يعد مصدر الضوء إنجازًا حاسمًا في تكنولوجيا الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية.

في فبراير من هذا العام، نشرت مجموعة بحث البروفيسور تانغ تشوانشيانغ من قسم الفيزياء الهندسية في جامعة تسينغهوا، بالتعاون مع مركز هيلمهولتز برلين للمواد والطاقة (HZB) والفيزياء التقنية الاتحادية الاتحادية (PTB) في ألمانيا، تقريرًا ورقة بحثية بعنوان "عرض تجريبي لآلية الدمج الدقيق للحالة المستقرة" في مجلة الطبيعة.

تشير الورقة إلى أول التحقق التجريبي من مصدر ضوء مسرع الجسيمات الجديد المسمى "التكتل الدقيق للحالة الثابتة" (SSMB). استنادًا إلى مبدأ SSMB، من الممكن الحصول على طاقة عالية ومعدل تكرار مرتفع وإشعاع متماسك بعرض نطاق ضيق يغطي أطوال موجية تتراوح من تيراهيرتز إلى الأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV). وهذا لديه القدرة على توفير فرص جديدة واسعة لأبحاث علوم الفوتون.

أشاد مراجعو مجلة Nature بشدة بهذا البحث، مشيرين إلى أنه "يوضح منهجية جديدة" و"سيولد بلا شك اهتمامًا بمجالات مسرعات الجسيمات وإشعاع السنكروترون". ذكر مقال تعليق ذو صلة في مجلة Nature أن "هذه التجربة توضح كيفية الجمع بين خصائص النوعين الرئيسيين من مصادر الضوء المعجل، ومصادر إشعاع السنكروترون، وأشعة الليزر ذات الإلكترون الحر."

من المتوقع أن يتم التطبيق المستقبلي لمصادر ضوء SSMB في مجالات مثل الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية والتحليل الطيفي للانبعاث الضوئي ذي الزاوية المحددة. عند النشر، حظيت هذه الورقة على الفور باهتمام كبير من الأوساط الأكاديمية والصناعية محليًا ودوليًا.

وفي التجربة، استخدم الفريق البحثي ليزرًا بطول موجي 1064 نانومتر للتلاعب بشعاع الإلكترون في حلقة التخزين MLS الموجودة في برلين. بعد إكمال دورة كاملة حول الحلقة (التي يبلغ محيطها 48 مترًا)، شكل شعاع الإلكترون بنية مجهرية دقيقة، تُعرف باسم التجميع الدقيق. يولد Microbunching ضوءًا متماسكًا عالي الكثافة وضيق النطاق عند الطول الموجي لليزر وتوافقياته. تم التحقق من تشكيل microbunching من خلال الكشف عن هذا الإشعاع.

يوضح تكوين التجمعات الدقيقة أن الطور البصري للإلكترونات يمكن ربطه بدقة الطول الموجي الفرعي في كل دورة، مما يسمح للإلكترونات بالاحتجاز بشكل ثابت في الإمكانات الضوئية التي أنشأها الليزر. هذا يتحقق من صحة آلية عمل SSMB. يتم توضيح الإعداد التجريبي في الشكل 1، وتظهر بعض النتائج التجريبية في الشكل 2.

تم اقتراح مفهوم SSMB من قبل البروفيسور وو تشاو وطالب الدكتوراه دانييل راتنر في جامعة ستانفورد في عام 2010. ويعمل وو تشاو باستمرار على تعزيز البحث والتعاون الدولي في SSMB. في عام 2017، بدأ تانغ تشوانشيانغ وو تشاو التجربة. قادت مجموعة أبحاث Tang Chuanxiang التحليل النظري والتصميم المادي للتجربة، وطورت نظام الليزر للاختبار، وأجرت التجربة مع الوحدات المتعاونة، وأكملت تحليل البيانات وكتابة الأوراق.

ومن المتوقع أن يوفر مسارًا تكنولوجيًا جديدًا لمصادر ضوء الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية.

