Tsinghua-Nachrichtennetzwerk2Mond25Japan Nachrichten(ReporterWen XingyuAm 25. Februar veröffentlichte die Forschungsgruppe von Tang Chuanxiang, Professor am Institut für Technische Physik der Tsinghua-Universität, zusammen mit einem Kooperationsteam des Helmholtz-Zentrums für Materialien und Energie Berlin (HZB) und der Bundesanstalt für Physik und Technologie (PTB) einen Artikel in Nature.Natur) veröffentlichte eine Forschungsarbeit mit dem Titel „Experimenteller Nachweis des Mechanismus des Steady-State-Mikrobündelns“, in der über das erste Prinzip-Verifizierungsexperiment einer neuen Art von Teilchenbeschleuniger-Lichtquelle „Steady-State-Mikrobündeln (SSMB)“ berichtet wird.

Auf Basis des SSMB-Prinzips lässt sich kohärente Strahlung mit hoher Leistung, hoher Wiederholfrequenz und schmaler Bandbreite erzeugen. Der Wellenlängenbereich reicht vom Terahertz- bis zum extremen Ultraviolettbereich (EUV) und eröffnet damit neue Möglichkeiten für die Photonenforschung. Ein Rezensent der Fachzeitschrift „Nature“ lobte die Forschung und erklärte, sie demonstriere eine neue Methodik und werde sicherlich großes Interesse in der Teilchenbeschleuniger- und Synchrotronstrahlungsforschung wecken. Ein weiterer Übersichtsartikel in „Nature“ schrieb: „Dieses Experiment zeigt, wie sich die Eigenschaften der beiden wichtigsten Arten von Beschleunigerlichtquellen – Synchrotronstrahlung und Freie-Elektronen-Laser – kombinieren lassen. Die SSMB-Lichtquelle dürfte zukünftig in Bereichen wie der EUV-Lithographie und der winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie Anwendung finden.“ Nach der Veröffentlichung der Arbeit stieß sie umgehend auf großes Interesse in in- und ausländischen akademischen und industriellen Kreisen.

Abbildung 1. Schematische Darstellung des SSMB-Prinzipverifizierungsexperiments (Bildquelle: "Nature")

Abbildung 2. Experimentelle Ergebnisse zur Verifizierung des SSMB-Prinzips (Bildquelle: „Nature“)

Im Experiment nutzte das Forschungsteam einen Laser mit einer Wellenlänge von 1064 Nanometern, um den Elektronenstrahl im Speicherring MLS in Berlin so zu steuern, dass er einen vollständigen Kreis (Umfang 48 Meter) beschrieb und so eine feine Mikrostruktur, ein sogenanntes Mikrobündel, bildete. Dieses Mikrobündel emittiert hochintensives, schmalbandiges, kohärentes Licht bei der Laserwellenlänge und ihren höheren Harmonischen. Die Bildung des Mikrobündels wurde durch den Nachweis dieser Strahlung bestätigt. Die Mikrobündelbildung beweist, dass die optischen Phasen der Elektronen kreisförmig mit einer Präzision korreliert werden können, die kürzer als die Laserwellenlänge ist. Dadurch können die Elektronen stabil im vom Laser erzeugten optischen Potentialtopf gebunden werden, was den Wirkmechanismus der SSMB bestätigt. Die Versuchsanordnung ist in Abbildung 1 dargestellt, einige experimentelle Ergebnisse in Abbildung 2.

Das SSMB-Konzept wurde 2010 von Zhao Wu, Professor an der Stanford University und Gastprofessor an der Tsinghua-Universität, und seinem Doktoranden Daniel Ratner entwickelt. Zhao Wu fördert weiterhin die Forschung und die internationale Zusammenarbeit im Rahmen des SSMB-Projekts. 2017 initiierten Tang Chuanxiang und Zhao Wu das Experiment. Tang Chuanxiangs Forschungsgruppe leitete die theoretische Analyse und die physikalische Konzeption des Experiments, entwickelte das Lasersystem für die Testexperimente, führte Experimente mit Kooperationspartnern durch und schloss die Auswertung der experimentellen Daten sowie die Veröffentlichung des Artikels ab.

wird erwartetEUVDie Lichtquelle für die Lithographie eröffnet neue technologische Möglichkeitendie Aufmerksamkeit der internationalen Gemeinschaft auf sich ziehen

„Eine der möglichen Anwendungen der SSMB-Lichtquelle ist ihre Verwendung als Lichtquelle für zukünftige EUV-Lithographieanlagen. Dies ist ein wichtiger Grund, warum die internationale Gemeinschaft die SSMB-Forschung der Tsinghua-Universität mit großem Interesse verfolgt“, erklärte Tang Chuanxiang gegenüber Reportern.

