Лінійні прискорювачі - глухий кут літографії ASML

 

 

В кінцевому підсумку експлуатаційні витрати зводяться до споживання електроенергії. Стівен Бенсон, старший науковий співробітник Національного прискорювального центру імені Томаса Джефферсона у Вірджинії, який нещодавно вийшов на пенсію, підрахував, що ККД усієї системи EUV-LPP може становити менше 0,1 відсотка. За його словами, лазери на вільних електронах, подібні до того, який розробляє KEK, можуть бути в 10–100 разів ефективнішими.

Лінійний прискорювач з рекуперацією енергії

KEK — це відома японська організація з дослідження високоенергетичних прискорювачів. Наразі вчені проводять модернізацію та експерименти на суперколайдері SuperKEKB, розробляють новітні системи лінійних прискорювачів, надпровідні магніти, а також детектори для пошуку нової фізики за межами Стандартної моделі

В організації KEK діють протонний прискорювальний комплекс J-PARC (англ. Japan Proton Accelerator Research Complex), електронний прискорювач ATF (англ. Accelerator Test Facility) для тестування різних систем проєктованого міжнародного лінійного колайдера ILC.

Система, що розробляється KEK, генерує світло шляхом розгону електронів до релятивістських швидкостей і подальшого відхилення їхнього руху певним чином. (казки діда Альберта призведе до колапсу систем прискорювачів. Спостерігаємо сізіфу првцю деяких вчених)

Процес починається, пояснює Накамура, коли електронна гармата вводить пучок електронів у кріогенно охолоджувану трубку довжиною в кілька метрів. Усередині цієї трубки надпровідники передають радіочастотні (РЧ) сигнали, які змушують електрони рухатися дедалі швидше. Потім електрони роблять поворот на 180 градусів і потрапляють у структуру, яку називають ондулятором і яка являє собою ряд магнітів, орієнтованих у протилежних напрямках. (У системі KEK наразі їх два.) Ондулятори змушують електрони, що рухаються з великою швидкістю, слідувати по синусоїдальній траєкторії, і цей рух призводить до випромінювання світла електронами.

У лінійному прискорювачі інжектовані електрони отримують енергію від радіочастотного поля. Зазвичай електрони потім потрапляють у лазер на вільних електронах і негайно поглинаються у поглиначі пучка. Але в лінійному прискорювачі з рекуперацією енергії (ERL) електрони повертаються в радіочастотне поле і передають свою енергію знову інжектованим електронам, перш ніж вийти в поглинач пучка.

Те, що відбувається далі, називається явищем, відомим як самопідсилююче спонтанне випромінювання, або SASE. Світло взаємодіє з електронами, сповільнюючи одних і прискорюючи інших, так що вони збираються в «мікроскопи» — піки щільності, що періодично виникають уздовж шляху ондулятора. Отриманий структурований електронний пучок підсилює лише те світло, яке перебуває у фазі з періодом цих мікроскоплень, генеруючи когерентний пучок лазерного світла.

Саме в цьому компактний лінійний прискорювач з рекуперацією енергії (cERL) компанії KEK відрізняється від лазерів, що працюють на основі звичайних лінійних прискорювачів. Зазвичай відпрацьований пучок електронів утилізується шляхом відхилення частинок у так званий... поглинач пучка. Але в cERL електрони спочатку повертаються у ВЧ-прискорювач. Цей пучок тепер перебуває у протилежній фазі щодо щойно інжектованих електронів, які тільки починають свій шлях. У результаті відпрацьовані електрони передають більшу частину своєї енергії новому пучку, збільшуючи його енергію. Після того, як початкові електрони таким чином втрачають частину своєї енергії, вони направляються до поглинача пучка.

«Енергія прискорення в лінійному прискорювачі відновлюється, а потужність розсіюваного пучка значно знижується порівняно зі звичайним лінійним прискорювачем», — пояснює мені Накамура, поки вчені в іншій кімнаті керують лазером. Повторне використання енергії електронів означає, що при тій самій кількості електроенергії система пропускає більший струм через прискорювач і може частіше запускати лазер, каже він.

Інші експерти погоджуються. Підвищена ефективність лінійного прискорювача з рекуперацією енергії може знизити витрати, «що є однією з головних проблем при використанні плазми, отриманої за допомогою EUV-лазера», — каже Хассанейн.

