中国激光, 2024, 51 (7): 0701007, 网络出版: 2024-03-29  

用于极紫外光刻的高功率能量回收型自由电子激光光源

High‑Power Free‑Electron Laser Sources Based on Energy Recovery Linacs for Extreme Ultraviolet Lithography
作者单位
中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川 绵阳 621900
摘要
未来极紫外光刻技术的发展亟需更高功率的光刻光源,能量回收型自由电子激光光源可以实现千瓦量级以上的功率输出,是一种极具潜力的高功率极紫外光刻光源。主要介绍了高功率能量回收型自由电子激光光源的工作原理、发展现状以及所面临的关键技术挑战。
Abstract
Significance

Extreme ultraviolet (EUV) lithography technology is critical for realizing high-end chip manufacturing at the 7 nm node and below. Currently, EUV lithography machines mainly use laser plasma (LPP) light sources. The maximum EUV power achieved by an LPP light source is approximately 500 W. For nodes smaller than 3 nm, satisfying the power requirements of LPP light sources is difficult. The development of EUV lithography in the future will require more powerful light sources.

A free-electron laser based on energy recovery linacs (ERL-FEL) can achieve a laser output with high repetition frequency, high average power, and high energy efficiency. With the development of FEL and ERL technologies, an ERL-FEL light source can achieve an output power of more than 10 kilowatts at a wavelength of 13.5 nm and is thus a promising high-power EUV lithography light source.

Progress

A free-electron laser is a type of radiation laser based on free electrons in vacuum. Compared with those of traditional lasers, the radiation wavelength does not depend on the excited medium but is related only to the electron beam energy and undulator magnetic field. An energy recovery linac accelerates the electron beams in the acceleration phase. After application, the accelerated electron beams return to the main accelerator during the deceleration phase and the power of the high-energy electron beam is converted into the microwave acceleration field power to accelerate the subsequent injected electron beams, which can achieve high-efficiency energy recovery and utilization. The FEL light source based on ERL technology provides a new technical route for the development of high-power EUV lithography.

Since Madey first proposed the concept of free-electron lasers in 1971, at least 50 FEL facilities have been built worldwide, and at least 20 FEL facilities are currently under construction or planned. In 1965, Tigner first proposed the concept of energy-recovery linacs. In recent decades, ERL technology has been regularly applied in different fields, and countries worldwide have conducted research and construction work on ERL facilities. One of the most important applications of ERL is in the generation of high-power FELs.

Global ERL-FEL light sources that have been constructed mainly include the JLAb FEL in the United States, Novosibirsk FEL in Russia, ALICE in the United Kingdom, and JAEA FEL and cERL in Japan. In addition, Peking University, the Institute of High Energy Physics of the Chinese Academy of Sciences, the Shanghai Institute of Applied Physics of the Chinese Academy of Sciences, and China Academy of Engineering Physics have conducted physical design and theoretical research studies on ERL-FELs. However, no ERL-FEL facilities have been fully constructed in China.

In 2015, KEK proposed an ERL-FEL plan for EUV lithography light sources based on a cERL, which can generate an EUV laser power greater than 10 kW. Russia, Germany, and Israel have proposed a compact EUV-FEL light source with an output power of approximately 5 kW. The Shanghai Advanced Research Institute of the Chinese Academy of Sciences has also proposed a fully coherent EUV light source plan based on the ERL.

Although ERL-FEL light sources for EUV lithography have significant development potential, many key technical problems must still be solved. To obtain a kilowatt-level EUV-FEL output, the facility must operate in a state of high average current and high beam power for a long period, which places higher requirements on photocathode injectors, superconducting accelerators, and energy recovery technology.

Conclusions and Prospects

Traditional LPP technology encounters bottlenecks below the 3 nm node. In the future, the development of EUV lithography will require kilowatt-level high-power light sources. An ERL-FEL light source can achieve an output power above the kilowatt level and is considered to be a highly promising next-generation lithography light source. This study introduces the working principles, development status, and key technical challenges of high-power ERL-FEL light sources.

