Будова лазера на вільних електронах FEL

  

 

Експериментальний компактний лінійний прискорювач із рекуперацією енергії в KEK використовує більшу частину енергії електронів на зворотному шляху для прискорення нової групи електронів.

 

 

 Літографія на базі лазерів на вільних електронах (FEL, Free Electron Laser) — це перспективна альтернатива існуючій технології екстремального ультрафіолету (EUV), покликана подолати фізичні обмеження у виробництві мікросхем за стандартами менше 2–3 нанометрів. В основі цього підходу лежить використання прискорювачів частинок замість традиційного випаровування крапель олова лазером.

Сучасний метод EUV (від компанії ASML) працює за схемою LPP (Laser-Produced Plasma): потужний CO₂-лазер вражає краплі рідкого олова 50 тисяч разів на секунду, створюючи плазму, яка випромінює потрібне світло довжиною хвилі 13,5 нм. Цей метод має жорстке обмеження потужності (близько 250–500 Вт), утворює багато забруднень (пари олова) і витрачає колосальну кількість енергії.

FEL вирішує ці проблеми принципово інакше:

• Чисте джерело світла: релятивістські електрони розганяються в лінійному прискорювачі до швидкості, близької до швидкості світла, і проходять через ондулятор (систему чергуючихся магнітів). Електрони коливаються й випромінюють чисте, когерентне світло без використання плазми та олова.

• Екстремальна потужність: Системи FEL здатні видавати від 1 до 10+ кВт чистої потужності випромінювання. Для порівняння: сучасні LPP-джерела ледве долають планку в 500 Вт.

• Обслуговування цілої фабрики (Fab): Один прискорювач FEL настільки потужний, що його випромінювання можна розділити за допомогою системи дзеркал і одночасно живити до 20 літографічних сканерів.

• Енергоефективність: Застосування концепції ERL (Energy-Recovery Linac) дозволяє направляти відпрацьовані електрони по кільцю назад, повертаючи до 95%+ енергії в систему для прискорення наступної партії

Порівняння технологій літографії

Критерій	Поточний стандарт (LPP EUV)	Майбутній стандарт (FEL EUV)
Джерело випромінювання	Лазер + краплі рідкого олова	Лінійний прискорювач електронів
Вихідна потужність	~250 – 500 Вт (фізична межа)	1 – 10+ кВт (з можливістю масштабування)
Архітектура	Один лазер вбудований в один сканер	Один прискорювач живить всю фабрику
Забруднення оптики	Високий (олов'яний пил, зношення дзеркал)	Відсутнє (світло генерується у вакуумі)

Лазерні емісійні лампи та майбутнє літографії

Над'яскраві та ефективні лазери на вільних електронах обіцяють значно підвищити продуктивність і розширити можливості літографії до субнанометрових масштабів.

Оскільки розміри напівпровідникових елементів наближаються до атомних, найсучасніші виробничі інструменти галузі — сканери для літографії в екстремальному ультрафіолетовому діапазоні (EUV) ASML NXE та EXE — відчувають нестачу фотонів. Лазери на вільних електронах (FEL), що використовують релятивістські електронні пучки для генерації світла, яке в мільйони разів яскравіше, ніж у звичайних лазерів, обіцяють у чотири рази більшу потужність при вдвічі менших енерговитратах. У цій статті розглядається принцип роботи FEL і те, як вони можуть не тільки вирішити сьогоднішні проблеми літографії, але й відкрити чіткий шлях до субнанометрових вузлів.

Застосування закону Мура на атомному рівні

Уявіть, що ви намагаєтеся написати своє ім’я олівцем розміром з телефонний стовп. Саме таке завдання щодо забезпечення точності стоїть перед сучасним виробництвом напівпровідників, яке рухається під тиском невблаганних вимог закону Мура.

У 1965 році Гордон Мур зауважив, що щільність транзисторів подвоюється приблизно кожні два роки — передбачення, яке визначило траєкторію розвитку напівпровідникової промисловості на десятиліття, ставши водночас еталоном і самоздійснюваним пророцтвом. З тисячі транзисторів на чіп у 1970 році ми дійшли до понад 100 мільярдів сьогодні, а деякі експериментальні пристрої продемонстрували понад трильйон транзисторів.

