此，我們需要解決一個關鍵問題，即如何具體加工FEL以使其達到最大經濟優勢，同時保持近100%的系統可用性和操作。
自2000年建成首個EUV和硬X射線FEL以來，通過在全世界建造多個大規模、耗資的設施，加速器和FEL技術已迅速擴展。這些努力成果扎根于粒子與核物理等成熟領域，以及相關的知識庫和專家群體。利用這些優勢驅動EUV光刻領域的摩爾定律將，使其成為未來諸多技術的關鍵使能技術，但這種推動應有所側重，如必須盡快開啟積極的研究與研發項目。作為這些工作的一部分，我們將繼續評估將高功率FEL光源與制造設備集成的復雜度。
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