1 引言

自20世纪60年代起,半导体行业遵循摩尔定律1发展了半个多世纪。随着新工艺节点的不断推出,单位面积集成的晶体管个数即芯片的集成度不断提升。而光刻是芯片制造过程中的关键环节,也是决定芯片制程的核心环节。光刻分辨率则是光刻曝光系统最重要的技术指标,分辨率越高,芯片集成度越高。根据瑞利准则,光刻系统的分辨率(R)为

R=k1λNA

式中:λ为光源波长;NA为物镜的数值孔径;k1为光刻工艺因子。随着技术的发展,光刻光源的波长不断缩短。极紫外(EUV)光刻技术是实现7 nm及以下节点高端芯片制造的关键。极紫外光刻光源的波长为13.5 nm,在该波长下可制作较高反射率的Mo/Si多层膜反射镜2。目前,EUV光刻机主要采用激光等离子体(LPP)光源,利用二氧化碳激光器产生的激光轰击锡液滴,产生波长为13.5 nm的极紫外光3。LPP光源技术成熟,已实现商业化,其EUV输出功率已达到300 W以上4。但在LPP光源中,锡碎片可能会对收集镜造成污染5-6。此外,随着EUV光刻机数值孔径增大到0.55以上和光刻胶灵敏度达到20~30 mJ/cm2,为克服随机效应7-8、进一步满足大规模量产要求,各领域对EUV光源的输出功率需求越来越高:在3 nm节点输出功率须达到1.5 kW以上,在2 nm节点输出功率须达到2.8 kW以上9。业界认为LPP光源未来可达到的EUV最高功率为500 W左右,继续将EUV光刻向3 nm以下节点推进,LPP EUV光源的功率提升将遭遇瓶颈10-12。因此,未来极紫外光刻技术的进一步发展亟需更大功率的光源。

自由电子激光(FEL)光源是一种由高品质相对论电子束在周期性磁场作用下产生的高功率同步辐射光源13,其中心波长可通过设计实现一定范围内的连续调节,峰值亮度和平均亮度分别比第三代同步辐射光源高10个量级和3个量级。相比于LPP技术,FEL技术具有无碎片和粒子污染、无需大口径收集镜、热沉积小、平均功率高、光束质量近衍射极限等优势14-15,但基于传统电子直线加速器的FEL光源存在束流单次使用后即丢弃导致的能量利用率极低的问题。能量回收型直线加速器(ERL)可以对高功率电子束流的能量进行有效回收利用,兼备了储存环高平均流强、高能量利用率和直线加速器高束流品质、束流参数灵活可调的优点,是同时实现高能量利用率、高平均流强、高亮度电子束流的主要手段。能量回收型自由电子激光(ERL FEL)光源可实现高重复频率、高平均功率、高能量利用效率的激光输出。随着FEL和ERL技术的发展,ERL FEL光源在13.5 nm波长处可实现超过10 kW的功率输出16-17,是一种极具潜力的大功率EUV光刻光源。

本文首先讨论了ERL FEL光源的工作原理,然后介绍了ERL FEL光源的发展现状、基于ERL FEL的光刻光源方案及其面临的关键技术挑战。

2 工作原理

自由电子激光是一种基于真空中自由电子产生的辐射激光,相对于传统激光,其辐射波长不依赖于受激介质,仅与电子束能量和波荡器磁场有关18。自由电子激光装置主要包括电子枪、加速器、波荡器和光束线四部分,其工作原理如图1所示,由电子枪产生的高品质电子束流,通过加速器增能到一定能量,然后进入波荡器的周期性磁场,产生受激辐射方式放大的相干辐射。按照不同的放大增益,主要分为低增益和高增益两种机制。