Для підтримки таких темпів необхідні надзвичайні технологічні прориви, і найамбітнішим з них є літографія в крайньому ультрафіолетовому діапазоні (EUV), що працює на довжині хвилі 13,5 нм (у 10 разів коротшій, ніж попередні технології глибокого ультрафіолетового опромінення) і є ключем до отримання елементів, близьких до атомних.

Робота на таких екстремальних довжинах хвиль створює серйозні проблеми: практично всі матеріали, включаючи повітря, сильно поглинають фотони EUV-випромінювання. Це робить EUV-обладнання дорогим і складним у виробництві. Використовуються спеціальні EUV-літографічні маски, що являють собою багатошарові структури з молібден-кремнієвих відбивачів, покриті тонким шаром рутенію. Ці сканери ASML коштують понад 200 мільйонів доларів США кожен (удвічі більше для новіших моделей) і вимагають дзеркального полірування з точністю до одного атома. Марк Філліпс, директор Intel з літографічного обладнання, називає EUV-сканер «найдосконалішим з технічної точки зору інструментом, який коли-небудь створювався», і це навряд чи є перебільшенням. Але хоча створення самої машини є серйозною проблемою, забезпечення її достатньою кількістю світла також є складним завданням. 

Сучасні джерела: плазма, що створюється лазером.

Сучасне джерело УФ-випромінювання, лазерно-генерована плазма (ЛГП), є справжнім інженерним досягненням. Крапля розплавленого олова впорскується у вакуумну камеру 50 000 разів на секунду. Для кожної краплі ретельно розрахований «попередній імпульс» лазера надає їй дископодібну форму, після чого другий потужний імпульс _{CO₂-лазера}випаровує її. Цей основний імпульс нагріває олово до температури понад 200 000 °C — у 40 разів вищої за температуру поверхні Сонця — викликаючи електронні переходи, які випромінюють потрібні фотони з довжиною хвилі 13,5 нм. Цей процес має деякі недоліки:

Енергоспоживання: Генерація фотонів у крайньому ультрафіолетовому діапазоні (EUV) будь-яким способом, а не лише методом лазерної фотоелектронної спектроскопії (LPP), є завідомо неефективною. Для отримання 500 Вт корисного випромінювання EUV потрібно близько 1 МВт вхідної потужності (ККД 0,05 %). З огляду на те, що напівпровідникові заводи вже споживають значну частину електроенергії національних енергомереж (одна лише компанія TSMC споживає приблизно 10 % енергії Тайваню), необхідність у досконаліших джерелах EUV-випромінювання стає особливо актуальною.

Тепло та відходи: Більша частина енергії в процесі LPP втрачається у вигляді тепла та розплавлених частинок олова, які забруднюють і нагрівають колекторне дзеркало. Для боротьби із забрудненням у камеру джерела закачується 600 літрів водню на хвилину, утворюючи «водневу завісу». Незважаючи на це, термін служби колектора, як і раніше, є значною статтею експлуатаційних витрат. Нагрівання дзеркала додатково обмежує вихідну потужність установки LPP.

Точність: LPP — неполяризоване та широкосмугове світло. Сканер ASML «вибирає» корисну частину цього світла для опромінення чіпа, що призводить до дефіциту фотонів і стохастичних збоїв — випадкових варіацій поглинання фотонів і точності малюнка через малу кількість фотонів, — які знижують вихід придатних виробів у міру зменшення розмірів транзисторів.

Джерело LPP — це приголомшливий інструмент, але оскільки прагнення до масштабування EUV-літографії вимагає дедалі більше світла, нам потрібна фізика іншого роду. 

 Наступна сходинка на шляху до яскравості

На щастя, вже існує багатообіцяюча альтернатива джерелам LPP: лазер на вільних електронах (FEL). Хоча FEL можуть генерувати у багато разів більшу потужність EUV-випромінювання при значно менших витратах енергії та з неперевершеною якістю пучка, їхня вирішальна перевага як джерела світла полягає в якості, відомій як «яскравість», — найважливішому показнику для літографії та не тільки.

