Die Lichtquelle ist ein entscheidender Durchbruch in der EUV-Lithographietechnologie.

Im Februar dieses Jahres veröffentlichte die Forschungsgruppe von Professor Tang Chuanxiang vom Department of Engineering Physics der Tsinghua-Universität in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Deutschland a Forschungsarbeit mit dem Titel „Experimentelle Demonstration des Mechanismus der stationären Mikrobündelung“ in der Zeitschrift Nature.

Der Artikel berichtet über die erste experimentelle Validierung einer neuen Teilchenbeschleuniger-Lichtquelle namens „Steady-state microbunching“ (SSMB). Basierend auf dem SSMB-Prinzip ist es möglich, kohärente Strahlung mit hoher Leistung, hoher Wiederholungsrate und schmaler Bandbreite zu erhalten, die Wellenlängen von Terahertz bis zum extremen Ultraviolett (EUV) abdeckt. Dies hat das Potenzial, weitreichende neue Möglichkeiten für die photonenwissenschaftliche Forschung zu eröffnen.

Die Rezensenten von Nature lobten diese Forschung hoch und erklärten, dass sie „eine neue Methodik demonstriert“ und „zweifellos Interesse in den Bereichen Teilchenbeschleuniger und Synchrotronstrahlung wecken wird“. In einem entsprechenden Kommentarartikel in Nature heißt es: „Dieses Experiment zeigt, wie man die Eigenschaften der beiden Haupttypen von Beschleunigerlichtquellen, Synchrotronstrahlungsquellen und Freie-Elektronen-Lasern, kombiniert.“

Die zukünftige Anwendung von SSMB-Lichtquellen wird in Bereichen wie der EUV-Lithographie und der winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie erwartet. Nach der Veröffentlichung erregte dieses Papier sofort große Aufmerksamkeit in der akademischen und industriellen Gemeinschaft im In- und Ausland.

Im Experiment manipulierte das Forschungsteam mit einem Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm einen Elektronenstrahl im Speicherring MLS in Berlin. Nach einer vollständigen Umdrehung des Rings (mit einem Umfang von 48 Metern) bildete der Elektronenstrahl eine feine Mikrostruktur, die als Mikrobündelung bezeichnet wird. Microbunching erzeugt hochintensives, schmalbandiges kohärentes Licht bei der Laserwellenlänge und ihren Harmonischen. Die Bildung von Mikrobündelung wurde durch den Nachweis dieser Strahlung nachgewiesen.

Die Bildung von Mikrobündelung zeigt, dass die optische Phase von Elektronen bei jeder Umdrehung mit einer Präzision unterhalb der Wellenlänge korreliert werden kann, wodurch die Elektronen stabil in einem vom Laser erzeugten optischen Potentialtopf eingefangen werden können. Dies validiert den Arbeitsmechanismus von SSMB. Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 1 dargestellt und einige der Versuchsergebnisse sind in Abbildung 2 dargestellt.

Das SSMB-Konzept wurde 2010 von Professor Wu Zhao und seinem Doktoranden Daniel Ratner an der Stanford University vorgeschlagen. Wu Zhao fördert kontinuierlich die Forschung und internationale Zusammenarbeit im Bereich SSMB. Im Jahr 2017 initiierten Tang Chuanxiang und Wu Zhao das Experiment. Die Forschungsgruppe von Tang Chuanxiang leitete die theoretische Analyse und den physikalischen Entwurf des Experiments, entwickelte das Lasersystem zum Testen, führte das Experiment mit zusammenarbeitenden Einheiten durch und schloss die Datenanalyse und das Verfassen von Papieren ab.

Es wird erwartet, dass es einen neuen technologischen Weg für EUV-Lithographie-Lichtquellen eröffnet.

Eine der potenziellen Anwendungen von SSMB-Lichtquellen ist die Verwendung als Lichtquelle für zukünftige EUV-Lithographiemaschinen, weshalb die internationale Gemeinschaft der SSMB-Forschung an der Tsinghua-Universität große Aufmerksamkeit schenkt.

In der Halbleiterfertigungsindustrie ist die Lithografiemaschine ein unverzichtbares Präzisionsgerät und der komplexeste und kritischste Schritt im Prozess der Herstellung integrierter Schaltkreischips. Die Auflösung der Lithographiemaschine hängt direkt von der Wellenlänge ab. Seit über einem halben Jahrhundert wird die Wellenlänge der Lichtquelle für Lithographiemaschinen kontinuierlich reduziert. Die anerkannte Mainstream-Lithographietechnologie der nächsten Generation in der Chipindustrie ist die EUV-Lithographie mit einer Wellenlänge von 13.5 nm. Bei der EUV-Lithographie wird extrem ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von nur einem Zehntausendstel des Durchmessers eines Haares verwendet, um Schaltkreise auf Wafer zu „ätzen“, was letztendlich ermöglicht, dass Chips in der Größe eines Fingernagels Milliarden von Transistoren enthalten. Dieser technologische Prozess zeigt den neuesten Stand der menschlichen technologischen Entwicklung. ASML, ein Unternehmen mit Sitz in den Niederlanden, ist derzeit der einzige Anbieter von EUV-Lithografiemaschinen, und jede Maschine hat einen Preis von über 100 Millionen US-Dollar.

Eine leistungsstarke EUV-Lichtquelle ist der Grundstein für EUV-Lithographiemaschinen. Derzeit verwendet ASML einen hochenergetischen gepulsten Laser, um ein flüssiges Zinnziel zu bombardieren, wodurch Plasma und EUV-Licht mit einer Wellenlänge von 13.5 nm und einer Leistung von etwa 250 Watt erzeugt werden. Da die Zahl der Chip-Fertigungsknoten weiter schrumpft, wird erwartet, dass der Energiebedarf für EUV-Lichtquellen steigt und das Kilowatt-Niveau erreicht.

