一种基于储存环与振荡器的极紫外光源装置

本发明属于极紫外光源领域，具体涉及一种基于储存环与振荡器的极紫外光源装置。

背景技术：

1、信息时代下，手机、电脑等设备已经逐渐成为我们生活中的“必需品”，而这些电子设备中的芯片也得到了快速的发展。由摩尔定律，随着半导体的不断发展，集成电路上的晶体管数目不断增加，因此，需要不断提高制造更小制程芯片的技术。当前，芯片制造制程已经达到纳米尺度，而制造产生极紫外(euv)光源的光刻机无疑是实现大规模制造7纳米及更小节点集成电路的关键技术之一。

2、目前世界上唯一的商业化的euv光刻机供应商是荷兰的asml公司，原理为激光等离子体(laser-producedplasma，lpp)产生euv光源，即高功率的二氧化碳脉冲激光轰击液态锡，产生等离子体，发出euv光。目前，该技术可以在中心焦点处产生350w左右的euv光，未来在进一步发展下，最高可以达到500w的功率。此功率下，勉强可以实现3纳米集成电路的制造，但是却不能满足3纳米以下芯片制程的大规模制造需求。因此，高端芯片制造行业急需高功率euv光源的光刻机产品。

3、学术界提出了多种基于相对论电子束的加速器euv光源装置思路，但是目前尚没有同时满足造价相对可接受且物理上可行的、相干的、高平均功率euv光源的具体设计方案。提高euv光源的平均功率需要产生高重复频率的相对论电子束，直线型加速器为了提高平均功率需要采用超导技术，造价高昂，同时电子束只利用一次，这会增加装置的运行成本；能量回收型方案中，电子束利用一次后能量被回收用于另一电子束加速，但是束流注入段需要采用超导技术，造价依然高昂；基于储存环与自由电子激光的euv光源装置，可以结合储存环与自由电子激光的优点，但是由于储存环能散高、峰值流强小，同时自由电子激光段需要的电子束发射度小于衍射极限、能散小于皮尔斯参数，因此结合难度大，传统方案下，为了达到高平均功率，自由电子激光段中的波荡器往往会很长，这会增加装置的造价与建设难度。

4、综上所述，目前芯片制造行业急需千瓦级高功率极紫外光源，基于储存环与自由电子激光的euv光源拥有巨大潜力，但是尚没有满足造价相对可接受且物理上可行的、相干的、高平均功率的极紫外光源。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于储存环与振荡器的极紫外光源装置，从而在造价上相对可接受且物理上可行，提供的光相干，且平均功率达到500w-10kw。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种基于储存环与振荡器的极紫外光源装置，包括电子储存环、以及与电子储存环连接以形成电子束回路的振荡器段，所述振荡器段包括波荡器和谐振腔，所述谐振腔包括至少两个腔镜，且波荡器的入口对准一个腔镜，波荡器的出口对准另一个腔镜；所述波荡器设置为接收来自电子储存环的电子束和来自谐振腔的极紫外光，使得电子束与极紫外光相互作用，电子束形成群聚，以通过集体同步辐射产生更高功率的极紫外光；所述谐振腔设置为使波荡器产生的一部分极紫外光通过腔镜到达所述波荡器的入口，使这部分极紫外光作用于波荡器入口处的电子束，并使得波荡器产生的另一部分极紫外光输出。

3、所述储存环采用电子能量为百mev量级的储存环，电子束在电子储存环中的重复频率为几十mhz至几百mhz，所述电子储存环中的电子束的自然发射度小于衍射极限，能散小于波荡器辐射段的皮尔斯参数。

4、所述振荡器段为电子储存环的插入装置，所述振荡器段的上游和下游各连接一个磁聚焦传输结构，并且两个磁聚焦传输结构均直接与所述电子储存环连接；或者，所述电子储存环上设有第一冲击磁铁和第二冲击磁铁，所述振荡器段位于电子储存环的外部并通过第一冲击磁铁和第二冲击磁铁来与电子储存环连接并形成回路，第一冲击磁铁和第二冲击磁铁设置为以一固定频率将电子束注入到振荡器段，并且所述固定频率为电子束在电子储存环经过指定的回旋圈数的时长作为周期时对应的频率值；所述振荡器段的上游和下游各连接一个磁聚焦传输结构，并且两个磁聚焦传输结构分别与第一冲击磁铁和第二冲击磁铁连接。

5、所述波荡器为常规波荡器；或者，所述波荡器为横向梯度波荡器，且所述磁聚焦传输结构设置为对电子束引入色散。

6、所述电子储存环包括增能段和扭摆器，所述增能段设置为补充所述电子储存环内的电子束在振荡器段减少的能量，所述扭摆器设置为使得所述电子储存环内的电子束在同步辐射时受到的辐射阻尼和量子激发的共同作用下能散减小，以抵消电子束在振荡器段的能散增加。

7、所述增能段为微波射频腔加速单元。

8、所述谐振腔由两个腔镜组成，所述上游腔镜不带小孔，下游腔镜为中心带有小孔的反射镜，所述谐振腔为球面共焦腔，球面共心腔或球面近共心腔；或者，所述谐振腔由四个腔镜组成，四个腔镜分别为波荡器的入口所对准的上游腔镜、波荡器的出口所对准的下游腔镜、以及位于波荡器的同一侧面且连线平行于所述波荡器的长度方向的第三腔镜和第四腔镜，下游腔镜、第三腔镜、第四腔镜和上游腔镜沿极紫外光的光路走向依次排布并形成光回路；下游腔镜为带有小孔的反射镜，第三腔镜、第四腔镜和上游腔镜不带小孔。