Традиційні джерела «зв’язаних електронів», від розжарених ниток розжарювання до сучасних джерел LPP, зрештою обмежені властивостями використовуваних матеріалів, будь то температура плавлення чи фіксоване атомне випромінювання випареного олова. На відміну від них, лазери на вільних електронах (FEL) є джерелами «вільних електронів», які долають це обмеження. Вони мають три унікальні переваги:

Відсутність межі пошкодження: вільні електрони у вакуумі не можуть бути пошкоджені інтенсивними полями, на відміну від твердотільних активних середовищ звичайних лазерів.

Високоселективне підсилення: умова резонансу лазера на вільних електронах, що визначається спеціальною теорією відносності, гарантує підсилення лише ідеально узгоджених фотонів, забезпечуючи виняткову спектральну чистоту.

Когерентне випромінювання: електрони «мікрогрупуються» у щільні субхвильові кластери, які випромінюють в ідеальному синхроні — когерентний процес, що квадратично збільшує потужність світла.

У лазері на вільних електронах електрони вільно рухаються у вакуумі зі швидкістю, близькою до швидкості світла, й обмінюються енергією з електромагнітною хвилею, що поширюється по ньому, внаслідок чого утворюється експоненціально підсилений, настроюваний світловий пучок.

Будова лазера на вільних електронах 

 

 

 

У лазері на вільних електронах електрони вільно рухаються у вакуумі зі швидкістю, близькою до швидкості світла, та обмінюються енергією з електромагнітною хвилею, що поширюється по ньому, внаслідок чого утворюється експоненціально підсилений, настроюваний світловий пучок.

Високоенергетичні електронні пучки: процес починається з високоенергетичного електронного пучка від прискорювача частинок. Мікрохвильові підсилювачі прискорюють електрони майже до швидкості світла. Для пучка з енергією 1 ГеВ (це один заряд електрона, помножений на 1 гігавольт) електрони повільніші за світло всього на одну частину на 10 мільйонів. Чим енергійніший електронний пучок, тим вища енергія фотонів, яку може генерувати лазер на вільних електронах.

Віглери проти ондуляторів

Віглери та ондулятори відрізняються параметром K, який пропорційний напруженості магнітного поля та амплітуді коливань електронів.

Коли K < 1: коливання малі, і світло випромінюється переважно на одній частоті в прямому напрямку. Пристрій називається ондулятором.

Коли K > 1: коливання великі, кут випромінювання ширший, а світло широкосмугове. Такий пристрій зазвичай називають віглером.

Зазвичай лазер на вільних електронах працює з малим параметром K (отже, він є ондулятором). Однак випромінювання лазера на вільних електронах на порядки яскравіше, ніж спонтанне випромінювання ондулятора, оскільки воно когерентно підсилюється.

Заряд, що прискорюється, випромінює: будь-який заряд, що прискорюється, випромінює світло. Джерело гальмівного випромінювання (нім. «гальмівне випромінювання») зіштовхує електрони зі стінкою, швидко сповільнюючи їх, і пучок випромінює свою енергію у вигляді світла та тепла. Згинальний магніт теж працює. Якщо ви згинаєте пучок по колу, ви отримуєте синхротронне джерело. Але якщо ви згинаєте його за синусоїдальною хвилею, ви отримуєте вігглер або ондулятор.

Синхротронні та вігглерні джерела виробляють досить широкосмугове світло, але ондулятор — це зовсім інша історія. При роботі в правильно визначених умовах електронний пучок в ондуляторі може генерувати лазерне випромінювання.

Ондулятор: Ондулятор являє собою періодичну решітку магнітів, яка змушує високоенергетичний електронний пучок коливатися, або «звиватися», у вигляді синусоїдальної хвилі з певною частотою. Це контрольоване коливання електронного пучка є першим кроком до отримання точно налаштованого світла. Період ондулятора, λu, разом з енергією пучка, визначає вихідну довжину хвилі світла.

Схема лазера на вільних електронах. На вставці показано звивисту траєкторію електрона, що створює світлові хвилі в точках розвороту. [Tristanevanslee / Wikimedia Commons; CC-BY-1.0]

Ковзання та вибір кольору: У процесі FEL використовується «ковзання» для вибору одного кольору світла. В ондуляторі електрони рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла, але не зовсім. Оскільки вони також коливаються по синусоїдальній траєкторії, вони проходять трохи більшу відстань, ніж еквівалентна пряма траєкторія. Світловий пучок, звичайно, рухається точно по цій прямій траєкторії зі швидкістю світла, і тому коливальні електронні пучки в ондуляторі дуже незначно відстають від створюваної ними світлової хвилі.