أحد التطبيقات المحتملة لمصادر الضوء SSMB هو استخدامها كمصدر للضوء لآلات الطباعة الحجرية المستقبلية بالأشعة فوق البنفسجية، ولهذا السبب يولي المجتمع الدولي اهتمامًا كبيرًا لأبحاث SSMB في جامعة تسينغهوا.

في صناعة تصنيع أشباه الموصلات، تعد آلة الطباعة الحجرية من المعدات الدقيقة الأساسية والخطوة الأكثر تعقيدًا وحاسمة في عملية تصنيع شرائح الدوائر المتكاملة. يرتبط دقة آلة الطباعة الحجرية ارتباطًا مباشرًا بالطول الموجي. لأكثر من نصف قرن، تم تقليل الطول الموجي لمصدر الضوء لآلات الطباعة الحجرية بشكل مستمر. تكنولوجيا الطباعة الحجرية السائدة من الجيل التالي في صناعة الرقائق هي الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية بطول موجة يبلغ 13.5 نانومتر. تعمل الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية باستخدام ضوء فوق بنفسجي شديد يبلغ طوله الموجي واحدًا على عشرة آلاف من قطر الشعرة "لحفر" الدوائر على الرقائق، مما يتيح في النهاية لرقائق بحجم ظفر الإصبع أن تحتوي على مليارات الترانزستورات. تعرض هذه العملية التكنولوجية المستوى المتطور للتطور التكنولوجي البشري. ASML، وهي شركة مقرها في هولندا، هي المورد الوحيد حاليًا لآلات الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية، ويبلغ سعر كل آلة أكثر من 100 مليون دولار.

يعد مصدر الضوء EUV عالي الطاقة هو حجر الزاوية في آلات الطباعة الحجرية EUV. حاليًا، يستخدم ASML ليزرًا نبضيًا عالي الطاقة لقصف هدف من القصدير السائل، مما ينتج عنه بلازما ويولد ضوء الأشعة فوق البنفسجية بطول موجة يبلغ 13.5 نانومتر، بقوة تبلغ حوالي 250 واط. ومع استمرار تقلص عقد تصنيع الرقائق، فمن المتوقع أن يزداد الطلب على الطاقة في مصادر ضوء الأشعة فوق البنفسجية، ليصل إلى مستوى الكيلوواط.

وقال تانغ تشوانشيانغ: "باختصار، يحتاج ضوء الأشعة فوق البنفسجية الذي تتطلبه آلات الطباعة الحجرية إلى طول موجي قصير وطاقة عالية". يعد اختراق مصادر ضوء الأشعة فوق البنفسجية عالية الطاقة أمرًا بالغ الأهمية لمزيد من التطبيقات وتطوير الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية. وقال تانغ تشوانشيانغ: "من المتوقع أن تحقق مصادر ضوء الأشعة فوق البنفسجية المعتمدة على SSMB متوسطًا عاليًا من الطاقة ولديها القدرة على تمديد الطول الموجي إلى أطوال موجية أقصر، مما يوفر حلاً جديدًا لاختراق مصادر ضوء الأشعة فوق البنفسجية عالية الطاقة."

لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه في التطوير المستقل لآلات الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية، ومن المتوقع أن تعالج مصادر الضوء بالأشعة فوق البنفسجية المستندة إلى SSMB عنق الزجاجة الأكثر أهمية في التطوير المستقل لآلات الطباعة الحجرية. وهذا يتطلب اختراقات تكنولوجية مستمرة في مصادر الضوء SSMB EUV والتعاون على طول سلسلة الصناعة بأكملها من أجل تحقيق النجاح الحقيقي.

البحث والتطوير التعاوني

بدأ فريق SSMB في جامعة تسينغهوا التحليل النظري والمحاكاة العددية لتجارب التحقق من مبدأ SSMB في أبريل 2017. وفي 21 يوليو من نفس العام، نظم تانغ تشوانشيانغ وتشاو وو أول اجتماع تعاوني لـ SSMB في جامعة تسينغهوا، مما أدى إلى إنشاء مجموعة أبحاث SSMB الدولية. وتضافرت جهود الباحثين من الصين وألمانيا والولايات المتحدة ودول أخرى لتعزيز مشاريع بحثية مختلفة، بما في ذلك تجارب التحقق من مبدأ SSMB. بعد أربع سنوات من العمل الشاق، حققت مجموعة أبحاث SSMB تقدمًا كبيرًا وحققت نتائج رائدة على مستوى العالم.

