新型EUV辐射源，满足未来光刻技术功率需求

在光刻技术领域，对高亮度、高功率的极紫外（EUV）辐射源的需求十分迫切。近期，来自柏林亥姆霍兹中心（HZB）、清华大学和德国联邦物理技术局（PTB）的科学家们研发了一种名为稳态微束射（SSMB）的新型相干紫外线辐射源。据研究人员称，SSMB 有望提供一种在电子存储环上产生相干同步辐射的方法，以便在极紫外（EUV）范围内提供千瓦（kW）级的平均功率辐射。相关研究成果发表在Nature Communications Physics（www.doi.org/10.1038/s42005-024-01657-y）上。

由于半导体制造商对更短波长的需求日益增长，用于蚀刻更小结构的光刻技术需要突破现有加速器技术的限制。现有技术无法提供足够的功率水平来满足这一需求，而 SSMB 的出现恰好填补了这一空白。通过SSMB，可以实现极紫外光刻所需的高功率输出，这将大幅提升半导体制造工艺的精度和效率。不仅如此，SSMB 还能够为科学和工业的各个领域提供高重复率的超高亮度 X 射线辐射。

图1 脉冲激光器通过MLS U₁₂₅波荡器与电子束共传播，并施加能量调制。相同的波荡器在电子束的后续通道上用作辐射器。波荡器辐射由快速光电二极管检测，而激光脉冲则使用电光开关从检测路径中屏蔽

当超快电子发生偏转时，它们会发出同步辐射，这种辐射可以用于存储环中。在存储环中，粒子被磁力“强迫”进入封闭路径。这种纵向非相干光由宽波长的光谱组成，它的高亮度使其成为材料研究的绝佳工具。单色仪可用于从光谱中选择单个波长，但这会显著降低辐射功率。

2010年，现研究团队成员Alexander Chao的研究表明，如果在存储环中运行的电子束的波长短于它们发射的光的波长，发射的辐射就会变得相干且更强。研究人员Xiujie Deng为具有低α环的特定类型圆形加速器定义了SSMB的设置。这些环在与激光相互作用后产生的短粒子束仅有1 μm长。

研究人员Arnold Kruschinski指出：“存储环中的电子并不是均匀分布的，它们成群结队地移动，典型长度大约为1 cm，间距大约为60 cm。”他还提到，这比2010年研究中提出的微束大了六个数量级。

2021年，研究团队使用第一个为低α操作设计的存储环，验证了Xiujie Deng创建的设置。通过大量实验，该团队已经完全验证了Xiujie Deng的微束产生理论。Arnold Kruschinski表示，“对我们来说，这是通往新型SSMB辐射源的重要一步。”

图源：Ina Helms/HZB

该团队的系统研究是在一个正在进行的原理验证实验中进行的，在这个实验中，微束由1064 nm激光施加的能量调制产生。目前的研究结果证实了微束生成过程与激光调制幅度的相关性，以及微束生成机理理论描述的准确性。

研究结果进一步表明，横向-纵向耦合动力学的影响符合该团队的理论期望，并且能够以较高的精度进行操纵。最有可能实现高功率EUV辐射的SSMB方案是基于利用横向-纵向耦合动力学来产生有效的微束。

从兆赫兹（MHz）范围内具有高重复频率的电子存储环开始，SSMB可能会使用光学激光调制器取代射频腔作为主要的纵向聚焦元件，在圆形加速器中产生持久的微束。以这种方式可以产生高平均功率的相干辐射。通过采用合适的高谐波生成方案，产生的辐射波长可以达到极紫外光（EUV）区，从而产生功率水平适合光刻的EUV辐射源。SSMB还可以作为角度分辨光发射光谱的高亮度、窄带宽紫外辐射源。

尽管科学家们一直在努力提高自由电子激光器（FEL）在硬X射线范围内产生超短、高峰值功率辐射脉冲的能力，但FEL还无法在短波长上提供千瓦级的高平均功率辐射。SSMB 有可能填补这一空白。研究团队认为，SSMB 理论关键部分的验证工作奠定了坚实基础，有助于实现建造 SSMB 同步辐射光源原型的目标。下一阶段的 SSMB 实验准备工作正在进行中。

HZB 项目经理Jörg Feikes认为，SSMB 作为EUV的实际辐射源尚需时日。他认为 SSMB 的发展与 FEL 的发展有一些相似之处。他表示：“经过最初的实验和数十年的开发工作，这个想法变成了千米长的超导加速器。这种发展过程十分漫长，首先是一个想法，然后是一个理论，最后通过实验逐步实现，我认为 SSMB 也将以同样的方式发展。”

相信随着科学家们不断深入研究和实验，SSMB 有望成为未来高亮度、高功率同步辐射源的关键技术，开创光刻技术的新纪元。为了推动激光光刻领域的高水平发展并促进学术交流，《中国激光》于2024 年第 12 期（6 月）推出了“激光光刻技术”专题，共收录 22 篇优秀论文，包括 11篇综述文章和 11篇研究论文。专题围绕“光刻关键技术”“光刻系统装置”“光刻胶与显影”“直写光刻器件”“新型光刻技术”五大研究方向，系统深入地展示了该领域的研究前沿与发展动向。欢迎阅读！