Щоб наочно уявити процес утворення мікроскупчень, уявіть, як електрон поглинає фотон: він отримує невелику кількість енергії й рухається трохи швидше. Інший електрон, що знаходиться перед ним, може випромінювати фотон, втрачаючи енергію та сповільнюючись. Швидші електрони наздоганяють повільніші, утворюючи мікроскупчення щільно упакованих електронів.

Оскільки електрони всередині мікроскупчення розташовані майже один над одним, усі вони випромінюють когерентно. Але це світлове поле впливає у зворотному напрямку на електронний пучок за принципом зворотного зв’язку, збільшуючи щільність мікроскупчень та їхній енергетичний розкид, що призводить до ще більшого посилення в процесі, який зростає експоненціально. Зрештою, енергетичний розкид мікроскупчень перевищує щільність стиснення, і вони починають розпадатися. Ця стадія називається насиченням, після якого підсилення припиняється.

Мікроскупчення та когерентне випромінювання: Початковий електронний пучок не має модуляції щільності, тому його випромінювання є некогерентним (ліворуч). У міру того, як електрони проходять через ондулятор, їхня взаємодія зі світловим полем, що наростає, сортує їх у мікроскупчення (у центрі). Ці мікроскоплення, розташовані на відстані рівно однієї довжини хвилі одне від одного, випромінюють в ідеальному синхроні, викликаючи експоненціальне посилення світла, доки випромінювання не стане повністю когерентним (праворуч). [Д. Блек, Д. Нгуєн]

Релятивістський фактор забезпечує високоенергетичне світло: Одна із загадок процесу на основі лазера на вільних електронах (ЛВЕ) залишається нерозгаданою: як він генерує таке високоенергетичне (короткохвильове) світло, у даному випадку ультрафіолетове світло з крихітною довжиною хвилі 13,5 нм, коли магніти ондулятора мають такий великий період — кілька сантиметрів? Відповідь криється у подвійному підсиленні спеціальної теорії відносності, що відбувається між подіями розсіювання.

Залишається одна загадка, пов’язана з процесом на основі лазера на вільних електронах: як йому вдається генерувати світло з такою високою енергією (малою довжиною хвилі), якщо магніти ондулятора мають такий великий період, усього кілька сантиметрів?

Розглянемо систему відліку ондуляторного магніту. У ній ондулятор нерухомий із періодом λu _, а електронний пучок рухається до нього зі швидкістю, близькою до швидкості світла. У системі відліку електрона ситуація зворотна: електронний пучок нерухомий, а ондулятор, здається, рухається до нього. Отже, у системі відліку електрона рухомий ондулятор здається стиснутим за Лоренцем, і його період скорочується в γ разів, стаючи λu _/ γ. Це один імпульс.

Магнітні поля ондулятора перетворюються в системі відліку електронного пучка. Для нерухомих електронів рухомі магнітні поля ондулятора виглядають як падаючі світлові хвилі. Ці хвилі розсіюються на нерухомому електронному пучку, відбиваючи випромінювання назад у протилежному напрямку. Це й є процес розсіювання.

Від лабораторії до виробництва: до промислового застосування EUV-літографії.

Ці шість кроків дозволяють нам добре зрозуміти, як працюють лазери на вільних електронах (ЛВЕ). Але хоча фізика ЛВЕ є елегантною, його справжня цінність полягає у вирішенні конкретних, нагальних проблем, що стоять перед напівпровідниковим виробництвом у міру того, як ми просуваємося до створення елементів атомного масштабу. ЛСЕ — це не просто потужніше джерело світла, це принципово більш підходящий інструмент для епохи Ангстрема.

У міру зменшення розмірів транзисторів стохастичні дефекти починають негативно впливати на вихід придатних виробів. Рішення лише одне: збільшення потужності. Технологія FEL (Field-Elemental Light) — єдина, яка відкриває шлях до багатокіловатного режиму.

