替代EUV光刻机光源，日本方案详解

1.引言

众所周知，根据摩尔定律，每块芯片的晶体管数量几乎每两年翻一番。光刻分辨率R取决于光源波长λ、数值孔径NA和工艺参数 k1，如下所示、

为了保持摩尔定律的有效性，光源波长逐渐变得越来越短，这是因为分辨率与波长成线性比例。EUV光刻波长为13.5 nm，符合Mo/Si多层反射镜的反射率。几年前为了实现高批量生产(HVM)，在EUV光刻技术中开始使用250 W激光产生的等离子体(LPP)源。在LPP光源中，由CO2驱动激光器和锡液滴产生的锡等离子体为具有EUV光源的光刻机系统提供强烈的EUV光。锡的碎屑对反射式集光镜的污染是该系统的主要问题之一。EUV光刻的另一个问题是随机效应。在极紫外光刻技术中，由于光子能量高得多，在相同剂量下，晶片上单位面积吸收的光子数要比准分子激光器少得多。如果曝光能量不足，晶圆上会出现随机图案缺陷。为了抑制在很高产能吞吐量的情况下的EUV随机效应，需要很高的EUV功率。对于未来光刻机的最大产能吞吐量，需要估算出减轻随机效应所需的EUV功率。3nm节点所需的EUV功率大于1.5 kW, 2nm节点所需的EUV功率大于2.8 kW。因此，未来EUV光刻技术将需要更强大的EUV光源。

自由电子激光器（FELs）大致分为两种类型，即振荡器型FEL和自发辐射（SASE）型FEL。在振荡器型FEL中，来自电子加速器的电子束在一个螺旋波管内发出光，与振荡器中存储的光相互作用，并放大FEL光。然而，由于短波光的镜面反射率较低，谐振型FEL的波长被限制在大约100纳米以上。在自发辐射SASE型FEL中，高质量的电子束通过加速器自发辐射，在一个波荡管内自放大，无需振荡器和外部种子光。这种类型特别适用于EUV自由电子激光（EUV-FEL）等短波长FEL。用于SASE-FEL的线性加速器（直线加速器）也分为两种，即常规导体（NC）和超导体（SC）直线加速器。常规导体直线加速器用于许多FEL设施，如LCLS、SACLA、FERMI、SwissFEL、PAL-XFEL等，但电子束的平均电流受热负荷限制，通常不超过约100 nA，以避免加速器腔体的变形。相比之下，超导体直线加速器由于热负荷极低，具有更高的束团重复频率和平均电流（通常为几十微安），目前在FLASH和European XFEL中运行，并将用于LCLS-II和SHINE项目。超导体直线加速器更适合高功率FEL。

能量回收线性加速器（ERLs）相比上述没有能量回收的普通直线加速器，能提供更强大的FEL驱动能力。图1显示了普通直线加速器和ERL的示意图。在普通直线加速器中，加速的电子束在FEL发射后立即被抛弃。相比之下，在ERL中，通过循环回路将加速的电子束返回主直线加速器，减速至接近初始注入能量，进行能量回收，然后抛弃电子束。注入器中的低能量束和循环回路中的高能量束交替通过主直线加速器的加速和减速RF射频阶段。因此，主直线加速器中的加速能量得到回收，抛弃的束团功率和活化电子被大幅减少。因此作为结果，ERL可以实现更高的束团重复频率和平均电流（通常为0.1到10毫安），以提供更高的FEL功率。目前或曾经运行的几个10至160兆电子伏特的ERL包括Jefferson Laboratory的ERL-FEL、BINP的Novosibirsk ERL和Daresbury Laboratory的ALICE。例如，Jefferson Laboratory的ERL FEL通过使用谐振型FEL，实现了超过10千瓦的红外功率。基于ERL的EUV-FEL可以通过使用能量回收方案和超导加速器技术，克服当前EUV光刻的问题，成为最强大的EUV光源。