图 1. FEL的基本原理19。(a)低增益FEL;(b)高增益FEL

Fig. 1. Basic principle of FEL[19]. (a) Low gain FEL; (b) high gain FEL

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典型的低增益FEL为振荡器型FEL,波荡器被置于光学谐振腔之间,如图1(a)所示,电子束产生的辐射光在光学谐振腔中来回振荡,当满足一定的谐振条件时,与后续电子束团相互作用,实现受激放大并最终达到饱和输出。目前,振荡器型FEL主要用于太赫兹和红外波段,如成都太赫兹自由电子激光装置(CTFEL)20和合肥红外自由电子激光装置(FELiChEM)21。在紫外或更短的波长范围,由于缺乏合适的反射材料,振荡器型FEL难以工作。

为将FEL向更短的波长范围拓展,人们发展了利用高品质电子束通过超长波荡器进行单程高增益放大的自放大自发辐射(SASE)模式。电子束以接近光速的速度沿自发辐射方向运动时,与自发辐射持续耦合,在一定条件下电子束团产生微聚束,微聚束又反过来加强自发辐射,从而建立一个正反馈放大机制直至饱和22。基于SASE的FEL没有输出波长限制,可工作于红外到X射线任何波段,是现今短波长高增益FEL装置的主流方案。

根据加速器类型的不同,FEL装置主加速器主要分为常温加速器和超导加速器。采用常温加速器驱动的FEL装置主要有LCLS、SACLA、FERMI、SwissFEL、PAL-XFEL、SXFEL、DCLS等。常温加速器的建设成本较低,但受限于腔壁损耗和水冷功率,平均流强较低。而超导加速器,因其极高的品质因素和极低的腔壁损耗,可运行在高重复频率和高平均流强模式下。因此,高功率自由电子激光装置通常采用超导加速器技术路线。目前,国际上采用超导加速器驱动的FEL装置主要有FLASH、European XFEL、LCLS-II、SHINE等。

另一方面,常规FEL装置主要采用直线加速器加速电子束,束流经过一次加速后即丢弃,能量利用效率极低。且受限于功率源功率、供电和运行成本及安全处置剩余束流等因素,目前,高能直线加速器的束流平均流强并不高,难以满足大功率EUV光刻光源对高平均功率电子束的应用需求。

能量回收型直线加速器的基本原理如图2所示,电子束经直线加速器加速后,通过返航束线再次返回主加速器,落在减速相位上,高能电子束的功率转换为微波加速场功率,用于加速后续新注入的电子束,达到回收利用“废束”能量的目的24。由于束流能量的有效回收利用,ERL不需要大功率微波源就能实现高平均流强电子束的加速,显著提高了能量利用率,节省了微波功率源的建造和运行成本。同时,大幅减小了废弃电子束沉积在垃圾靶上的束流功率,避免了中子活化辐射,降低了辐射污染水平。因此,基于ERL技术的FEL光源,为高功率极紫外光刻光源发展提供了一条新的技术路线。

图 2. ERL FEL光源示意图23

Fig. 2. Schematic of ERL FEL light source[23]

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3 发展现状

自Madey25于1971年首次提出自由电子激光概念以来,世界上至少已建成50多台FEL装置,并有至少20台在建或计划建设的FEL装置。这些FEL装置目前已实现从太赫兹到硬X射线谱段的激光出光,并作为目前最高峰值亮度的先进光源推动了生命科学、信息技术、材料等多个学科的进步。FEL有两个主要发展方向,分别为高功率和短波长。

而早在1965年,Tigner26就第一次提出了能量回收型直线加速器的概念,但受限于当时加速器技术条件的限制,直到1977年,才完成首次能量回收实验27。从20世纪90年代开始,美国杰弗逊实验室(JLab)分别在CEBAF、IR FEL Demo、JLab FEL等装置上,结合射频超导技术,成功实现了电子束能量回收,并取得巨大进展28-29。近十几年,ERL技术不断被应用到不同领域,世界各国纷纷对ERL装置开展了研究和建设工作。其中,ERL最主要的应用方向之一就是用于产生高功率自由电子激光。

下面简要介绍ERL FEL光源装置的发展现状和基于ERL FEL的EUV光刻光源方案。

3.1 ERL FEL光源装置

国际上已建成的ERL FEL光源装置主要有美国的JLAb FEL、俄罗斯的Novosibirsk FEL、英国的ALICE、日本的JAEA FEL等装置,其主要参数如表1所示。