Лінійний прискорювач з рекуперацією енергії для EUV-літографії

Компактний лінійний прискорювач з рекуперацією енергії KEK був спочатку побудований у період з 2011 по 2013 рік з метою демонстрації його потенціалу як джерела синхротронного випромінювання для дослідників, що працюють у фізичному та матеріалознавчому відділах інституту. Однак дослідники були незадоволені запланованою системою, яка мала нижчу цільову продуктивність, ніж та, якої можна було досягти за допомогою деяких синхротронів на основі накопичувальних кілець — величезних кільцевих прискорювачів, що підтримують рух пучка електронів із постійною кінетичною енергією. Тому дослідники KEK вирушили на пошуки більш підходящого застосування. Після переговорів із японськими технологічними компаніями, зокрема з Toshiba, яка на той час мала підрозділ з виробництва мікросхем флеш-пам’яті, дослідники провели попереднє дослідження, яке підтвердило можливість створення джерела світла кіловатного класу за допомогою компактного лінійного прискорювача з рекуперацією енергії. Так народився проєкт EUV-лазера на вільних електронах. У 2019 та 2020 роках дослідники модифікували існуючий експериментальний прискорювач, щоб розпочати шлях до EUV-випромінювання.

Система розміщена в повністю бетонному приміщенні, щоб захистити дослідників від інтенсивного електромагнітного випромінювання, що виникає під час роботи. Приміщення має довжину близько 60 метрів і ширину 20 метрів, причому більшу частину простору займає заплутаний клубок складного обладнання, труб і кабелів, що звивається вздовж обох його сторін у вигляді витягнутої гоночної траси.

Прискорювач поки що не здатний генерувати ультрафіолетові хвилі. Однак, використовуючи енергію електронного пучка в 17 мегаелектронвольт, дослідники змогли отримати SASE-випромінювання у вигляді імпульсів інфрачервоного світла з довжиною хвилі 20 мікрометрів. Перші результати випробувань були опубліковані в японському журналі прикладної фізики у квітні 2023 року. Наступний крок, який уже робиться, — це генерація значно більшої потужності лазера в режимі безперервного випромінювання.

Безумовно, 20 мікрометрів — це дуже далеко від 13,5 нанометрів. І вже існують типи прискорювачів частинок, які генерують синхротронне випромінювання з ще коротшими довжинами хвиль, ніж у крайньому ультрафіолетовому діапазоні (EUV). Але лазери на основі лінійних прискорювачів з рекуперацією енергії можуть генерувати значно більшу потужність EUV завдяки своїй високій ефективності, стверджують дослідники з KEK. У джерелах синхротронного випромінювання інтенсивність світла збільшується пропорційно кількості інжектованих електронів. У системах лазерів на вільних електронах, навпаки, інтенсивність світла зростає приблизно пропорційно квадрату кількості інжектованих електронів, що призводить до набагато більшої яскравості та потужності.

Для того щоб лінійний прискорювач з рекуперацією енергії досяг діапазону крайнього ультрафіолетового випромінювання, знадобиться модернізація обладнання, що виходить за межі можливостей, наявних на даний час у KEK. Тому дослідники зараз обґрунтовують необхідність створення нової прототипної системи, здатної генерувати необхідні 800 МеВ.

Електронна гармата подає заряд у компактний лінійний прискорювач з рекуперацією енергії в KEK (Кембриджському електронному комплексі).

У 2021 році, до того як сильна інфляція торкнулася економік у всьому світі, команда KEK оцінила вартість будівництва (без урахування землі) нової системи в 40 мільярдів ієн (260 мільйонів доларів) для системи, що забезпечує потужність 10 кВт EUV-випромінювання та живить кілька літографічних машин. Щорічні експлуатаційні витрати оцінювалися приблизно в 4 мільярди ієн. Таким чином, навіть з урахуванням нещодавньої інфляції, «орієнтовні витрати на один експонуючий прилад у нашій установці все ще досить низькі порівняно з орієнтовними витратами» на сучасні джерела плазми, що створюються лазером, — каже Накамура.

Накамура визнає, що перш ніж така система зможе досягти високих показників продуктивності та стабільності роботи, яких вимагають виробники напівпровідників, доведеться вирішити безліч технічних завдань. Команді доведеться розробити нові версії ключових компонентів, таких як надпровідний резонатор, електронна гармата та ондулятор. Інженерам також доведеться розробити ефективні методи роботи, щоб, наприклад, гарантувати, що електронний пучок не деградуватиме та не даватиме збоїв під час роботи.

Щоб їхній підхід виявився достатньо економічно ефективним і привернув увагу виробників мікросхем, дослідникам необхідно створити систему, здатну надійно передавати понад 1 кВт потужності EUV-випромінювання одночасно на кілька літографічних машин. У дослідників уже є концептуальний проєкт спеціальної системи дзеркал, яка передаватиме EUV-випромінювання на кілька експозиційних установок без значних втрат потужності або пошкодження дзеркал. https://spectrum.ieee.org/euv-fel

https://btg18.blogspot.com/2026/08/90_0157686815.html,

https://btg18.blogspot.com/2026/08/90.html 

Боротьба триває ...