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商用紧凑型加速器光源

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发表于 2021-03-02 11:53 | 显示全部楼层 |阅读模式

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https://zhuanlan.zhihu.com/p/227442090

商用的加速器公司多如牛毛,在辐照,X光等领域有广泛的应用。

发现一家做EUV加速器的:Lyncean Technologies, INC.

该公司主页,本文所有英文图片均引自其主页。

几个关键词:1kW EUV, accelerator based, high volume manufacturing,看到这个我当然不能忍了,得好好学习下了。

他们要研发1kW的EUV光刻光源,是基于紧凑型加速器光源(Compact Light Source),这个CLS如图

Compact Light Source

整个装置可以放到一个集装箱里,一辆卡车就能带走,做为加速器,确实非常紧凑。但是小归小,东西挺全,电子枪、加速管、速调管、波荡系统、真空系统、磁铁系统等等一个不少。

原理图

原理也易懂,用激光去撞击电子束,利用康普顿散射原理得到X射线,同样,也可以得到EUV


这个表就是主要参数,光子能量范围为8~35keV,光源叫laser light undulator,我觉得这个名字取得不好,感觉是去碰瓷undulator的(为什么这么说后面讲)。

我简单校核了下,这个参数没有问题。

用康普顿散射原理估算了下,要得到13.5nm的EUV,电子能量25MeV(这个CLS能得到的电子能量差不多就这个水平了),入射激光波长800nm(常用激光器波长)就可以得到了。

这么容易就得到了EUV,才一辆卡车大小,为什么日本人要去做EUV-FEL,那个可是200米乘20米那么大。

答案马上出现了:效率???康普顿散射可以用非常低能的电子得到非常高能的光子,但是,但是,但是(重要的要说三遍)产率感人。

按他们提供的参数表中的通量估算了下(按92eV算),这个CLS产出的EUV大概在毫瓦量级,要得到kW级的EUV,通量需要提高6次方,也就是100万倍。undulator的产出效率比这个高到不知道哪里去了。

100万倍啊,什么概念呢?我不善言辞表达,只能自己体会。

所以,我非常期待基于compact light suorce技术的1kW EUV光源的出现。

另外值得一提的是他们主页最近的新闻。


在2018年他们拿到了1千多万美金的投资(intel被额外提了下)。

我拭目以待。


光子吸收器与高频屏蔽波纹管/photon absorber & RF bellows


铬锆铜真空室吸收器/ CuCr1Zr chambers & photon absorber

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 楼主| 发表于 2021-03-02 11:54 | 显示全部楼层
使用同步加速器做为光刻机光源已经提出很多年了,同步辐射的优点很明显:可产生高功率光,无碎屑污染,可稳定出光;缺点也很明显:系统复杂、庞大、造价高昂、灵活性差、维护成本高。所以之前业界普遍认为同步辐射方案不可行,不可HVM(High Volume Manufactureing)。

但随着光刻光源发展到EUV阶段(典型的13.5nm波长),光源复杂性和造价都大幅度的提高,同时现阶段LPP(Laser Produced Plasma)的EUV光源功率偏低,目前做到的稳定功率在300W左右,例如Gigaphoton公司去年提出研发330W功率的LPP EUV光源。

因此,加速器系统复杂性、造价昂贵等缺点变得可以接受起来,以全相干的FEL(Free Electron Laser)装置为例,FEL因子通常可做到0.1%,也就是说,要得到10kW的EUV(92eV,对应13.5nm波长),束流功率做到10MW即可。

当然10MW的束流功率也是非常大的,这里可以对比下,上海硬X射线自由电子激光装置(SHINE)的束流功率约0.8MW,上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)的束流功率可以忽略不计。上海同步辐射光源(SSRF)的束流功率约700MW(200mA计),但SSRF是储存环,不是FEL,有很多其他的问题,储存环方案为何不适用于光刻的EUV光源以后我单开一篇文章写。

SHINE平均功率低不适用于EUV光源并不是SHINE的技术水平低,而是SHINE的科学目标不是做EUV光源,92eV的光子能量太低了,SHINE的束流能量达到了8GeV,可以很容易得到比92eV能量高得多得多的光子。对SHINE加速器装置做适当的修改(注意:不是改进)就可以做到高功率EUV,但这就不合算了,简单的道理就是没必要用SHINE这么强大的加速器去做如此低能的光源。