表 1. 国际上已建成的ERL FEL光源装置主要参数

Table 1. Main parameters of international ERL FEL light source facilities

ParameterJLab FEL (infrared)JLab FEL (ultraviolet)Novosibirsk FEL(2ndNovosibirsk FEL(3rd

Daresbury

ALICE

JAEA FEL
Energy/MeV16513521.0‒22.839‒4220.8‒35.017
Beam current/mA102.51048.1258
FEL wavelength/μm1‒140.25‒0.7037‒808‒115‒822
Maximum output power/W>10000>15050010053750
Repetition rate/MHz74.8574.85180.4180.481.2520.8
Accelerator typeSuperconductingSuperconductingNormal-conductingNormal-conductingSuperconductingSuperconducting
Working modeContinuous waveContinuous waveContinuous waveContinuous wavePulsePulse

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图3所示,美国杰弗逊实验室建设的JLab FEL装置采用射频超导加速器和能量回收技术,是全球第一台平均功率超过10 kW的ERL FEL装置。该装置始建于1996年,最早建设了一条红外和THz束线,并于1999年突破1 kW的设计指标31,2001年装置实现红外FEL平均功率输出超过2 kW@3.1 µm32,2007年经过升级后,红外FEL平均功率达到14.2 kW@1.6 µm33;紫外FEL束线始建于2006年,FEL光波长覆盖250~700 nm,2010年8月在700 nm处达到165 W的输出功率34

图 3. JLab FEL装置示意图30

Fig. 3. Schematic of JLab FEL facility [30]

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俄罗斯西伯利亚核子物理研究所(BINP)建设的Novosibirsk FEL是FEL家族中的特例35,该装置采用常温多圈能量回收技术路线,通过热阴极注入器和低频常温加速腔,达到了10 mA平均流强,在THz波段实现了最高500 W的平均功率输出36。英国Daresbury实验室提出建设一台基于ERL的多用途FEL和同步辐射光源4GLS37,并建设一台小型ERL FEL实验装置ALICE38

日本原子能机构(JAEA)建设了一台用于产生红外自由电子激光的ERL实验装置39,并实现了750 W的激光输出40。日本高能加速器研究机构(KEK)建设了一台紧凑型能量回收型直线加速器(cERL),并将其作为EUV光刻光源的预研装置,开展了系列的优化和实验研究41-43

在国内,中国工程物理研究院早在2000年左右就进行了能量回收型直线加速器的理论与模拟研究,并提出了基于ERL装置的kW级自由电子激光器设计方案44。北京大学在射频超导加速器多年研究的基础上,提出了北京大学ERL FEL的设计方案45,并开展了ERL束流动力学设计46、束流崩溃效应(BBU)47分析等研究工作。中国科学院高能物理研究所计划在北方先进光源(HEPS)二期将储存环光源升级为ERL光源,提出了一台小型ERL-FEL两用验证装置的初步设计方案48,并开展了束流动力学和BBU相关的理论研究49-50。但目前,国内尚无建成的ERL FEL装置。

3.2 基于ERL FEL的EUV光刻光源方案

2015年,日本KEK在cERL基础上,提出了用于极紫外光刻光源的ERL FEL方案51,如图4所示,并开展了一系列深入的模拟优化和关键技术研究52-54。该装置长度约为200 m,宽度约为20 m,电子束流能量为800 MeV,平均流强为10 mA,可产生的EUV激光功率大于10 kW。从2016年开始,KEK每年组织召开EUV FEL国际研讨会,并成立了EUV FEL光源产业化研究会,共同推进EUV FEL光刻光源技术的发展。

图 4. KEK提出的基于ERL的EUV FEL光源示意图51

Fig. 4. Schematic of EUV FEL light source based on ERL proposed by KEK[51]