本文设计并研究了一种基于ERL的EUV-FEL光源，用于未来光刻，并在前面的文章中阐明了EUV-FEL光源的设计理念和未来前景。本文在概述了EUV-FEL光源的基础上，重点阐述了EUV-FEL光源的优势特点，从而清晰全面地展示了EUV-FEL光源与LPP光源的区别。EUV-FEL光源极高的功率性能是通过一种全新的从头到尾全面仿真来预测得到的。通过仿真计算得到的EUV功率明显高于以往发表的文章所述。光束线中关键组件的概念设计，其中强烈的FEL光从EUV-FEL传递到多个光刻机。此外，提出了可能的BEUV- fel升级方案，并将模拟的BEUV- fel光谱与BEUV多层镜面的实测反射率曲线进行了比较。本文还强调了在High-NA光刻中，对FEL光的偏振控制对于充分利用偏振效应是非常重要的，通过我们所提出的方案可以通过保持较高的FEL增益和功率来实现。此外，还估算了EUV FEL光源的电力消耗、建设和运行成本，并与LPP光源进行了比较。本文还介绍了使用紧凑型ERL (cERL) IR-FEL的EUV-FEL光源的概念验证(PoC)和PoC演示的重大进展。最后简要介绍了cERL未来大功率FEL操作的最新进展。

图1所示。(a)普通直线和(b) ERL的示意图。在ERL中，加速束流在FEL发射后以RF减速阶段返回主直线加速器以恢复加速能量，在减速后被倾倒到注入能量，而在普通直线加速器中，加速束流在FEL发射后立即被倾倒而不恢复能量。

2. 用于未来光刻的EUV-FEL光源

2.1 概述

我们设计并研究了基于ERL的高功率EUV-FEL光源。图2展示了EUV-FEL光源的示意图和设计参数。在该光源中，由电子枪产生的电子束，带电量为60皮库仑，以162.5兆赫的束团重复频率进行加速，首先在注入器超导线性加速器中加速至约11兆电子伏特，然后在主超导线性加速器中加速至800兆电子伏特。加速的束团在第一弯曲段通过磁束聚缩进行纵向压缩，以便在回旋加速器中的多个螺旋波管系统中产生高功率的EUV光。在FEL激射后，电子束通过第二弯曲段在减速的RF相位返回主超导线性加速器，然后在主加速器中进行能量回收，并在束流转储处倾倒。通过这种能量回收方案，实现了高达10毫安的平均电流，以提供超过10千瓦的高功率EUV光。主加速器具有64个9腔超导腔体，加速梯度为12.5兆伏每米或更高。注入器和主加速器的射频频率为1.3GHz，是束团重复频率的八倍。

.图2显示了基于ERL的EUV-FEL光源的示意图和设计参数。电子束带电量为60皮库仑，束团重复频率为162.5兆赫，经过加速达到800兆电子伏特，并通过回旋产生超过10千瓦的高功率EUV光。在FEL激射后，电子束返回主超导线性加速器进行能量回收，并在束流抛弃处进行抛弃。

EUV-FEL光源的主要组件包括一个阴极直流电子枪、一个注入器超导腔体、一个主线性加速器超导腔体、一个用于FEL系统的波动器和两个用于束控和抑制相干同步辐射效应的弧型分段。这些组件中的大部分都在高能加速器研究机构（KEK）进行了研究和开发，基于现有技术进行，以尽快将EUV-FEL光源工业化。关于主要组件的研发细节详见参考文献。

与LPP光源相比，EUV-FEL光源具有几个优点。EUV- FEL光源可以产生超过10 kW的高功率EUV光而不含锡碎屑，因此，它可以同时为10台光刻机提供超过1 kW的EUV功率，而不会对Mo/Si反射镜造成锡污染。此外，EUV-FEL可升级为BEUV-FEL，产生更短波长(6.6-6.7 nm)的EUV光源实现更精细的图案。此外，它还可以对High-NA光刻中FEL光的偏振进行可变控制。此外，还可以降低每台光刻机的电力消耗和成本。EUV-FEL光源的优点将在下面更详细地描述。

2.2 高功率性能

图3和图4显示了一个新的EUV-FEL光源的从头到尾全面模拟结果，以展示其高功率性能。在此模拟中，采用了一种新的喷射器参数优化，以最小化喷射器出口的纵向发射度，而不是横向发射度。在整个光源中引入纵向空间电荷(SC)效应，使模拟更加精确和真实。仿真中采用的跟踪粒子数为500k。图3为注射器出口、主直线加速器加速至800 MeV后的第1电弧入口、第1电弧段磁束压缩后的FEL入口，束荷为60 pC时的模拟电子束分布图。对光源参数进行了优化，使FEL入口处的FEL参数(皮尔斯参数)最大化。束压缩使电子束在FEL入口处的峰值电流大大提高到700a以上。束长和能量扩散分别为39 fs和0.1%，标准化水平和垂直发射分别为2.0和0.9 mm·mrad。

图3所示。在跟踪粒子数为50万的情况下，模拟优化了60 pC束荷在喷射器出口、第一电弧入口和FEL入口的电子束分布。由于第一电弧段的磁束效应，使FEL入口的峰值电流大大增加到700 A以上。

