CN110944446B - 电子束团储存环以及具有该电子束团储存环的极紫外光源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子束团储存环，该电子束团储存环包括若干偏转结构以及连接所述偏转结构的若干直线节，所述偏转结构和所述直线节共同形成适于电子束团持续环绕运行的环形结构，在电子束的运行方向上，每个偏转结构依次布置有前端匹配节、前端匹配单元、彼此连续布置的若干主单元、后端匹配单元以及后端匹配节。适当地布置该电子束团储存环中的各磁铁，使得匹配单元之外的所有二极铁内的色散函数积分值为零，并且，前端匹配单元的入口处以及后端匹配单元的出口处的色散函数及其导数值为零，并且，相邻的主单元的二极铁的交界处的色散函数的导数值为零。

Description

电子束团储存环以及具有该电子束团储存环的极紫外光源

技术领域

本发明涉及一种用于储存超短电子束团(比如束长100nm)的储存环。本发明还涉及一种具有这种储存环的、基于稳态微聚束的极紫外(EUV)光源，该极紫外光源用于产生超高功率极紫外激光，尤其适用于纳米芯片光刻应用等领域。

背景技术

随着人类社会信息化、智能化的深入发展，芯片制造技术成为一个国家的核心竞争力的重要体现。目前芯片技术已经向纳米尺度推进，基于极紫外(EUV)光源的光刻技术(简称EUV光刻技术)成为纳米芯片制造产业的关键核心，其中EUV光源功率是限制EUV光刻机用于大规模商业生产的主要技术限制。

目前世界范围内的EUV光刻机技术主要为荷兰ASML公司垄断，其EUV光源工作在波长13.5纳米，通过一台20kW/40kW的二氧化碳气体激光器轰击液态锡产生等离子体从而产生13.5纳米的EUV光，这一技术路线被称为“光生等离子体技术”(Laser-produced plasma，LPP)。其最新产品NXE3400B输出EUV功率250W，束长脉冲飞秒(fs)长度，重复频率1-100kHz。该功率水平刚好达到商用标准，还远不能满足整个芯片工业的需求。另外，该光源运行成本高、效率低、稳定性差、只能脉冲方式工作。芯片工业界迫切需要基于新原理的EUV光源出现。

科学界提出了多种区别于LPP-EUV光源的概念，其中可行性较高的是基于加速器驱自由电子激光(FEL)方案，其基本原理是：利用加速器产生的具有一定能量的相对论电子束，与波荡器(周期性排布的磁铁阵列)相互作用，辐射产生频率满足共振关系的高功率EUV光。加速器驱动的EUV激光源用于光刻，相比于LPP，自由电子激光极紫外光(FEL-EUV)的主要优点是平均功率大、光束质量好、可拓展新的更短波长的光刻技术。理论上FEL-EUV光源的平均功率可达到kW量级，而LPP技术因为气体激光器的功率限定也很难将功率进一步加大到1kW以上。

尽管基于加速器的FEL-EUV光源极具潜力，也是目前国际加速器领域的研究热点之一，但目前的FEL-EUV装置概念中，还没有一个成熟的，可以同时满足高功率相干、连续波、造价可接受、同时物理上可行的EUV光源方案与总体装置设计。其困难主要在于：为了产生高平均功率、高转换效率的EUV光源，必须产生高重复频率驱动FEL的电子束，并尽可能使得电子束和波荡器多次作用，提高束流的利用率。目前加速器按照束线方式主要分为直线加速器、环形加速器和能量回收性加速器。直线加速器为了实现高的重复频率，必然要采用超导技术以承担高重频束流带来热负载，因此造价高昂，同时由于束流直线通过波荡器只利用一次，束流的利用率很低。能量回收加速器可以提高束流利用效率，但束流注入段部分依然需要采用高重频的超导技术，增加了造价成本。因此从造价成本上环形加速器成为首选。但是另一方面，获得高功率相干FEL-EUV的关键之一是必须要从加速器物理设计中获得束长小于辐射波长的电子束微聚束(对于13.5纳米的EUV波长，相干辐射所需的驱动电子束为束长纳米量级长度的微聚束)，只有纳米量级长度的微聚束的形成才能在波荡器辐射段中产生相干的高功率EUV辐射。而环形加速器由于自身的束流物理问题，如束流在偏转磁铁中的量子激发效应等，难以稳定存储纳米量级长度的微聚束。