In der Chipfertigungskette sind Fotolithografiemaschinen unverzichtbare Präzisionsgeräte und der komplexeste und kritischste Prozessschritt bei der Herstellung integrierter Schaltkreise. Die Belichtungsauflösung der Lithografiemaschine hängt direkt von der Wellenlänge ab. Seit über einem halben Jahrhundert wird die Wellenlänge der Lichtquelle in Lithografiemaschinen kontinuierlich reduziert. Die neue Generation der von der Chipindustrie anerkannten Standard-Lithografietechnologie ist die EUV-Lithografie (extremes ultraviolettes Licht) mit einer Wellenlänge von 13.5 Nanometern. Die Funktionsweise einer EUV-Lithografiemaschine ist vergleichbar mit dem „Gravieren“ von Schaltkreisen auf dem Wafer mit extrem ultraviolettem Licht, dessen Wellenlänge nur ein Zehntausendstel des Haardurchmessers beträgt. Ein Chip von der Größe eines Fingernagels wird zukünftig zig Milliarden Transistoren enthalten. Diese Ausrüstung und Technologie demonstrieren den Höhepunkt der menschlichen Technologieentwicklung. Das niederländische Unternehmen ASML ist derzeit der weltweit einzige Anbieter von EUV-Lithografiemaschinen, wobei jede EUV-Lithografiemaschine für mehr als 100 Millionen US-Dollar verkauft wird.

Hochleistungs-EUV-Lichtquellen bilden die Grundlage von EUV-Lithographieanlagen. ASML nutzt derzeit einen Hochenergie-Pulslaser, um ein flüssiges Zinntarget zu beschießen und so ein Plasma zu erzeugen. Daraus entsteht eine EUV-Lichtquelle mit einer Wellenlänge von 13.5 Nanometern und einer Leistung von etwa 250 Watt. Da die Strukturgrößen von Chips immer kleiner werden, ist zu erwarten, dass die Anforderungen an die Leistung von EUV-Lichtquellen weiter steigen und den Kilowattbereich erreichen werden.

„Kurz gesagt, benötigt die Lithografieanlage EUV-Licht mit kurzer Wellenlänge und hoher Leistung“, so Tang Chuanxiang. Fortschritte bei Hochleistungs-EUV-Lichtquellen sind entscheidend für die weitere Anwendung und Entwicklung der EUV-Lithografie. Tang Chuanxiang erklärte: „Es wird erwartet, dass auf SSMB basierende EUV-Lichtquellen eine hohe mittlere Leistung erreichen und das Potenzial besitzen, auf kürzere Wellenlängen erweitert zu werden. Dies bietet eine neue Lösung für Durchbrüche bei Hochleistungs-EUV-Lichtquellen.“

Die unabhängige Forschung und Entwicklung von EUV-Lithografiemaschinen steht noch vor großen Herausforderungen. EUV-Lichtquellen auf SSMB-Basis sollen das zentrale Problem der Entwicklungsblockade in diesem Bereich lösen. Um hier wirklich erfolgreich zu sein, bedarf es kontinuierlicher technologischer Forschung an SSMB-EUV-Lichtquellen und der Zusammenarbeit der vor- und nachgelagerten Industriezweige.

Es ist der richtige Zeitpunkt, um wichtige Probleme anzugehen.Das Muster der internationalen Zusammenarbeit aufzeigen

Das SSMB-Team der Tsinghua-Universität begann im April 2017 mit der theoretischen Analyse und numerischen Simulation des SSMB-Prinzipverifizierungsexperiments. Am 21. Juli desselben Jahres organisierten Tang Chuanxiang und Zhao Wu das erste SSMB-Kooperationstreffen an der Tsinghua-Universität und initiierten die Gründung einer internationalen SSMB-Forschungsgruppe. Gemeinsam mit Wissenschaftlern aus China, Deutschland, den USA und anderen Ländern trieben sie verschiedene Forschungsarbeiten voran, darunter auch SSMB-Prinzipverifizierungsexperimente. Nach vier Jahren Forschung erzielte das SSMB-Forschungsteam bedeutende Fortschritte und lieferte weltweit führende Ergebnisse.

„SSMB nutzt Laser zur Fokussierung von Elektronen. Verglichen mit den in Synchrotronstrahlungsquellen üblicherweise verwendeten Mikrowellen ist die Wellenlänge des Fokussierungssystems um fünf bis sechs Größenordnungen kürzer. Um das Prinzip von SSMB zu verifizieren, ist daher ein Beschleuniger mit sehr hoher Regelgenauigkeit für die Änderung der longitudinalen Position (Phase) der Elektronen von Umlauf zu Umlauf erforderlich. Der Speicherring LS der PTB in Deutschland erfüllt diese experimentellen Anforderungen von SSMB am besten. Nach ersten Kontakten und Absprachen zwischen den Dozenten schlossen sich zwei deutsche Institutionen, das HZB und die PTB, aktiv dem Forschungsteam an und führten gemeinsam mit uns Forschungsarbeiten durch“, sagte Deng Xiujie, Doktorand am Institut für Ingenieurwissenschaften und Physik der Tsinghua-Universität (Abschluss 2015), der an dem gesamten Experiment in Deutschland beteiligt war.