图4(a)和图4(b)显示了模拟的FEL脉冲每电子束能量与FEL出口的波动器截面长度和FEL功率谱的关系。由于具有FEL波长周期的电子束的微束在波动器中生长，并且微束光束相干地辐射EUV光，因此FEL脉冲能量急剧增加，直到在50 ~ 60 m处达到饱和，如图4(a)所示。在FEL出口处的脉冲能量为109.4μJ，最佳线性锥度为4%，在约10 mA时，束重频率为162.5 MHz, FEL功率为17.8 kW。如果束重复频率可以增加一倍至325 MHz，则EUV功率在约20 mA时增加到35.5 kW。仿真结果表明，EUV-FEL光源具有优良的大功率性能。FEL光谱宽度小于0.1 nm，窄到足以满足Mo/Si镜面反射率，如图4(b)所示。由于FEL的发射，能量扩散从0.1显著增加到0.34%。然而，在这个模拟中，即使在自由电子激光器经过具有典型孔径的束流管后，电子束也成功地在没有任何束流损失的情况下传输。采用GPT、GENESIS和ELEGANT三种仿真代码分别对喷射器、自由电子束流系统以及包括主直线回路和再循环回路在内的其他部分进行仿真。对于未考虑的光束动力学和各种误差的影响，需要进一步的仿真研究。

图4所示。(a)模拟FEL光源每电子束的FEL脉冲能量随波动器截面长度(无锥度和最佳线性锥度为4%)的函数关系;(b) FEL出口的FEL功率谱。在束重复频率为162.5 MHz时，计算得到的EUV-FEL功率在9.75 mA时为17.8 kW，在325 MHz时为19.5 mA时为35.5 kW。EUV-FEL光谱的波带宽度足够窄，以折线表示的Mo/Si镜面反射率。

2.3 光学beamline

需要一条光束线将EUV光从EUV- fel光源传输到LSI晶圆厂的光刻机。正常入射EUV-FEL光的每脉冲能量密度约为10 mJ cm⁻²，横向尺寸为~ 1 mm²，在距离FEL出口3 m处的FWHM半波带宽度脉冲长度为~ 100 fs。它低于Mo/Si多层和Si的烧蚀阈值，在SACLA-BL1使用两个光源，等离子体激光器和EUV-FEL实验估计的烧蚀阈值约为20 mJ cm^-2，并且不依赖于脉冲长度小于10ps。此外，在光束线的概念设计中，FEL光首先通过弯曲掠射镜垂直扩展，然后通过分割的多弯曲镜水平扩展和分离10个光刻机，如图5所示。在距离多曲面反射镜3 m处，极紫外光的能量密度降至约2.5μJcm⁻²。准直镜系统对FEL光进行扩展和分离后，可以很好地调节各扫描系统的光斑尺寸。这些反射镜是全反射镜，具有非常小的掠射角，可以完全反射EUV光而不会造成烧蚀损伤。因此，来自光源的EUV光被传输到每个光刻机系统的第一个Mo/Si反射镜，没有明显的损耗和反射镜损坏。

图5所示。光束线中EUV-FEL光的处理。(a)用小掠射角弯曲掠射镜垂直扩展EUV-FEL光。(b)分段多曲面反射镜对EUV-FEL光的水平扩展和分离。光束线上的全反射镜使自由电子激光器的能量密度从10μjcm⁻²降低到2.5μJ cm⁻²。改编自Ref. 9。

2.4 BEUV-FEL的升级方案

图6(a)至6(c)示意图显示了从EUV-FEL光源升级到BEUV-FEL光源的三种可能方案。图6(a)中的第一种方案非常简单，基于单回路布局。由于在相同的波动周期和场域中，FEL波长与光束能量的平方成反比，因此主直线长度增加倍数约2的平方根，光束能量增加到1.13-1.14 GeV，波长缩短到6.6-6.7 nm，约为EUV波长的一半。由于FEL的饱和长度与光束能量成正比，因此波动器的截面长度也增加了。另外两种方案是基于双环布局，不显着增加光源长度。在图6(b)所示的第一个双回路布局中，主直线加速器的总长度增加，但被分成两部分。需要设计和添加每个主要由三个或四个弯曲磁铁组成的合并器和扩展器以连接两个环路，而不会显著降低波束质量。两束不同能量的光束由合成器合并，由扩频器分离。在图6(c)所示的双回线布局中，光束被主直线加速器加速两次，因此主直线加速器长度不变或可以减小。相反，主直线加速器中的光束电流和热负荷几乎增加了一倍。我们可以根据场地尺寸和允许空腔热负荷等光源条件选择其中一种。大多数EUV-FEL元件在每种方案中都可以在BEUV-FEL光源中重复使用。图6(d)显示了模拟的BEUV-FEL光谱。该光谱的带宽(~ 0.04 nm)比图6(e).21中测量的BEUV反射镜反射率窄，这意味着基于ERL的FEL也是BEUV光刻的有前途的光源。

