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(fā)項目。目前正設想用EUV光刻技術支持7nm技術節(jié)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(xù)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(yè)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(fā)之中，以用于下一代短脈沖、高亮度X射線光源。然而，也有機會用同一項研究為光刻技術研發(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(fā)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(yōu)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(yōu)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(yè)和燃氣供應需求而節(jié)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(fā)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(chuàng)新需要我們縮小潛在的配置，如發(fā)射結構、設備結構、能源/FEL效率以及余能。最近，我們專注于發(fā)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(wěn)定性，我們評估了自放大自發(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(huán)境中這并不現實，如在單光源被用來為多個工具供電的環(huán)境中（圖2）。因此，我們研發(fā)出一種評分卡，它提供衡量每個技術的準備狀態(tài)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(fā)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(fā)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?；蛘?，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(yōu)勢，同時保持近100%的系統(tǒng)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(guī)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(yōu)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(fā)項目。作為這些工作的一部分，我們將繼續(xù)評估將高功率FEL光源與制造設備集成的復雜度。