EUV光刻技术已得到广泛认可，它很有可能将接替193nm浸没式光刻技术，用以摹制集成电路加工中最关键的几层。然而，到目前为止，激光等离子体（LPP）光源的缓慢进展延误了将EUV技术嵌入大批量加工（HVM）。直到最近，LPP光源功率和可靠性方面的进步才使它们能够用于下一代技术研发项目。目前正设想用EUV光刻技术支持7nm技术节点的有限数量曝光层的加工。然而，EUV光刻技术的历史证明，如果不能根据替代图案化技术来调整模具的经济性，就有可能使嵌入目标继续溜走。此外，作为EUV光刻技术演变的目标技术，实现必要的分辨率、印刷特征粗糙度和生产率所需的光源功率将增加。这种不断演变的光源需求促使光源机构考虑推动LPP技术超越其250W的现有目标，或者考虑甚至更高功率的替代技术，如自由电子激光器（FEL）。这些设备有能力用单个光源为制造设备的整个EUV光刻机组供电，满足其千瓦能级需求。

　　

目前，FEL主要被科学界用作光谱扫描光源，该光源的高亮度和一致性由于原始平均功率。然而，以往的项目，比如杰斐逊国家实验室的IR演示，它们主要关注扩展加速器和FEL技术以获得纯功率（用于工业和军事应用）的潜力。对于功率扩展有几项关键的使能技术。这些技术包括高亮度电子光源、超导加速器和电子束保质。每项技术都处于研发之中，以用于下一代短脉冲、高亮度X射线光源。然而，也有机会用同一项研究为光刻技术研发高平均功率的EUV FEL（图1）。

 

图1.  在自由电子激光器的波荡器内辐射EUV光的电子束团插图。N和S代表磁极，k是电子和辐射束的传播矢量。

　　

到目前为止，大部分将FEL用于EUV光刻技术的研究还集中在生成500–1000W（如，每台扫描仪功率需求的预测最大值）的可行性和基础设施设计上。给定加速器设施的实际成本，过去两年我们一直致力于设计和研发一种FEL，以便能生成几万瓦的功率。这种设备能够为制造设备的整个EUV光刻机组供电，并可能因此而带来超越等效LPP光源的显著经济优势。

　　

虽然FEL设施的初始资本投资可能相当于或大于被拿来作对比的LPP光源装置的总体成本，但FEL拥有的优势每年能省下估计高达1亿美元的成本。相比LPP光源，FEL可通过降低公用事业和燃气供应需求而节省成本。此外，FEL还能消除对锡控制/管理或透镜修整的需求。相反，需要专门处理潜在的活性材料（取决于加速器的设计）。此外，我们发现通过增加电子束电荷或重复率，基于加速器的光源更易被扩展至更高功率。这种光源结构也很容易适应较短波长，这可以通过增加电子束的能量或改变波荡器的结构来实现。摩尔定律将因此而得到进一步延伸，不需要再进行大量的光源-扫描仪调整。然而，具有更直接意义的是FEL免去了对任何（锡）碎片减缓的需求。

　　

推动向光刻技术的高功率EUV FEL创新需要我们缩小潜在的配置，如发射结构、设备结构、能源/FEL效率以及余能。最近，我们专注于发射结构的选择工作。根据作为内在加速器波动的函数的光子通量、带宽和中心波长稳定性，我们评估了自放大自发发射、自激注入和再生放大器如何影响光刻性能。虽然科学用户设施能通过增加数据采集时间吸收这些波动，但在HVM环境中这并不现实，如在单光源被用来为多个工具供电的环境中（图2）。因此，我们研发出一种评分卡，它提供衡量每个技术的准备状态与加工需求的直接评估测量结果。

 

 

图2.  可能与半导体制造设备整合的自由电子激光器的示意图。

　　

除了选择发射结构，我们还需要研究设备的能源和活性材料的生产。能效的主要考虑因素在于是否需要（或者甚至可能）在FEL波荡器的辐射发射后回收电子束能量。也可以使波荡器的一头变细以实现到EUV的最大转化。或者，事实上有可能将两种技术结合。再加上能效问题，即在加速器的电子垃圾堆生成活性材料。如果没有能量回收和激进的变细，就需要兆瓦级的电子束并会产生非同一般的辐射危害。因此，我们需要解决一个关键问题，即如何具体加工FEL以使其达到最大经济优势，同时保持近100%的系统可用性和操作。

　　

自2000年建成首个EUV和硬X射线FEL以来，通过在全世界建造多个大规模、耗资的设施，加速器和FEL技术已迅速扩展。这些努力成果扎根于粒子与核物理等成熟领域，以及相关的知识库和专家群体。利用这些优势驱动EUV光刻领域的摩尔定律将，使其成为未来诸多技术的关键使能技术，但这种推动应有所侧重，如必须尽快开启积极的研究与研发项目。作为这些工作的一部分，我们将继续评估将高功率FEL光源与制造设备集成的复杂度。