2.5 偏振控制

FEL光的偏振特性可用于High-NA光刻。如式(1)所示，光刻分辨率与NA成反比，即使光源波长不变，NA越高，分辨率也越高。图7(a)和7(b)显示了两个平面波在High-NA配置下以不同路径传播的示意图，以及两个波的相互干涉产生的光强度作为s偏振和p偏振模式在晶圆上位置的函数。

其中，θ为入射角，n为折射率，x为焦平面上的水平位置，I0为每个入射平面波的强度。NA由n·sinθ定义，n在空气中等于单位。在s偏振光中，两个波的电场在x = 0处完全干涉，因为它们是平行的。另一方面，在p偏振光中，电场只有部分干涉，因为它们有不同的方向。(Imax−Imin)/(Imax +Imin)定义的图像对比度对于s偏振光为1，对于p偏振光为cos2θ。p偏振光的强度和对比度随入射角的增大而减小。结果表明，s偏振光在High-NA光刻成像中具有比p偏振光更好的性能。实验也证实了这种High-NA构型的极化效应。因此，为了在High-NA光刻中充分利用偏振效应优化成像品质，对FEL光源的偏振控制非常重要。

图6所示。三种可能的BEUV-FEL升级方案基于(a)单环布局，(b)双环布局，主直线加速器分为两个部分，(c)双环布局，使用一半或更短的主直线加速器进行两次加速。(d)模拟BEUV-FEL光谱。经Ref. 20许可改编。(e)测得的BEUV镜面反射率。经Ref. 21许可改编。

图7所示。(a) s偏振和(b) p偏振模式下，两个平面波在High-NA配置下以不同路径传播的示意图，以及两个波的干涉所给出的光强随晶圆上水平位置x的函数。

我们提出了EUVFEL和BEUV-FEL光源的偏振控制方案，如图8所示。在FEL系统中，大多数的波动器都采用圆极化(螺旋)波动器，以获得比线性极化波动器更高的FEL增益和功率。另一方面，在最后几个波动中采用了带有偏振控制机构的变极化波动器。Apple-2型等可变偏振波动器可以通过滑动四个磁体阵列来控制波动光的偏振，产生水平和垂直的线性偏振以及圆偏振。电子束的微聚束在螺旋波动中生长良好，而来自螺旋波动的FEL光在波动段中丢失和稀释。从微束光束发出的FEL光的最终偏振状态主要是由下游的变偏振波动决定的。因此，EUV-FEL和BEUV-FEL光源可以很好地控制High-NA光刻中FEL光的偏振。

图8所示。EUV-FEL和BEUV-FEL光源的偏振控制方案。在FEL系统中，大多数的波动是圆偏振(螺旋)波动，以获得更高的FEL增益和功率，最后几个波动是可变偏振波动，以很好地控制High-NA光刻的FEL光的偏振。

2.6 用电量及成本

在半导体行业，最近推出了可持续半导体技术与系统(SSTS)计划，因为半导体制造的二氧化碳足迹正在迅速上升。在芯片的技术发展中，环境评分是在芯片功耗、面积、性能、成本等传统评分基础上新增的。从这个角度来看，降低EUV光源的电力消耗在EUV光刻中是很重要的，因为LPP光源消耗了EUV光刻机的很大一部分电力。表1显示了EUV-FEL光源的估计用电量。超导体空腔的冷却系统使用所有项目中最多的电力。基础设施包括冷却水系统、空调系统、照明系统等。总耗电量为10千瓦EUV功率为7兆瓦，因此每1千瓦EUV功率或光刻机消耗0.7兆瓦。相反，LPP光源在250瓦EUV功率下消耗约1.1兆瓦的电力，在1千瓦EUV功率下消耗约4.4兆瓦的电力。虽然应该指出的是，ASML已经逐渐减少了LPP源所需的电力，但EUV- FEL可以大大降低每台光刻机或1千瓦EUV功率的电力消耗，非常适合SSTS计划要求。