所以,可以专门的针对EUV(2至13.5nm波长)光源特性设计专门的加速器装置,也可以做到经济实惠,至少比SHINE的投资实惠。

Ryukou Kato桑的报告里提出使用能量回收型直线加速器做为EUV光源,使用800MeV电子能量,10mA的平均流强就能够得到9kW+的EUV,同时可以调节波荡器(Undulator)得到不同波长(3.4nm,13.5nm等),这种装置提供的EUV功率强悍,可以共多台光刻机同时使用(本文最开头的图片)。

KEK研究所已经在cERL装置上论证了此设计,期待不久的将来KEK实现该EUV-FEL装置的研发。

当然FEL出来的EUV还需要做处理才能用于光刻,以后再讲。

上图引自EUV-FEL workshop中Ryukou Kato的报告《Demonstration of high-repetition FEL using cERL and beyond EUV-FEL》
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 楼主| 发表于 2021-03-02 11:54 | 显示全部楼层
加速器的选型
首先谈加速器的选型。加速器本身的建设成本非常高,以上海光源(SSRF)为例,当年的投入约13亿人民币,这包括了加速器部分和光束线站部分,单就加速器本身我没有具体校核,估计占总投入的70%左右。如此高昂的投入理应得到高回报,所以我们可以把要求的EUV功率提到10kW量级。原因也很简单,基础投入在那里,得到1kW和10kW所需的投入差别不大(相较于体量),提到10kW更具性价比。

按0.1%的效率来说,要得到10kW量级的EUV,需要加速器束流平均功率达到10MW量级。束流的平均功率等于平均流强乘上电子能量,所以就有两种路径来提升束流平均功率,一是提升电子能量,二是提升平均流强。

这里就要涉及加速器的选型了,能够提供如此高平均功率的束流目前主要有两种模式:一是储存环,二是连续波直线加速器+自由电子激光(FEL)。这两种模式共同点都是用波荡器(undulator)来作为光源点。上述两种模式加速器在我所都有,SSRF就是第一种,SHINE就是第二种。两种的主要区别简单讲SSRF束流电子和电子间是不相干的,相干的是电子在不同磁场周期下的同步辐射光是相干的;FEL电子和电子间是相干的,即全相干。所以SSRF同步辐射光功率是与波荡器周期数n成正比,FEL是与n的平方成正比。这样显而易见的FEL的效率比储存环高多了。此外,我们的目标是要用于光刻,对于后面的光学传输系统而言,希望功率集中在特定波长(如13.5nm),带外功率要小,否则对光学传输系统造成极大的负载。储存环的同步辐射带外功率偏大,而FEL带宽极窄,效率更高。

由此可见,连续波直线加速器FEL装置更合适用于EUV光刻光源装置。

直线加速器装置简介
其实很简单,一个注入器,一个主加速器,再加上一个波荡器段(有的叫FEL 段)就行。注入器提供要求品质的电子束流,主加速器把电子束加速到所需能量,然后把电子束流引入波荡器段就可以出光了。波荡器本文先不谈,主要介绍下注入器和主加速器,这两部分的关键设备有三个,DC gun,注入器超导加速模组和主加速器超导加速模组

要有10MW的平均功率,得选择合适的平均流强和电子能量。以日本的EUV-FEL装置(文-1中所述)参数为例,KEK选择的是0.8GeV的电子能量和10mA的平均流强,合计8MW的束流平均功率。

这个参数可能反复论证过的,论证详情我不清楚,不过我可以讲讲这个参数的优点。第一个优点是平均流强适中(不好意思了,下面有些专用词得用英文了,用中文会导致不同的人理解不同)。10mA的平均流强意味着bunch charge不用太高,60pC即可,太高的bunch charge会导致emittance做不下来,适度的提升bunch repetition到162.5MHz即可到10mA的平均流强了。在这几个参数下,注入器中的DC gun和超导加速模组难度可控。