9、所述腔镜的大小大于电子束在波荡器中产生的极紫外光的光斑大小；所述腔镜上的镀膜使得腔镜对极紫外光的反射率大于60％。

10、若在反射角为0度时，腔镜对极紫外光的反射率大于60％，且反射角在其他不为0的任意指定角度时的反射率小于60％，则所述谐振腔由两个腔镜组成；若在反射角为0度时腔镜对极紫外光的反射率小于60％，且反射角在某一指定角度时腔镜对极紫外光的反射率大于60％，则所述谐振腔由四个腔镜组成，且极紫外光在腔镜上的反射角度为所述指定角度；若在反射角为0度时腔镜对极紫外光的反射率以及反射角在不为0的某一指定角度时的反射率均大于60％，则所述谐振腔由两个腔镜组成或由四个腔镜组成。

11、本发明的基于储存环与振荡器的极紫外光源装置采用电子储存环提供的高重频电子束，在波荡器中发生周期扭摆运动，其能散平方的增长变化为10-10-10-8量级(电子束条件变化时，其能散平方的增长变化会产生变化)，并产生kw量级的极紫外光，产生的极紫外光中大部分通过小孔耦合输出，少部分经过下游腔镜和上游腔镜反射后作用于波荡器入口处的另一电子束，因此，实现了造价相对可接受且物理上可行的、相干的、平均功率达到500w-10kw、基于电子储存环自由电子激光的极紫外光源。与现有技术相比，本发明将电子储存环与自由电子激光中的振荡器相结合，利用电子储存环的高重复频率的优点，有效地输出达到kw量级平均功率的极紫外光。同时，在振荡器中，谐振腔将产生的部分极紫外光通过反射传递到波荡器入口处，与另一到达波荡器入口处电子束相互作用，从而缩短波荡器的长度。

技术特征：

1.一种基于储存环与振荡器的极紫外光源装置，其特征在于，包括电子储存环、以及与电子储存环连接以形成电子束回路的振荡器段，所述振荡器段包括波荡器和谐振腔，所述谐振腔包括至少两个腔镜，且波荡器的入口、出口各对准一个腔镜；

2.根据权利要求1所述的一种基于储存环与振荡器的极紫外光源装置，其特征在于，所述储存环采用电子能量为百mev量级的储存环，电子束在电子储存环中的重复频率为几十mhz至几百mhz，所述电子储存环中的电子束的自然发射度小于衍射极限，能散小于波荡器辐射段的皮尔斯参数。

3.根据权利要求1所述的一种基于储存环与振荡器的极紫外光源装置，其特征在于，所述振荡器段为电子储存环的插入装置，所述振荡器段的上游和下游各连接一个磁聚焦传输结构，并且两个磁聚焦传输结构均直接与所述电子储存环连接；

4.根据权利要求3所述的一种基于储存环与振荡器的极紫外光源装置，其特征在于，所述波荡器为常规波荡器；或者，所述波荡器为横向梯度波荡器，且所述磁聚焦传输结构设置为对电子束引入色散。

5.根据权利要求1所述的一种基于储存环与振荡器的极紫外光源装置，其特征在于，所述电子储存环包括增能段和扭摆器，所述增能段设置为补充所述电子储存环内的电子束在振荡器段减少的能量，所述扭摆器设置为使得所述电子储存环内的电子束在同步辐射时受到的辐射阻尼和量子激发的共同作用下能散减小，以抵消电子束在振荡器段的能散增加。

6.根据权利要求5所述的一种基于储存环与振荡器的极紫外光源装置，其特征在于，所述增能段为微波射频腔加速单元。

7.根据权利要求1所述的一种基于储存环与振荡器的高平均功率极紫外光源装置，其特征在于，所述谐振腔由两个腔镜组成，所述上游腔镜不带小孔，下游腔镜为中心带有小孔的反射镜，所述谐振腔为球面共焦腔，球面共心腔或球面近共心腔；

8.根据权利要求7所述的一种基于储存环与振荡器的高平均功率极紫外光源装置，其特征在于，所述腔镜的大小大于电子束在波荡器中产生的极紫外光的光斑大小；所述腔镜上的镀膜使得腔镜对极紫外光的反射率大于60％。

9.根据权利要求8所述的一种基于储存环与振荡器的高平均功率极紫外光源装置，其特征在于，若在反射角为0度时，腔镜对极紫外光的反射率大于60％，且反射角在其他不为0的任意指定角度时的反射率小于60％，则所述谐振腔由两个腔镜组成；

技术总结
本发明提供一种基于储存环与振荡器的极紫外光源装置，包括电子储存环、以及与电子储存环连接以形成电子束回路的振荡器段，振荡器段包括波荡器和谐振腔，谐振腔包括至少两个腔镜，且波荡器的入口、出口各对准一个腔镜；波荡器设置为接收来自电子储存环的电子束和来自谐振腔的极紫外光，使得电子束与极紫外光相互作用，以产生极紫外光；所述谐振腔设置为使波荡器产生的一部分极紫外光通过腔镜到达所述波荡器的入口，使这部分极紫外光作用于波荡器入口处的电子束，并使得波荡器产生的另一部分极紫外光输出。本发明的极紫外光源装置在造价上相对可接受且物理上可行，提供的光相干，且平均功率达到500W‑10kW。

技术研发人员：邓海啸,何昌超,黄楠顺
受保护的技术使用者：中国科学院上海高等研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16