极紫外光源的成本在芯片的技术发展中也很重要。EUV-FEL光源的建设和运行成本大致估计为每年4亿美元和每年4000万美元用于实现10千瓦的EUV电源，因此每1千瓦EUV或光刻机每年4000万美元和400万美元。另一方面，通过简单的线性外推，LPP光源的建设和运行成本大致估计为每250瓦EUV功率每年2000万美元和1500万美元，每1千瓦EUV功率或光刻机每年8000万美元和6000万美元。特别是LPP EUV光源的运行成本昂贵，集光器镜片模组的维护费用占运行成本的大部分，集尽管集光镜的使用寿命现在得到了显着提高，集光器镜片仍然由于锡屑的污染而逐渐退化，需要定期更换。EUV-FEL光源还可以降低每台光刻机的建造和运行成本。LPP和EUV-FEL光源之间的成本进行了类似的比较。

3 .EUV-FEL使用cERL的PoC

EUV-FEL的PoC演示也很重要。cERL于2014年在KEK建成，并一直用于开发关键的ERL技术，如光电阴极直流枪和超导体腔，并展示了ERL作为未来光源和工业应用的卓越性能。在cERL中，已经实现了低束电荷(<6 pC)的平均电流约为1 mA的运行。EUV-FEL的PoC可以通过在cERL中安装FELbundulators来产生SASE-FEL发射，如图9所示。波动光的波长λ如下所示:

其中γ为洛伦兹因子，aw为波动器参数的rms,Brms为轴上的rms磁场，λu为波动器的磁周期，me和e为电子质量和电荷，c为光速。由式(4)可知，波长与电子束能量的平方成反比，Ee =γmec2。通常，磁周期为几厘米，波动参数的均方根在1左右。因此，由于电子束能量低，cERL用FEL波动器产生红外光来代替极紫外光。到目前为止，只有振荡器FEL在ERL中工作，而SASE-FEL从未在ERL布局中工作。SASE-FEL通常比振荡器FEL要求更高的峰值电流和电子束质量。如果能够实现，cERL的IR-FEL将是世界上第一个基于ERL的SASE-FEL，并且可以成为基于ERL的EUV-FEL光源的PoC。束荷设置为60 pC的高束荷，这是激光FEL所需要的，束荷与EUV-FEL光源的束荷相同。

幸运的是，作为NEDO项目，2019年10月至2020年5月在cERL建造了一个IR-FEL，目的是开发高功率中红外激光器，利用基于分子振动跃迁的光吸收进行高效激光加工。这也可以作为基于ERL的EUV-FEL光源的PoC。包含IR-FEL的cERL布局如图10所示。两个3 m的波动器U1和U2安装了两个用于IR-FEL的FEL监视器端口。由于项目预算有限，为了降低成本，采用磁周期为24 mm的线性极化可调相位波动器(apu)作为FEL波动器。这些波动器可以通过纵向滑动上部磁阵列以固定10 mm的磁隙来改变磁场以改变波长。为节省EUV-FEL光源的成本，未来应开发具有固定间隙的变极化和圆极化apu。每个FEL监视器端口有两种用于IR-FEL灯的监视器，一个MCT (HgCdTe)探测器和一个能量计(热释电传感器)。电子束能量约为17.5 MeV，波动覆盖了10 ~ 20μm的FEL波长。此外，由于束流线以束流能量归一化后的能量接受度在cERL中最小，因此在2020年秋季对cERL束流线进行了改造，以大幅提高束流接受度，避免未来大功率FEL运行中束流损失严重。

图10. 紧围混凝土辐射屏蔽的cERL布局。在红色框架内的IR FEL重建区域，安装了两个3米长的螺旋波管，U1和U2，并配备了两个FEL监视端口。黑色框架内的抛弃线也进行了重建，以提高能量接收度，减少未来高功率FEL操作中的束流损失。此外，还显示了两个螺旋波管、U2的FEL监视端口以及新的抛弃线的照片。

图11显示了FEL的工作方案。在FEL调试和光束调谐中，我们使用Burst模式，在5hz下重复约1μs的宏脉冲，如图11(a)所示。未来，我们将在连续模式下进行高功率FEL操作，其中电子束连续重复，如图11(b)所示。IR-FEL运行束长度控制方案如图11(c)所示。注入器产生的电子束在主直线加速器中被加速，然后在第一电弧中被磁聚束压缩，以增加自由电子激光器的峰值电流。在FEL发射后，束在Burst模式下通过第二弧被倾倒到可移动的垃圾场。在连续波模式下，波束在主直线加速器中减速以进行能量回收，然后通过转储线将束转储到主波束转储。在垂直孔径极窄的波动腔中，通过在上游使用聚焦和轨道校正磁体，在波动段使用波束剖面监测仪，可以很好地调节横向波束的大小和位置。