Seit 2017 reisten Mitglieder des Tsinghua-Teams achtmal nach Berlin, um an allen Aspekten des Experiments – von der Vorbereitung bis zur Durchführung – mitzuwirken. Nach langer, intensiver Arbeit war das Experiment am 31. August 2019 erfolgreich. Deng Xiujie erklärte: „SSMB beinhaltet viele physikalische Effekte und die Experimente sind anspruchsvoll. Das Team musste viele Fehlversuche überstehen und vertiefte während des Experiments kontinuierlich sein Verständnis der physikalischen Probleme und des tatsächlichen Betriebs des Beschleunigers, bis die Probleme schließlich nacheinander gelöst wurden. Wenn Experimente vor Ort nicht möglich waren, arbeiteten wir unermüdlich weiter und führten theoretische Analysen der zuvor gesammelten experimentellen Daten durch. Wir hielten regelmäßige Arbeitstreffen ab und tauschten uns per E-Mail oder online aus. Darüber hinaus ist das SSMB-Experimentteam ein internationales Kooperationsteam. Vom ersten Kontakt über die zunehmende Vertrautheit und das wachsende Verständnis bis hin zur stetigen Verbesserung – das gesamte Team war sich einig, dass wir tatsächlich ‚1+1>>2‘ erreicht haben, und alle sind voller Zuversicht für die weitere Zusammenarbeit in der Zukunft.“

Das Problem des "feststeckenden Nackens" lösenDie Tsinghua-Universität trägt die schwere Verantwortung mit Mut.

„Die Universitäten meines Landes müssen mutig große Verantwortung übernehmen und das Potenzial der Grundlagenforschung sowie der wissenschaftlichen und technologischen Innovation an den Universitäten freisetzen.“ Am 22. September 2020 setzte Generalsekretär Xi Jinping große Hoffnungen in die Universitäten, Innovationen zu stärken und wichtige Kerntechnologien zu entwickeln, auf einem Symposium mit Experten aus den Bereichen Bildung, Kultur, Gesundheit und Sport.

Die Tsinghua-Universität führt die wissenschaftliche Tradition der Tsinghua-Universität fort, die auf dem Prinzip „Gipfeln, Bodenständigkeit und Ausbildung der Menschen“ basiert. Sie stärkt ihr Verantwortungsbewusstsein, ihren Auftrag und ihr Engagement für die wissenschaftliche und technologische Selbstständigkeit des Landes. Die Reform der Forschungssysteme und -mechanismen wird vertieft und innovative Organisationsmodelle für die Forschung entwickelt. Die Grundlagenforschung wird von Grund auf gestärkt und die Forschung an Schlüsseltechnologien, insbesondere an kritischen Forschungsproblemen, beschleunigt.

Ziel ist es, an der Spitze von Wissenschaft und Technologie weltweit zu stehen und die richtigen Lösungen zu finden. Die Forschungsgruppe von Tang Chuanxiang am Institut für Technische Physik der Tsinghua-Universität und das internationale Kooperationsteam haben in diesem Jahr große Anstrengungen im Bereich „Steady State Micro-bunching“ (SSMB) unternommen, einem Schlüsselgebiet, das zur Lösung wichtiger Probleme beitragen und bestehende Herausforderungen bewältigen soll. Sie intensivieren weiterhin ihre Forschung und Innovation in zukunftsorientierten und strategischen Kerntechnologien, um ihre Innovationsfähigkeit zu stärken und die nationale innovationsgetriebene Entwicklungsstrategie zu unterstützen.

Die Tsinghua-Universität unterstützt und fördert aktiv den Aufbau des Projekts zur Entwicklung einer SSMB-EUV-Lichtquelle auf nationaler Ebene. Die SSMB-Forschungsgruppe der Tsinghua-Universität hat bei der Nationalen Entwicklungs- und Reformkommission einen Projektantrag für die „Forschungseinrichtung für eine stationäre Mikrobündel-EUV-Lichtquelle“ eingereicht und sich damit um eine bedeutende nationale Wissenschafts- und Technologieinfrastruktur im Rahmen des „14. Fünfjahresplans“ beworben.

Professor Tang Chuanxiang vom Fachbereich Ingenieurwesen der Tsinghua-Universität und Dr. Jörg Feikes vom HZB sind die korrespondierenden Autoren dieses Artikels. Deng Xiujie, Doktorand am Fachbereich Ingenieurwesen der Tsinghua-Universität (Abschluss 2015), ist Erstautor. Diese Forschungsarbeit wurde durch ein unabhängiges wissenschaftliches Forschungsprojekt der Tsinghua-Universität gefördert.