综上所述，目前的kW量级极紫外(EUV)光源存在空白，基于加速器的FEL-EUV光源具有极大潜力，但尚没有一个可以同时满足高功率相干、连续波、造价可接受，同时物理可行的完整的EUV光源方案与总体装置设计。

在加速器领域的现有设计中，储存环包括偏转结构和直线节，偏转结构中在主单元前后对称地布置匹配段，该匹配段包括匹配单元和匹配节，直线节中则适于布置辐射器及相关的调制段、波荡器、增能段，等等。通常，希望将各个偏转结构中的色散函数积分设定为零。但在任何现有技术的公开内容中，并没有披露要使偏转结构内的单块磁铁内的色散函数积分为零。

为了在储存环中储存超短电子束团，例如小于100nm，必须做到全环的动量压缩因子几乎为零。然而由于束团的拉长效应正比于全环的动量压缩因子与局部的动量压缩因子的平方和的平方根，当全环的动量压缩因子趋近于零之后，局部的动量压缩因子对束团的拉长效应就不能忽略，因此也需要尽可能减小局部的动量压缩因子。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种电子束团储存环，该电子束团储存环包括若干偏转结构以及连接所述偏转结构的若干直线节，所述偏转结构和所述直线节共同形成适于电子束团持续环绕运行的环形结构，其中，在电子束的运行方向上，每个所述偏转结构依次布置有前端匹配节、前端匹配单元、彼此连续布置的若干主单元、后端匹配单元以及后端匹配节；其中，每个主单元包括布置在两端的前端二极铁和后端二极铁以及布置在中央的若干四极铁和六极铁；前端匹配单元和后端匹配单元分别包括布置在两端的前端二极铁和后端二极铁和布置在中央的若干四极铁和六极铁；前端匹配节和后端匹配节则分别仅包括若干四极铁和六极铁，用于对储存环内的光学函数和周期数进行微调；其中，所述直线节被设计为适于放置电子束注入装置、电子束引出装置、激光供能系统、激光调制器、激光反调制器或辐射器中的至少一个；其中，适当地布置该电子束团储存环中的各磁铁，使得：相邻的所述主单元的相邻的前端二极铁和后端二极铁内的色散函数积分值为零，且每个前端匹配单元的后端二极铁与相邻的首个所述主单元的前端二极铁内的色散函数积分值为零，且每个后端匹配单元的前端二极铁与相邻的末位主单元的后端二极铁内的色散函数积分值为零；并且，所述前端匹配单元的前端二极铁的入口处的色散函数及其导数值为零，且所述后端匹配单元的后端二极铁的出口处的色散函数及其导数值为零，因此整个偏转结构形成一个消色散结构；并且，相邻的所述主单元的相邻的前端二极铁和后端二极铁交界处的色散函数的导数值为零。

为了减小储存环中电子束团的纵向长度，将各个偏转结构整体中的色散函数积分设定为零的期望和技术手段都是公知的。偏转结构中的色散函数积分设定为零使得进入和离开偏转结构的电子束流能够与直线节自然衔接。但本发明的技术方案进一步致力于使偏转结构中的除匹配段之外的所有单块二极铁中的色散函数积分为零以实现超低的全环动量压缩因子，同时局部动量压缩因子自然变得很小，并进一步优化二阶动量压缩因子。

因此，本发明提出的上述电子束团储存环进一步要求相邻的所述主单元的相邻的前端二极铁和后端二极铁内的色散函数积分值为零，且每个前端匹配单元的后端二极铁与相邻的首个所述主单元的前端二极铁内的色散函数积分值为零，且每个后端匹配单元的前端二极铁与相邻的末位主单元的后端二极铁内的色散函数积分值为零，也就是除匹配段之外的所有单块二极铁内的色散函数积分值为零，从而压低全环动量压缩因子。