"يستخدم SSMB الليزر لتركيز الإلكترونات، مما يؤدي إلى تقصير الطول الموجي لنظام التركيز بمقدار 5 إلى 6 أوامر مقارنة بالميكروويف الشائع الاستخدام في مصادر ضوء السنكروترون. لذلك، للتحقق من مبدأ SSMB، يحتاج المسرع إلى طاقة عالية جدًا دقة التحكم في الموقع الطولي (المرحلة) للإلكترونات في كل دورة. إن حلقة تخزين MLS في PTB في ألمانيا هي الأقرب إلى المتطلبات التجريبية لـ SSMB. بعد الاتصالات والاتصالات الأولية بين أساتذتنا، انضمت مؤسسات HZB وPTB في ألمانيا بنشاط وقال دينج شيوجي، طالب الدكتوراه من قسم الفيزياء الهندسية بجامعة تسينغهوا، والذي شارك في التجارب في ألمانيا: "لقد ساهم فريق البحث وتعاون معنا".

ومنذ عام 2017، زار أعضاء فريق تسينغهوا برلين ثماني مرات، وشاركوا في مراحل مختلفة من إعداد التجربة وتشغيلها. وبعد فترة طويلة من الجهد، نجحت التجربة في 31 أغسطس 2019. وقال دنغ شيوجي: "يتضمن SSMB تأثيرات جسدية متعددة ويمثل تحديًا تقنيًا. وقد واجه الفريق عدة محاولات فاشلة قبل أن يعمقوا فهمهم المستمر للمشاكل الجسدية وعمليات التسريع العملية. أثناء التجربة، حتى تم حل كل مشكلة، وعندما لم تكن التجارب في الموقع ممكنة، لم نتوقف عن العمل، وقمنا بإجراء تحليل نظري للبيانات التجريبية التي تم جمعها مسبقًا، وعقدنا اجتماعات عمل منتظمة، وشاركنا في مناقشات عبر البريد الإلكتروني أو عبر الإنترنت. "بالإضافة إلى ذلك، فإن الفريق التجريبي لـ SSMB هو فريق تعاون دولي. بدءًا من التكيف الأولي وحتى التعرف على بعضنا البعض وفهمهم تدريجيًا، يعتقد الفريق بأكمله أننا حققنا حقًا "1 + 1 >> 2". الجميع واثق من المزيد من التعاون. فى المستقبل."

حاليًا، تدعم جامعة Tsinghua بنشاط وتعزز المشروع الوطني لمصدر الضوء SSMB EUV. قدمت مجموعة أبحاث SSMB في تسينغهوا مقترح مشروع لـ "مرفق أبحاث مصادر الضوء فوق البنفسجي المتطرف ذو الحالة الثابتة" إلى اللجنة الوطنية للتنمية والإصلاح (NDRC) وتقدمت بطلب للحصول على البنية التحتية العلمية والتكنولوجية الرئيسية للمنتدى الخمسي الرابع عشر. الخطة السنوية.

بالإضافة إلى SSMB، تقوم دول مثل اليابان أيضًا بالبحث في استخدام خط استعادة الطاقة (ERL) في مخططات الليزر الإلكتروني الحر (FEL). يمكن لهذا المخطط تحقيق طاقة ذروة أعلى، بحد أقصى 10 كيلووات من ضوء الأشعة فوق البنفسجية، والأهم من ذلك، أنه يحتوي على بصمة كربونية أقل. وفقًا لبيانات من منظمة أبحاث مسرعات الطاقة العالية في اليابان، يمكن أن تبلغ تكلفة استهلاك الطاقة لـ FEL حوالي سُبع مخطط LPP. ومع ذلك، كما هو الحال مع SSMB، يواجه هذا النوع من مصادر الضوء أيضًا العديد من التحديات التقنية التي يجب التغلب عليها، وستكون التكلفة أعلى أيضًا.