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光刻机|清华首次验证“稳态微聚束”原理，有望助力光刻机自主研发

清华大学激光光刻机光源唐传祥

2月25日 ， 清华大学工程物理系唐传祥研究组与合作团队在《自然》上发表研究论文《稳态微聚束原理的实验演示》 ， 报告了一种新型粒子加速器光源“稳态微聚束”的首个原理验证实验 。 基于该原理 ， 能获得高功率、高重频、窄带宽的相干辐射 ， 波长可覆盖从太赫兹到极紫外波段 ， 有望为光子科学研究提供广阔的新机遇 。 与之相关的极紫外光源有望解决自主研发光刻机中最核心的“卡脖子”难题 。
SSMB原理验证实验示意图（图片来源：《自然》）
稳态微聚束 ， 英文为Steady-state microbunching ， 可缩写为SSMB 。 实验中 ， 研究团队利用波长1064纳米的激光操控位于柏林的储存环内的电子束 ， 使电子束绕环一整圈后形成精细的微结构 ， 也即微聚束 。 微聚束会在激光波长及其高次谐波上辐射出高强度的窄带宽相干光 ， 实验通过探测该辐射验证微聚束的形成 。 微聚束的形成 ， 证明了电子的光学相位能以短于激光波长的精度逐圈关联起来 ， 使得电子可被稳态地束缚在激光形成的光学势井中 ， 验证了SSMB的工作机理 。
光刻机|清华首次验证“稳态微聚束”原理，有望助力光刻机自主研发
文章插图

SSMB原理验证实验示意图（图片来源：《自然》）
SSMB概念由斯坦福大学教授、清华大学杰出访问教授赵午与其博士生于2010年提出 。 2017年 ， 唐传祥与赵午发起该项实验 ， 唐传祥研究组主导完成了实验的理论分析和物理设计 ， 并开发测试实验的激光系统 ， 与合作单位进行实验 ， 并完成了实验数据分析与文章撰写 。
在芯片制造的产业链中 ， 光刻机是必不可少的精密设备 ， 是集成电路芯片制造中最复杂和关键的工艺步骤 。 光刻机的曝光分辨率与波长直接相关 ， 半个多世纪以来 ， 光刻机光源的波长不断缩小 ， 芯片工业界公认的新一代主流光刻技术是采用波长为13.5纳米光源的EUV（极紫外光源）光刻 。 EUV光刻机工作相当于用波长只有头发直径一万分之一的极紫外光 ， 在晶圆上“雕刻”电路 ， 最后将让指甲盖大小的芯片包含上百亿个晶体管 ， 这种设备工艺展现了人类科技发展的顶级水平 。
大功率的EUV光源是EUV光刻机的核心基础 。 而随着芯片工艺节点的不断缩小 ， 预计对EUV光源功率的要求将不断提升 ， 达到千瓦量级 。
“简而言之 ， 光刻机需要的EUV光 ， 要求是波长短 ， 功率大 。 ”唐传祥说 。 大功率EUV光源的突破对于EUV光刻进一步的应用和发展至关重要 。 唐传祥说：“基于SSMB的EUV光源有望实现大的平均功率 ， 并具备向更短波长扩展的潜力 ， 为大功率EUV光源的突破提供全新的解决思路 。 ”
光刻机|清华首次验证“稳态微聚束”原理，有望助力光刻机自主研发
文章插图

SSMB原理验证实验结果（图片来源：《自然》）
EUV光刻机的自主研发还有很长的路要走 ， 基于SSMB的EUV光源有望解决自主研发光刻机中最核心的“卡脖子”难题 。 这需要SSMB EUV光源的持续科技攻关 ， 也需要上下游产业链的配合 ， 才能获得真正成功 。
清华SSMB团队从2017年4月开始SSMB原理验证实验的理论分析和数值模拟 。
“SSMB采用激光来对电子进行聚束 ， 相比同步辐射光源常用的微波 ， 聚束系统的波长缩短了5到6个数量级 。 因此 ， 要验证SSMB的原理 ， 需要加速器对电子纵向位置逐圈变化有非常高的控制精度 ， 而德国联邦物理技术研究院的储存环在这一方面最接近SSMB的实验需求 。 经过老师们的前期联系与沟通 ， 德国两家机构积极加入研究团队 ， 与我们开展合作研究 。 ”全程参与赴德实验的清华大学工物系2015级博士生邓秀杰介绍 。
从2017年始 ， 清华团队成员先后8次前往柏林 ， 参与从实验准备到操作的各个环节 ， 经过长时间的努力 ， 实验于2019年8月31日取得成功 。 邓秀杰说,SSMB涉及的物理效应多 ， 实验难度大 ， 团队经历了多次失败的尝试 ， 在实验过程中不断加深对物理问题和实际加速器运行的认识 ， 直到最后将问题一一解决,“无法进行现场实验的时候 ， 我们也没有停止工作 ， 会就之前采集的实验数据进行理论分析 ， 定期召开工作会议 ， 以及进行邮件或在线讨论等 。 ”
《自然》评阅人对该研究高度评价 ， 认为“展示了一种新的方法论” ， “必将引起粒子加速器和同步辐射领域的兴趣” 。
【光刻机|清华首次验证“稳态微聚束”原理，有望助力光刻机自主研发】目前 ， 清华大学正积极支持和推动SSMB EUV光源在国家层面的立项工作 。 清华SSMB研究组已向国家发改委提交“稳态微聚束极紫外光源研究装置”的项目建议书 ， 申报“十四五”国家重大科技基础设施 。


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