10mA的流强可以极大降低所需的电子能量(与SHINE的0.1mA流强比较),1GeV就行了。电子能量的提升需要主加速器的超导加速模组的数量来堆,在10mA下,一个模组可以提供约80MV的腔压,EUV-FEL所需的0.8GeV就要大概10个模组。当然,单个模组的腔压做高,所需模组数量可以降下来。超导加速模组造价给个参考,Fermi实验室的测试装置用3套模组,总价1500万美元。所以模组数量很大程度上决定了加速器造价。

这里不能用SHINE、LCLS II这种加速器128MV腔压的模组来计算,这两个加速器流强才0.1mA。

能量回收型直线加速器
Energy Recovery Linac,顾名思义,是要回收电子能量的。这一块内容特别多,后面单开一篇文章来讲为何EUV-FEL装置需要用ERL模式。
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 楼主| 发表于 2021-03-02 11:55 | 显示全部楼层
前面两篇文章讲到了使用加速来获得10kW的EUV装置的基本原理与可行性,专用加速器的主要参数选取以及工作类型。今天这边主要谈谈Energy Recovery LINAC,ERL。

上文提到了,EUV装置最有效的是使用直线加速器FEL,直线加速器简写LINAC(Linear Accelerator)。要得到10kW量级的EUV,束流平均功率需要达到10MW量级。这里一个问题就出现了:根据能量守恒,EUV光子带走的功率仅0.1%,那么剩下的99.9%的功率去哪里了?

哪都没去,还在束流身上。EUV光我们拿来用,但束流怎么办?这下就要面对10MW量级的电子束流了,如何处理剩下的束流变得不可能起来。通常加速器处理不需要的束流使用Beam Dump(有人叫束流垃圾桶,有人叫废束桶)。Beam Dump主要功能几个:把束流功率安全释放掉,有的风冷有的水冷;完全屏蔽束流,使之不能穿透Dump;屏蔽掉处理束流产生的辐射。

但10MW这个功率在我看来是非常恐怖的(常用激光切割的功率约10kW):束流截面尺寸非常小,微米量级的,那么束流面功率密度达到了1E18W/m2量级;束流能量非常高,1GeV左右,对应穿透能力强。文字不太好描述,毕竟我不是做科普的,不过大家可以先用几秒钟自己想象一个强力的激光刀,再看下一段。

这个束流比你刚才想象的要强很多。

与此同时,如果把这么高功率的束流废弃处理掉,也是很浪费的,这会导致整个加速器EUV装置电能消耗巨大,而且大部分是浪费了,毕竟浪费是可耻的。

ERL

这下就轮到ERL闪亮登场了,基本原理是让已经使用过的束团再返回直线加速器,把能量还给场,场再加速器下一个束团。加速器虽然叫加速器,做减速也没什么不可以,超导加速模组既可以给电子能量使之加速,也可以拿走电子的能量使之减速,简单的匹配相位即可。

早在2004年,美国Jlab(Thomas Jefferson National Accelerator Facility)实验室就用ERL实现了10kW的红外光,同时回收效率达99%以上。

下面这张图引自ERL2019 workshop,世界上个主要大国都有,或者在建、设计ERL装置。可以看到10MW那条线,只有位于那附近或者高于的装置才有可能用于EUV光刻。

EUV-FEL

这里简单介绍了日本KEK的EUV光刻专用装置。


这张图简单明了了装置的构成和主要参数,500kV的光阴极直流电子枪和注入器模组组成的注入器提供10MeV,10mA的束流,主加速器加速器至800MeV(8MW束流平均功率),Beam dump处理的束流功率0.1MW。

使用总长约100m的圆极化波荡器来得到10kW的EUV,加速器装置与Fab的关系如下,考虑到光刻制造的连续,加速器采用子母装置,提高可靠性。
最后放一张理论模型:

v2-6ba3ca431110eb55e5c7af997fa68110_r.jpg (121.67 KB, 下载次数: 0)

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2021-03-01 14:56 上传
加速器出来的EUV需要做处理,以我的理解光刻用的EUV应该是非相干光,所以得做去相干的处理,后面有空另开文章,此外日本这个EUV-FEL的细节也可以聊。

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CDer:000521875
发表于 2021-03-02 20:39 | 显示全部楼层
每个字都看懂了,就是放在一起,一脸焖逼
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CDer:000088239
发表于 2021-03-02 22:39 | 显示全部楼层
很好的干货,涨知识
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