另外，局部动量压缩因子与色散函数的最大值正相关。因此，使前、后端匹配单元的入口处的色散函数及其导数值为零且使相邻的所述主单元的相邻的前端二极铁和后端二极铁交界处的色散函数的导数值为零，也就压低了色散函数的最大值，从而降低了局部动量压缩因子。

通过调整参数，可以满足单块磁铁内色散函数积分值为零的条件。可以考虑的调节参数包括：磁铁的排布方式、磁铁之间直线段的长度、四极铁长度、四极铁个数、四极铁强度。

匹配单元和匹配节用于使长直线节内成为无色散区域，匹配节通过调节两组四极铁对整个结构进行微调。使它的入口或出口处的色散函数及其导数仍然同时为零而匹配节内部的两组六极铁则负责调节储存环的非线性动力学的，也即调整动力学孔径。

优选的是，在上述技术方案中，相邻的二极铁共同组成一块磁铁，此时希望该磁铁内的色散函数积分值为零。例如，至少一对相邻的所述主单元的相邻的前端二极铁和后端二极铁共同组成一块磁铁，且该磁铁内的色散函数积分值为零。或者，至少一个前端匹配单元的后端二极铁与相邻的首个所述主单元的前端二极铁共同组成一块磁铁，且该磁铁内的色散函数积分值为零。或者，至少一个后端匹配单元的前端二极铁与相邻的最后一个所述主单元的后端二极铁共同组成一块磁铁，且该磁铁内的色散函数积分值为零。

优选的是，所述前端匹配单元和所述后端匹配单元内的磁铁排列关于所述主单元镜像对称地布置在两侧。类似地，亦优选的是，所述前端匹配节和所述后端匹配节内的磁铁排列关于所述主单元镜像对称地布置在两侧。镜像对称的设计有利于简化参数调节。

在一种优选的实施形式中，所述电子束团储存环包括相同的四个对称的所述偏转结构。优选的是，每个偏转结构由八个相同的主单元组成。更优选的是，所述前端匹配节和所述后端匹配节分别由至少两组四极铁和至少两组六极铁组成。优选的是，所述前端匹配单元和所述后端匹配单元的四极铁分别大于或等于四组。优选的是，所述主单元的四极铁、六极铁分别大于或等于三组。

附图说明

下面结合附图阐释本发明的实施例。在附图中：

图1示意性地示出了电子束团储存环的整体结构；

图2示意性地示出了单个偏转结构的磁铁排列布置；

图3示意性地示出了主单元中的磁铁排列布置；

图4示意性地示出了匹配单元中的磁铁排布；

图5示意性地示出了匹配节中的磁铁排布；

图6示意性地示出了主单元中二极铁内的色散函数分布。

具体实施方式

图1示意性地示出了电子束团储存环的整体结构。在此实施例中，电子束团储存环由四个对称的偏转结构和四段长直线节组成。在直线节上放置电子束流注入装置、电子束流引出装置、激光供能系统、激光调制器、激光反调制器以及辐射器(尤其是极紫外激光辐射器)，或者普通的辐射器用来产生高功率的x射线。

图2示意性地示出了单个偏转结构的磁铁排列布置。该偏转结构的两端与未充分示出的直线节相连。在此实施例中，单个对称偏转结构由两个镜像对称的匹配单元、两个镜像对称的匹配节和八个主单元组成。中间是八个主单元，八个主单元的两侧是镜像对称的前、后端匹配单元，更外侧是镜像对称的前、后端匹配节。

图3、图4、图5分别示意性地示出了主单元、图2中左侧的匹配单元(前端匹配单元)，图2中左侧的匹配节的磁铁排列布置(前端匹配节)。右侧的匹配单元和右侧的匹配节的磁铁排列布置则分别是图4、图5的镜像结构。

在主单元中，如图3所示，Q1，Q2，Q3是三组不同的四极铁，S1，S2，S3，S4是四组不同的六极铁，B₁是二极铁。由于主单元之间是没有直线节直接相连的，所以实际上两块B₁共同组成一块二极铁。

在匹配单元中，如图4所示，Q4，Q5，Q6，Q7，Q8，Q9是六组不同的四极铁，S5，S6，S7，S8是与主单元中的六极铁S1，S2，S3，S4相同的四组六极铁，B₁是与主单元中相同的二极铁，Bm也是二极铁，与B₁略有不同。

