超紫外光源可满足芯片制造商未来的光刻需求

柏林亥姆霍兹中心（HZB）、清华大学和德国联邦物理技术局（PTB）的科学家们正在为未来的相干紫外辐射源——稳态微束（SSMB）奠定基础。据研究人员称，SSMB可以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）环境中提供千瓦（kW）级的平均功率辐射。

由于半导体制造商需要更短的波长来蚀刻更小的结构，SSMB可以满足现有加速器技术无法满足的光刻应用的功率级需求。它还可以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。

脉冲激光与电子束共同传播，穿过MLS U125减速器并施加能量调制。在电子束的后续传输过程中，同一个衰减器充当辐射器。衰减器的辐射由一个快速光电二极管检测，而激光脉冲则通过一个电子光学开关被阻挡在检测路径之外
 

当超高速电子发生偏转时，它们会发出同步辐射，这种辐射可用于磁性迫使粒子进入封闭路径的存储环中。这种纵向不相干的光包含宽广的波长谱，其亮度高，是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，但这会使辐射功率降低许多数量级。

2010年，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比它们发出的光的波长短，发出的辐射就会变得连贯且更强。研究员Xiujie Deng也是目前研究小组的成员之一，他为一种特定类型的带低α环的圆形加速器定义了SSMB设置。这些环形加速器在与激光相互作用后，会产生只有1微米长的短粒子束。

研究员Arnold Kruschinski说：你需要知道，存储环中的电子并不是均匀分布的。它们成串移动，典型的长度约为1厘米，距离约为60厘米。这比2010年研究中提出的微束要大6个数量级。

2021年，研究人员利用他们认为是首个专为低α操作设计的存储环，验证了Deng创建的设置。通过大量实验，研究小组现在已经完全验证了Deng生成微囊的理论。Kruschinski说：对我们来说，这是通往新型SSMB辐射源的重要一步。

研究小组的系统研究是在一项正在进行的原理验证实验中进行的。在该实验中，1064纳米激光施加的能量调制产生了微束。目前取得的结果证实了微束过程对激光调制振幅的依赖性，以及微束机制理论描述的准确性。

项目经理Jörg Feikes（左）和研究员 Arnold Kruschinski在BESSY II和MLS的控制室内

结果进一步表明，横向-纵向耦合动力学的影响符合研究小组的理论预期，并且可以进行高精度的操作。最有可能实现高功率超紫外辐射的SSMB方案是基于利用横向-纵向耦合动力学来产生高效微束。

从具有兆赫兹（MHz）范围高重复率的电子存储环开始，SSMB有可能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，在环形加速器中形成持久的微束。这样就能产生高平均功率的相干辐射。如果采用合适的高次谐波生成方案，所产生辐射的波长可达到极紫外波段，从而产生适合光刻技术的极紫外辐射源。SSMB 还可作为高亮度、窄带宽紫外线辐射源，用于角度分辨光发射光谱分析。

尽管人们一直在努力提高自由电子激光器（FELs）产生超短、高峰值功率辐射脉冲直至硬X射线的能力，但自由电子激光器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。

研究小组认为，SSMB理论关键部分的确认为继续开展原理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SSMB实验的准备工作正在进行中。HZB项目经理Jörg Feikes认为，将SSMB作为实际的EUV辐射源引入还需要一段时间。

他认为，SSMB的发展与FEL的发展有一些相似之处。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。这种发展是非常长期的。它始于一个想法，然后是一个理论，然后有实验者逐步实现它，SSMB也将以同样的方式发展。