Розглянемо безпосередні технічні переваги. Сканери EUV наступного покоління з високою числовою апертурою використовують круті кути променів, що призводить до втрати контрасту при використанні неполяризованого світла від плазмових джерел. На відміну від них, лазери на вільних електронах (FEL) природним чином генерують поляризоване світло, забезпечуючи максимальну точність зображення там, де це найважливіше. Їхній когерентний вузькосмуговий вихідний сигнал раніше вважався проблемою через спекл-ефекти, але в сучасній конструкції сканера ця проблема вирішується за допомогою оригінальної багатокомпонентної системи освітлення. Тепер це сприймається як можливість, що дозволяє застосовувати нові методи метрології in situ, які неможливі при використанні хаотичного світла від плазмових джерел.

Але найпереконливішим аргументом на користь ЛЕП є їхня масштабованість. У міру зменшення розмірів транзисторів стохастичні дефекти, що являють собою випадкові варіації експозиції малюнка через дефіцит фотонів, починають серйозно знижувати вихід придатних виробів. Є лише одне рішення: збільшення потужності. ЛЕП — єдина відома технологія, що відкриває шлях до багатокіловатного режиму. 

 Підвищення ефективності: ERL

Ключовою технологією, що забезпечує енергоефективність промислових лазерів на вільних електронах (FEL), є лінійний прискорювач з рекуперацією енергії (ERL). Після проходження електронного пучка через ондулятор і створення світла (втрачаючи лише незначну частку своєї енергії), він не викидається. Натомість він повертається назад через прискорювач, але з фазовим зсувом 180° відносно прискорювального поля резонаторів прискорювача. На фазі уповільнення електронний пучок передає більшу частину енергії, що залишилася, назад у резонатори прискорювача, де накопичена енергія потім використовується для прискорення наступної партії нових електронів. Цей процес рециркуляції підвищує енергоефективність усієї системи.

Економічні показники говорять самі за себе. Джерело LPP споживає 1,1 МВт для генерації 500 Вт EUV-випромінювання — 8,8 МВт потрібно для живлення восьми EUV-сканерів. На відміну від цього, установка FEL може забезпечити подачу 2000 Вт на кожен із восьми сканерів із високою числовою апертурою, споживаючи при цьому всього 4 МВт — у чотири рази більше світла при вдвічі менших витратах енергії. Заміна надпровідних резонаторів із чистого ніобію (Nb) у прискорювачі на Nb₃Sn _можеще більше знизити загальне енергоспоживання до 2 МВт, що зробить FEL більш ніж у 16 разів енергоефективнішим, ніж існуюче рішення. З огляду на відсутність багатомільйонних щорічних витрат на заміну колекторів, установка FEL не тільки технічно перевершує існуючі рішення, але й є конкурентоспроможною за вартістю, що значно скорочує експлуатаційні витрати всієї установки.

Можливо, найважливішим є безперервне переналаштування довжини хвилі лазера на вільних електронах (FEL). Плазмові джерела прив’язані до певних ліній випромінювання атомів — атомів олова у випадку сучасних систем LPP. Коли, або якщо, галузь перейде на 6,7 нм, олов’яну плазму доведеться замінити іншим елементом. Гадоліній є найімовірнішим кандидатом, хоча його токсичність створює проблеми з інтеграцією. FEL дозволяють уникнути цього, випромінюючи довжину хвилі, що регулюється енергією електронного пучка, що забезпечує прямий шлях до коротших довжин хвиль для субнанометрових вузлів і далі. 

Світло в кінці тунелю

Перехід до джерел УФ-випромінювання на основі прискорювачів є не просто незначним поліпшенням — це кардинальна зміна парадигми, настільки ж значна, як і перехід від ртутних ламп до ексімерних лазерів покоління тому. Піднявшись на вершину шкали яскравості, лазери на вільних електронах (FEL) забезпечують не тільки більше фотонів, але й кращі фотони: когерентні, поляризовані, енергоефективні (принаймні, відносно) і точно налаштовані на потрібний колір. Джерела світла на основі FEL — це наступний етап у прагненні до максимальної щільності транзисторів.  https://u.to/AgmtIg