在匹配节中，QFS，QDS是两组不同的四极铁，SFS，SDS是两组不同的六极铁。所有连接在磁铁之间的直线都是直线节。

图6示出了本发明的电子束团储存环中单块二极铁内希望达到的色散函数分布。单块的磁铁内色散函数的积分在图6中对应于色散函数η(s)与s轴所围成的面积S1与S2的和为0(或S3与S4的和为0)。图中的曲线表示色散函数在两块都是B₁的磁铁内部的走势。中间的竖线表示两块磁铁的交界处。该交界处对应于图2中任意两个主单元以及主单元与匹配单元的交界处。不管是在单块的B₁磁铁还是由两块B₁组成的磁铁中，都满足色散函数的积分为零。由于电子束团储存环中大部分都是B₁磁铁，在匹配单元中的B_m磁铁数目很少，全环总共八块，所以可以保证全环的动量压缩因子基本为0。为了同时保证较小的局部动量压缩因子，我们使交界处，即图6中的o点，同时也是图6中的对称中心处的色散函数的导数η₀′＝0，这样可以保证在磁铁中色散函数绝对值的最大值尽可能小，也就尽可能减小了局部动量压缩因子。以图6中右侧的磁铁B₁为例，因为知道了入口处的色散函数η₀，η₀′之后，在磁铁内任意点的色散函数就确定了，又已知在单块磁铁中色散函数积分为零，入口处色散函数导数为零，可以求得在该磁铁入口处的色散函数

也即交界处O点的色散函数为该确定值。其中ρ是磁铁偏转半径，θ₀是磁铁的偏转角度。二极铁的长度和数目确定以后，这个值就是确定的，所以在储存环设计时，通过调整主单元中三块四极铁的参数，可以保证这个条件得到满足。在这里，可以调节的参数不仅仅包括磁铁的排布方式，亦可以适当改变磁铁之间直线段的长度，适当改变四极铁长度，适当增加不同的四极铁个数，都可以使这个条件得到满足。

匹配单元和匹配节是为了使长直线节内成为无色散区域。因此对于图2中左侧的匹配单元来说，应使匹配单元入口处的二极铁B_m的入口处的色散函数及其导数η_m，η_m′同时为零。为了使B_m出口处的色散函数不至于太大，选取了B_m的偏转角度θ_m大约为B1的偏转角度θ₀的0.65倍。这个倍数θ_m/θ₀还可以取0到1之间的其他值，选的越小，局部动量压缩因子就越小。在匹配单元中，也是通过调节六组四极铁Q4，Q5，Q6，Q7，Q8，Q9的参数来保证入口处的色散函数及其导数同时为0。同样，各磁铁之间的直线段长度也是可调的，四极铁也不一定需要六组。事实上，除了入口处的色散函数及其导数之外，水平和垂直方向的周期数也是要保证为某个确定值的，所以在匹配单元中，大于等于四组四极铁就可以满足条件。

匹配节则通过调节两组四极铁QFS和QDS对整个结构进行微调，使它的入口或出口处的色散函数及其导数仍然同时为0。当然在匹配节内部，色散函数也是几乎处处为0的，所以在匹配节内部的两组六极铁SFS和SDS是负责调节储存环的非线性动力学的，也即调整动力学孔径。

此外，在主单元和匹配单元中的各四组六极铁S1，S2，S3，S4和S5，S6，S7，S8分别是用来同时调节储存环的水平方向色品，垂直方向色品以及二阶动量压缩因子的。事实上，最少三组不同的六极铁就够用来调整这三个参数了，使用四组是为了有更多的自由度去控制非线性动力学。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，但是本领域的普通技术人员可以理解：在不背离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换、变型以及任意组合，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

附图标记列表

100 电子束团储存环

110 偏转结构

120 直线节

210 电子束注入装置

220 电子束引出装置

230 激光供能系统

240 激光调制器

250 激光反调制器

260 辐射器

112 主单元

114 匹配单元

116 前端匹配节

118 前端匹配单元

119 后端匹配单元

122 后端匹配节；

B1,Bm 二极铁

Q1，Q2，Q3 主单元的四极铁

S1，S2，S3，S4 主单元的六极铁

Q4，Q5，Q6，Q7，Q8，Q9 匹配单元的四极铁

S5，S6，S7，S8 匹配单元的六极铁

QFS，QDS 匹配节的四极铁

SFS，SDS 匹配节的六极铁

Claims (13)

