這個光源的波長能成為EUV光刻機新的光源技術(shù)

芯片，自去年以來已經(jīng)成為備受關注的話題。中國內(nèi)陸的芯片廠商之所以無法生產(chǎn)出較為精密的芯片，是因為沒有極紫外（extreme ultraviolet, EUV）光刻機。EUV光刻機擁有生產(chǎn)7nm以下芯片的制造工藝，但被荷蘭的ASML公司所壟斷。 就在幾天前，清華大學團隊聯(lián)合德國的研究機構(gòu)實驗證實了「穩(wěn)態(tài)微聚束」(steady-state microbunching, SSMB)光源。這個光源的波長可以從太赫茲覆蓋到極紫外波段，或許能成為EUV光刻機新的光源技術(shù)。 該論文以《穩(wěn)態(tài)微聚束原理的實驗演示》（Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching）為題于2月25日發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上，該實驗由清華大學工程物理系教授唐傳祥研究組與來自亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心（HZB）以及德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）合作完成。

在大型粒子加速器中，電子被加速到近乎光速后會發(fā)出具有特殊性質(zhì)的光脈沖。在基于存儲環(huán)的同步輻射源加速器中，電子束在環(huán)中運行數(shù)十億圈后會在偏轉(zhuǎn)磁體中產(chǎn)生快速連續(xù)的光脈沖；在自由電子激光器(FELs)中，電子束被線性加速后會發(fā)出一束類似激光的超亮閃光。 現(xiàn)在，中德團隊已經(jīng)證明了同步輻射源加速器還可以產(chǎn)生脈沖模式。這種模式結(jié)合了兩種系統(tǒng)的優(yōu)點：這些短而強的微束電子產(chǎn)生的輻射脈沖像FELs光源一樣具有類似激光的特性，但它們也可以像同步加速器光源一樣彼此緊跟著排列。 微束化可實現(xiàn)高峰值功率，穩(wěn)態(tài)可實現(xiàn)高重復性速率，兩種功能相結(jié)合就有了SSMB的構(gòu)想。大約十年前，斯坦福大學著名的加速器理論家、清華大學杰出訪問教授趙午（Alexander Chao）和他的博士生Daniel Ratner提出并命名了這個想法。 SSMB工作原理就是利用一定波長的激光操控位于儲存環(huán)MLS內(nèi)的電子束，使電子束繞環(huán)一整圈后形成精細的微結(jié)構(gòu)，也即微聚束。然后，微聚束在激光波長及其高次諧波上輻射出高強度的窄帶寬相干光。

圖示：SSMB構(gòu)想（來源：euvlitho.com） 想法很簡單，但驗證起來就不是那么簡單了。清華大學的年輕物理學家鄧秀杰在他的博士論文中從理論上對這些想法進行了驗證。2017年，趙午教授與HZB的加速器物理學家建立了聯(lián)系，得以操作計量光源(Major League Soccer, MLS)。MLS是世界上第一個為了在「低alpha模式」運行而優(yōu)化設計的光源。在這種模式下，電子束可以大大縮短。 十多年來，研究人員一直在不斷開發(fā)這種特殊的操作方式。HZB的加速器物理學家J?rg Feikes表示：「SSMB團隊中的理論組已經(jīng)定義了物理邊界條件，以便在準備階段就能實現(xiàn)機器的最佳性能。這使我們能夠用MLS生成新的機器狀態(tài)，并與鄧秀杰一起對其進行充分地調(diào)整，直至能夠探測到我們要尋找的脈沖模式?！?/p>

圖示：SSMB原理理論（來源：論文） HZB和PTB的研究人員使用了一種與MLS中的電子束在時間和空間上有著精確耦合的光學激光器，改變了電子束的能量。「這會導致毫米級電子束在存儲環(huán)中旋轉(zhuǎn)一圈后分裂成微束(只有1 μm長)，然后發(fā)出的相干光脈沖像激光一樣放大彼此，」J?rg Feikes解釋道?！赶喔奢椛涞慕?jīng)驗檢測絕非易事，但我們PTB的同事成功地開發(fā)了一種創(chuàng)新的光學檢測單元?！?研究組利用波長1064納米的激光操控儲存環(huán)中的電子束，使電子束繞環(huán)一整圈后形成微聚束，并輻射出高強度的相干光。HZB的加速器專家Markus Ries表示:「基于這項研究結(jié)果，我們現(xiàn)在能夠從經(jīng)驗中確認滿足MLS中SSMB原理的物理條件?！?/p>

圖示：實驗結(jié)果（來源：論文） 那么，SSMB又能為EUV光刻機帶來什么呢？ PTB主任Mathias Richter教授說：「未來SSMB源的亮點在于，它們產(chǎn)生的類似激光的輻射也超出了可見光的光譜范圍，在EUV范圍內(nèi)?！?在芯片制造領域，芯片的制程工藝和光刻機的曝光分辨率有著密切的關系，而光刻機的曝光分辨率又和光源的波長息息相關。EUV光刻機光源的功率越高，芯片刻錄速度就越快。光源波長越短，芯片工藝的納米數(shù)可以做到越小?！负喍灾饪虣C需要的EUV光，要求是波長短，功率大?！固苽飨榻淌谡f。 而基于SSMB技術(shù)的光源擁有高功率、高重頻、窄帶寬的特點。Ries強調(diào):「在最后階段，SSMB源可以提供一種新特性的輻射：脈沖強烈、集中、窄帶?？梢哉f，它結(jié)合了同步光和FEL脈沖的優(yōu)點。」另外，SSMB技術(shù)還因為使用了存儲環(huán)技術(shù)而具有穩(wěn)定性高和成本較低的優(yōu)勢。 Feikes補充說:「這種輻射可適用于工業(yè)應用。第一個基于SSMB光源的專用EUV光刻機將會建在北京附近，已經(jīng)處于規(guī)劃階段?！?/p>

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