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此外,俄罗斯、德国和以色列也曾经提议采用多圈加速多圈回收的方法来缩小装置规模,以建设一台紧凑型的EUV FEL光源55。装置布局如图5所示,设计的光源功率为5 kW左右,长度仅约为40 m。其优点在于缩小了装置规模和体积,降低了建设成本,缺点在于增加了系统复杂度,降低了电子束品质和输出功率,目前多圈加速多圈回收的技术尚未完全成熟。

图 5. 用于极紫外光刻的紧凑型ERL FEL光源示意图55

Fig. 5. Compact ERL FEL light source for EUV lithography[55]

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中国科学院上海高等研究院提出了基于ERL和角色散微群聚技术的全相干EUV光源方案,束流动力学模拟结果表明,可产生平均功率约为100 W的13.5 nm极紫外相干辐射56。此外,还提出了一种基于同步辐射的可用于极紫外光刻的kW级辐射源方案57,采用257 nm种子激光通过角色散引起的微聚束机制58对储存环中的电子束进行调制,可实现功率为2.5 kW的13.5 nm相干辐射。

近年来,清华大学提出了一种新型粒子加速器光源-稳态微聚束(SSMB)光源方案59,并与德国的研究团队联合开展了稳态微聚束的原理验证实验60,该方案通过结合微聚束辐射的强相干特性和储存环内电子束的高回旋频率特性,可提供高平均功率、窄带宽的相干辐射,波段可覆盖从太赫兹到软X射线的范围,有望为极紫外光刻提供一条新的技术路径。

4 关键技术挑战

虽然用于EUV光刻的ERL FEL光源极具发展潜力,但仍然存在着诸多关键技术问题亟待解决。由于FEL输出的EUV光束直径和发散角都很小,且是相干光,不能直接用于光刻机曝光光学系统,还需要通过光束预处理系统进行扩束、准直、消相干、均场和聚焦,以达到EUV光刻对收集镜第一个中间焦点(IF)处光束的参数要求,然后将EUV光束入射至曝光光学系统中,将掩模图像精确成像在硅片面上。相关技术难题包括:发展适用于EUV光刻的FEL消相干技术,建立复相干度评价体系,搭建适用于EUV FEL的高反射率聚光系统,匹配EUV FEL的照明系统和投影物镜系统等。

而就光源本身而言,同样面临着一系列技术挑战。要获得kW级EUV FEL激光输出,装置须长时间运行在高平均流强、高束流功率状态,光阴极注入器、超导加速器和能量回收技术等均面临更高的要求。

4.1 光阴极注入器

目前,用于ERL FEL光源的连续波光阴极注入器主要有直流高压注入器、常温射频(RF)注入器和射频超导注入器。

直流高压注入器是高平均功率强流注入器的首选,目前,包括JLab ERL FEL、Cornell ERL、Daresbury ALICE、KEK cERL等装置均采用直流高压注入器。其主要优点是电子枪结构相对简单、真空性能好,能达到10-10 Pa量级甚至更高,可采用量子效率高、可产生极化电子但需要超高真空条件的砷化镓(GaAs)光阴极。中国工程物理研究院应用电子学研究所为太赫兹自由电子激光装置(CTFEL)研制的直流高压注入器61,采用GaAs光阴极,获得了连续5 mA的平均流强输出。而其主要缺点在于阴极表面的加速场强较低,限制了电子束初始亮度,且电子枪出口能量受直流高压的限制,通常只有300多keV。对于低能强流电子束,空间电荷效应将引起发射度迅速增长,因此,需要尽快对电子枪出口的束流进行增能。目前,直流高压注入器在FEL光源上的应用主要集中在红外太赫兹波段。而对于对束流品质要求更高的EUV FEL光源,还需要对直流高压注入器的束线布局和束流动力学进行进一步优化设计。

常温RF注入器由于热效应限制,通常采用增大腔体尺寸的方法工作在甚高频(VHF)波段。其优点是能产生较高的加速梯度,从而获得较高的初始亮度;主要缺点是高功率下由于腔壁放气难以获得很高真空,多采用对真空度要求较低的基于紫外激光驱动的碲化铯(Cs2Te)阴极。在高平均流强运行的要求下,驱动激光系统面临极大的挑战。目前,连续波RF电子枪的平均流强还没有达到mA,距离ERL FEL光刻光源的要求还有较大差距。