1.一种电子束团储存环，该电子束团储存环包括若干偏转结构以及连接所述偏转结构的若干直线节，所述偏转结构和所述直线节共同形成适于电子束团持续环绕运行的环形结构，其中，在电子束的运行方向上，每个所述偏转结构依次布置有前端匹配节、前端匹配单元、彼此连续布置的若干主单元、后端匹配单元以及后端匹配节；

其中，每个主单元包括布置在两端的前端二极铁和后端二极铁以及布置在中央的若干四极铁和六极铁；前端匹配单元和后端匹配单元分别包括布置在两端的前端二极铁和后端二极铁和布置在中央的若干四极铁和六极铁；前端匹配节和后端匹配节则分别仅包括若干四极铁和六极铁，用于对储存环内的光学函数和周期数进行微调；

其中，所述直线节被设计为适于放置电子束注入装置、电子束引出装置、激光供能系统、激光调制器、激光反调制器或辐射器中的至少一个；

其特征在于，适当地布置该电子束团储存环中的各磁铁，使得

相邻的所述主单元的相邻的前端二极铁和后端二极铁内的色散函数积分值为零，且每个前端匹配单元的后端二极铁与相邻的首个所述主单元的前端二极铁内的色散函数积分值为零，且每个后端匹配单元的前端二极铁与相邻的末位主单元的后端二极铁内的色散函数积分值为零，并且，

所述前端匹配单元的前端二极铁的入口处的色散函数及色散函数的导数值为零，且所述后端匹配单元的后端二极铁的出口处的色散函数及色散函数的导数值为零，并且，

相邻的所述主单元的相邻的前端二极铁和后端二极铁交界处的色散函数的导数值为零。

2.根据权利要求1所述的电子束团储存环，其特征在于，

至少一对相邻的所述主单元的相邻的前端二极铁和后端二极铁共同组成一块磁铁，且该磁铁内的色散函数积分值为零。

3.根据权利要求1所述的电子束团储存环，其特征在于，

至少一个前端匹配单元的后端二极铁与相邻的首个所述主单元的前端二极铁共同组成一块磁铁，且该磁铁内的色散函数积分值为零。

4.根据权利要求1所述的电子束团储存环，其特征在于，

至少一个后端匹配单元的前端二极铁与相邻的最后一个所述主单元的后端二极铁共同组成一块磁铁，且该磁铁内的色散函数积分值为零。

5.根据权利要求1所述的电子束团储存环，其特征在于，通过调节以下参数中至少之一，实现单块磁铁内色散函数积分值为零：磁铁的排布方式、磁铁之间直线段的长度、四极铁长度、四极铁个数、四极铁强度。

6.根据权利要求1所述的电子束团储存环，其特征在于，所述前端匹配单元和所述后端匹配单元内的磁铁排列关于所述主单元镜像对称地布置在两侧。

7.根据权利要求1所述的电子束团储存环，其特征在于，所述前端匹配节和所述后端匹配节内的磁铁排列关于所述主单元镜像对称地布置在两侧。

8.根据权利要求6或7所述的电子束团储存环，其特征在于，所述电子束团储存环包括相同的四个对称的所述偏转结构。

9.如权利要求8所述的电子束团储存环，其特征在于，每个偏转结构由八个相同的主单元组成。

10.如权利要求8所述的电子束团储存环，其特征在于，所述前端匹配节和所述后端匹配节分别由至少两组四极铁和至少两组六极铁组成。

11.如权利要求8所述的电子束团储存环，其特征在于，所述前端匹配单元和所述后端匹配单元的四极铁分别大于或等于四组。

12.如权利要求8所述的电子束团储存环，其特征在于，所述主单元的四极铁、六极铁分别大于或等于三组。

13.一种包括如权利要求1至12中任一项所述电子束团储存环的极紫外光源。

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