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(gè)集成電路制造項(xiàng)目供電。
EUV光刻技術(shù)已得到廣泛認(rèn)可，它很有可能將接替193nm浸沒式光刻技術(shù)，用以摹制集成電路加工中最關(guān)鍵的幾層。然而，到目前為止，激光等離子體（LPP）光源的緩慢進(jìn)展延誤了將EUV技術(shù)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(jìn)步才使它們能夠用于下一代技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目。目前正設(shè)想用EUV光刻技術(shù)支持7nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的有限數(shù)量曝光層的加工。然而，EUV光刻技術(shù)的歷史證明，如果不能根據(jù)替代圖案化技術(shù)來調(diào)整模具的經(jīng)濟(jì)性，就有可能使嵌入目標(biāo)繼續(xù)溜走。此外，作為EUV光刻技術(shù)演變的目標(biāo)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)必要的分辨率、印刷特征粗糙度和生產(chǎn)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(jī)構(gòu)考慮推動(dòng)LPP技術(shù)超越其250W的現(xiàn)有目標(biāo)，或者考慮甚至更高功率的替代技術(shù)，如自由電子激光器（FEL）。這些設(shè)備有能力用單個(gè)光源為制造設(shè)備的整個(gè)EUV光刻機(jī)組供電，滿足其千瓦能級(jí)需求。
目前，F(xiàn)EL主要被科學(xué)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(xiàng)目，比如杰斐遜國家實(shí)驗(yàn)室的IR演示，它們主要關(guān)注擴(kuò)展加速器和FEL技術(shù)以獲得純功率（用于工業(yè)和軍事應(yīng)用）的潛力。對(duì)于功率擴(kuò)展有幾項(xiàng)關(guān)鍵的使能技術(shù)。這些技術(shù)包括高亮度電子光源、超導(dǎo)加速器和電子束保質(zhì)。每項(xiàng)技術(shù)都處于研發(fā)之中，以用于下一代短脈沖、高亮度X射線光源。然而，也有機(jī)會(huì)用同一項(xiàng)研究為光刻技術(shù)研發(fā)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(nèi)輻射EUV光的電子束團(tuán)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(shù)的研究還集中在生成500–1000W（如，每臺(tái)掃描儀功率需求的預(yù)測(cè)最大值）的可行性和基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)上。給定加速器設(shè)施的實(shí)際成本，過去兩年我們一直致力于設(shè)計(jì)和研發(fā)一種FEL，以便能生成幾萬瓦的功率。這種設(shè)備能夠?yàn)橹圃煸O(shè)備的整個(gè)EUV光刻機(jī)組供電，并可能因此而帶來超越等效LPP光源的顯著經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
雖然FEL設(shè)施的初始資本投資可能相當(dāng)于或大于被拿來作對(duì)比的LPP光源裝置的總體成本，但FEL擁有的優(yōu)勢(shì)每年能省下估計(jì)高達(dá)1億美元的成本。相比LPP光源，F(xiàn)EL可通過降低公用事業(yè)和燃?xì)夤?yīng)需求而節(jié)省成本。此外，F(xiàn)EL還能消除對(duì)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(shè)計(jì)）。此外，我們發(fā)現(xiàn)通過增加電子束電荷或重復(fù)率，基于加速器的光源更易被擴(kuò)展至更高功率。這種光源結(jié)構(gòu)也很容易適應(yīng)較短波長(zhǎng)，這可以通過增加電子束的能量或改變波蕩器的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。摩爾定律將因此而得到進(jìn)一步延伸，不需要再進(jìn)行大量的光源-掃描儀調(diào)整。然而，具有更直接意義的是FEL免去了對(duì)任何（錫）碎片減緩的需求。
推動(dòng)向光刻技術(shù)的高功率EUV FEL創(chuàng)新需要我們縮小潛在的配置，如發(fā)射結(jié)構(gòu)、設(shè)備結(jié)構(gòu)、能源/FEL效率以及余能。最近，我們專注于發(fā)射結(jié)構(gòu)的選擇工作。根據(jù)作為內(nèi)在加速器波動(dòng)的函數(shù)的光子通量、帶寬和中心波長(zhǎng)穩(wěn)定性，我們?cè)u(píng)估了自放大自發(fā)發(fā)射、自激注入和再生放大器如何影響光刻性能。雖然科學(xué)用戶設(shè)施能通過增加數(shù)據(jù)采集時(shí)間吸收這些波動(dòng)，但在HVM環(huán)境中這并不現(xiàn)實(shí)，如在單光源被用來為多個(gè)工具供電的環(huán)境中（圖2）。因此，我們研發(fā)出一種評(píng)分卡，它提供衡量每個(gè)技術(shù)的準(zhǔn)備狀態(tài)與加工需求的直接評(píng)估測(cè)量結(jié)果。
圖2. 可能與半導(dǎo)體制造設(shè)備整合的自由電子激光器的示意圖。
除了選擇發(fā)射結(jié)構(gòu)，我們還需要研究設(shè)備的能源和活性材料的生產(chǎn)。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(fā)射后回收電子束能量。也可以使波蕩器的一頭變細(xì)以實(shí)現(xiàn)到EUV的最大轉(zhuǎn)化。或者，事實(shí)上有可能將兩種技術(shù)結(jié)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(jìn)的變細(xì)，就需要兆瓦級(jí)的電子束并會(huì)產(chǎn)生非同一般的輻射危害。因此，我們需要解決一個(gè)關(guān)鍵問題，即如何具體加工FEL以使其達(dá)到最大經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)保持近100%的系統(tǒng)可用性和操作。
自2000年建成首個(gè)EUV和硬X射線FEL以來，通過在全世界建造多個(gè)大規(guī)模、耗資的設(shè)施，加速器和FEL技術(shù)已迅速擴(kuò)展。這些努力成果扎根于粒子與核物理等成熟領(lǐng)域，以及相關(guān)的知識(shí)庫和專家群體。利用這些優(yōu)勢(shì)驅(qū)動(dòng)EUV光刻領(lǐng)域的摩爾定律將，使其成為未來諸多技術(shù)的關(guān)鍵使能技術(shù)，但這種推動(dòng)應(yīng)有所側(cè)重，如必須盡快開啟積極的研究與研發(fā)項(xiàng)目。作為這些工作的一部分，我們將繼續(xù)評(píng)估將高功率FEL光源與制造設(shè)備集成的復(fù)雜度。
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