射频超导注入器采用超导腔加速电子束,可以有效克服常温RF注入器的热功率和真空问题,同时具有较高的阴极表面加速梯度,可以产生高平均流强高品质电子束流。但射频超导注入器结构较为复杂,技术难度高,而且存在光阴极污染超导腔和长时间运行导致超导腔性能下降的风险。北京大学采用直流和射频超导相结合的技术路线,发展了DC-SRF注入器。其第一代DC-SRF电子枪采用3.5-cell超导腔,实现了mA量级的束流引出62。最近,研发的第二代DC-SRF电子枪,采用1.5-cell超导腔和K2CsSb光阴极,有望实现5~10 mA高平均流强运行63

此外,EUV光刻生产要求装置系统运行稳定性好于98%,每年非运行时间需控制在1周以内53。因此,为了保证装置的长时间稳定运行,要求光阴极具有高量子效率和更长的工作寿命,并且配备可靠的光阴极快速切换系统。

4.2 超导加速器

超导加速器的核心部件为射频超导腔,超导腔的发展主要分为高梯度和高流强两个方向。目前,主流的高梯度超导腔为谐振频率为1.3 GHz的9-cell TESLA型超导腔,通过不断改善的后处理工艺,其有效加速梯度可达到30 MV/m以上。对强流超导腔而言,随着流强的增大,束流在腔内激励的高阶模问题会越来越明显,如何对高阶模进行有效导出和衰减是强流超导腔设计需要解决的关键问题。

国际上,美国康奈尔大学、BNL、JLab和日本KEK等单位均开展过强流超导腔的设计和研发工作。国内,只有北京大学曾为美国阿贡国家实验室设计研发了一只谐振频率为1.3 GHz的5-cell强流超导腔64。强流超导腔的共同特点为内径和管径大,利于高阶模的导出和衰减65

4.3 能量回收技术

国际上已建成的大功率ERL FEL光源均集中在红外太赫兹波段,多采用振荡器型自由电子激光输出。目前,尚无建成的极紫外ERL FEL光源。对于极紫外ERL光源,电子束能量和功率相对于红外太赫兹波段均高很多,高效率能量回收的技术难度和挑战更大。

国内关于ERL的研究相对落后,主要还停留在理论研究和物理设计阶段,缺乏ERL实验研究装置。中国工程物理研究院正在建设一台红外太赫兹自由电子激光装置66,如图6所示,该装置同时可以作为一个小型的能量回收型直线加速器实验研究平台,用于开展ERL关键物理与技术研究,为ERL技术的发展提供技术参考。该平台主要设计参数如表2所示,电子束注入能量为6~8 MeV,返航束流能量为20 MeV,束流平均流强为1~3 mA。

图 6. 中国工程物理研究院红外太赫兹自由电子激光装置示意图66

Fig. 6. Schematic of infrared terahertz FEL facility of Chinese Academy of Engineering Physics [66]

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表 2. 中国工程物理研究院红外太赫兹自由电子激光装置ERL实验平台的主要设计参数

Table 2. Main design parameters of ERL experimental platform based on infrared terahertz FEL facility of Chinese Academy of Engineering Physics

ParameterDesigned value
Injector energy /MeV6‒8
Beam energy /MeV20
Beam current /mA1‒3
Repetition rate /MHz27.08
Energy recovery efficiency /%>95

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5 结论

传统LPP技术在3 nm节点以下将遇到瓶颈,未来极紫外光刻技术的发展亟需kW量级的高功率光源。ERL FEL光源可实现kW量级以上的功率输出,被认为是一种极具潜力的下一代光刻光源。高功率ERL FEL光源装置已经在红外太赫兹波段得到了有效验证。目前,国内外已提出了多种基于ERL FEL的EUV光刻光源方案。但同时,ERL FEL极紫外光刻光源建设仍面临着高品质强流光阴极注入器、强流超导加速器和高效率能量回收等关键技术挑战。

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