图11所示。(a)Burst模式和(b)连续模式下cERL电子束的时间结构。(c)串长控制方案。在该方案中，注入器对电子束进行加速，主直线加速器在第一电弧处进行磁聚束压缩，以提高自由电子激光器的峰值电流。在FEL发射后，电子束被以Burst模式倾倒到活动转储中，以CW模式倾倒到主转储中。

图12显示了2021年2月至3月的FEL调试结果。从图12(a)可以看出，MCT探测器监测到的U1和U2的FEL强度通过机器学习得到了很好的最大化。图12(b)和图12(c)显示了MCT探测器测得的U1和U2的FEL能量随时间的变化，以及U1和U2的能量计输出信号。图12(d)显示了在FEL波长为20 μm时，U1和U2的每个电子束的FEL脉冲能量与波动器截面长度的关系。图中蓝色和红色的线是U1和U2对目标电子束参数模拟的FEL脉冲能量，红色的两个圆圈是能量计测量到的U1和U2的FEL脉冲能量。U2的实测FEL能量明显低于模拟的FEL能量，这是由于束流参数不如目标束流的缘故。造成U2的FEL脉冲能量较低的主要原因是超导效应，它对低能束流的影响很大，我们的模拟研究表明，在cERL中，明显的超导效应是无法避免的。在电子密度较高的地方，超导体力变得更强，因此，延长了在第一电弧中被磁压缩的电子束，以增加峰值电流，从而降低了FEL脉冲能量。它们还诱导增加光束的能量扩散和横向发射。因此，由于超导体效应，在低能量机器(如cERL)中的光束控制和调谐比在高能量机器(如EUV-FEL光源)中更加困难。然而，从图12(d)中可以看出，考虑到到探测器光路中的空气吸收，NEDO项目目标的FEL脉冲能量几乎达到了。在cERL的IR-FEL中，这种显著的SASE-FEL发射是EUV-FEL的PoC的一个非常重要的步骤。为了实现未来在连续波模式下的大功率FEL运行，2021年秋季在新的转储线上进行了第一次束流输运研究。2022年2 ~ 3月，在低束电荷和无FEL发射条件下，实现了IR-FEL构建后的第一次大电流运行，最大电流约为250μA，能量回收率为100%。

图12所示。IR-FEL调试结果。(a)最大化U1和U2的FEL输出的机器学习示例。经Ref. 32许可改编。(b) MCT探测器U1和U2的FEL能量随时间的变化。经Ref. 32许可改编。(c) U1、U2电能表输出信号。(d)在FEL波长20μm处，U1和U2的每电子束FEL脉冲能量随波动器截面长度的变化。其中蓝、红线为目标光束参数U1和U2的模拟值，两个红圈为能量计U1和U2的实测值。绿色的虚线是NEDO项目目标。

4 .总结

EUV光刻的HVM量产起始于250W 功率的LPP光源。然而，为了克服随机效应以实现更高的曝光能量和更高的NA，未来的EUV光刻将需要更强大的EUV光源。因此，开发更高功率的EUV光源仍具有重要意义。通过能量回收方案，基于ERL的FEL具有极高的FEL功率，是光刻用大功率光源的理想选择。本项目设计了一种基于ERL的用于未来光刻的EUV-FEL光源，并对主要元件进行了研究和开发。EUV- FEL光源在EUV功率、升级到BEUV-FEL、High-NA光刻偏振控制、功耗和每台扫描仪成本等方面具有许多优势。通过全面仿真，采用新的优化和更精确的计算，重新证明了EUV-FEL光源具有优异的高功率性能，并研究和提出了升级到BEUV-FEL光源的可能方案或设计、FEL光的偏振控制以及光源到扫描仪的光束线。对EUV-FEL和LPP光源的每台EUV光刻机的电力消耗、结构和运行成本进行了估计，结果发现，通过从LPP光源切换到EUV-FEL光源可以节省这些成本。此外，作为EUV-FEL的PoC的重要步骤，在cERL IR-FEL上实现了显著的SASE-FEL发射。在未来的高功率自由电子激光器操作方面取得了进一步的进展。EUV自由电子光源被认为是未来光刻最有前途的光源，应进一步推广产业化。