„Kurz gesagt, das von Lithografiemaschinen benötigte EUV-Licht muss eine kurze Wellenlänge und eine hohe Leistung haben“, sagte Tang Chuanxiang. Der Durchbruch leistungsstarker EUV-Lichtquellen ist entscheidend für weitere Anwendungen und die Entwicklung der EUV-Lithographie. Tang Chuanxiang sagte: „Es wird erwartet, dass SSMB-basierte EUV-Lichtquellen eine hohe Durchschnittsleistung erreichen und das Potenzial für eine Wellenlängenerweiterung auf noch kürzere Wellenlängen haben, was eine neue Lösung für den Durchbruch leistungsstarker EUV-Lichtquellen darstellt.“

Bei der unabhängigen Entwicklung von EUV-Lithographiemaschinen liegt noch ein langer Weg vor uns, und SSMB-basierte EUV-Lichtquellen werden voraussichtlich den kritischsten Engpass bei der unabhängigen Entwicklung von Lithographiemaschinen beseitigen. Dies erfordert kontinuierliche technologische Durchbrüche bei SSMB-EUV-Lichtquellen und eine Zusammenarbeit entlang der gesamten Industriekette, um echten Erfolg zu erzielen.

Gemeinsame Forschung und Entwicklung

Das SSMB-Team an der Tsinghua-Universität begann im April 2017 mit der theoretischen Analyse und numerischen Simulation von Experimenten zur Überprüfung des SSMB-Prinzips. Am 21. Juli desselben Jahres organisierten Tang Chuanxiang und Zhao Wu das erste SSMB-Zusammenarbeitstreffen an der Tsinghua-Universität, das zur Gründung von führte die internationale SSMB-Forschungsgruppe. Forscher aus China, Deutschland, den Vereinigten Staaten und anderen Ländern haben sich zusammengeschlossen, um verschiedene Forschungsprojekte zu fördern, darunter Experimente zur Überprüfung des SSMB-Prinzips. Nach vier Jahren harter Arbeit hat die SSMB-Forschungsgruppe erhebliche Fortschritte gemacht und Ergebnisse erzielt, die weltweit führend sind.

„SSMB verwendet Laser, um Elektronen zu fokussieren, was die Wellenlänge des Fokussiersystems im Vergleich zu den üblicherweise in Synchrotronlichtquellen verwendeten Mikrowellen um 5 bis 6 Größenordnungen verkürzt. Um das Prinzip von SSMB zu überprüfen, muss der Beschleuniger daher sehr hoch sein Kontrollgenauigkeit über die Längsposition (Phase) der Elektronen in jeder Umdrehung Der MLS-Speicherring an der PTB in Deutschland kommt den experimentellen Anforderungen des SSMB am nächsten. Nach ersten Kontakten und Kommunikationen zwischen unseren Professoren haben sich das HZB und die PTB-Institutionen in Deutschland aktiv angeschlossen das Forschungsteam und hat mit uns zusammengearbeitet“, sagte Deng Xiujie, ein Doktorand vom Department of Engineering Physics der Tsinghua-Universität, der an den Experimenten in Deutschland teilnahm.

Seit 2017 haben Mitglieder des Tsinghua-Teams acht Mal Berlin besucht und an verschiedenen Phasen der Experimentvorbereitung und -durchführung teilgenommen. Nach langer Anstrengung war das Experiment am 31. August 2019 erfolgreich. Deng Xiujie sagte: „SSMB beinhaltet mehrere physikalische Effekte und ist technologisch anspruchsvoll.“ Das Team erlebte mehrere gescheiterte Versuche, bevor es sein Verständnis der physikalischen Probleme und des praktischen Beschleunigerbetriebs kontinuierlich vertiefte Während des Experiments, bis jedes Problem gelöst war, haben wir nicht aufgehört zu arbeiten. Wir führten theoretische Analysen der zuvor gesammelten experimentellen Daten durch, hielten regelmäßige Arbeitstreffen ab und beteiligten uns an E-Mail- oder Online-Diskussionen. „Darüber hinaus ist das SSMB-Experimentalteam ein internationales Kollaborationsteam. Von der ersten Anpassung bis hin zum allmählichen Kennenlernen und gegenseitigen Verstehen ist das gesamte Team davon überzeugt, dass wir wirklich ‚1+1>>2‘ erreicht haben. Jeder ist zuversichtlich in die weitere Zusammenarbeit.“ in der Zukunft."

Derzeit unterstützt und fördert die Tsinghua-Universität aktiv das nationale Projekt der EUV-Lichtquelle SSMB. Die SSMB-Forschungsgruppe in Tsinghua hat einen Projektvorschlag für eine „Steady-State Micro-Bunched Extreme Ultraviolet Light Source Research Facility“ bei der National Development and Reform Commission (NDRC) eingereicht und sich für die große wissenschaftliche und technologische Infrastruktur des 14. Jahrhunderts beworben. Jahresplan.

Neben SSMB erforschen auch Länder wie Japan den Einsatz von Energy Recovery Linac (ERL) in Freie-Elektronen-Laser-Programmen (FEL). Dieses System kann mit maximal 10 kW EUV-Licht eine höhere Spitzenleistung erreichen und, was noch wichtiger ist, es hat einen geringeren COXNUMX-Fußabdruck. Nach Angaben der High Energy Accelerator Research Organization in Japan können die Energieverbrauchskosten von FEL etwa ein Siebtel des LPP-Systems betragen. Allerdings stehen auch bei dieser Art von Lichtquelle, ähnlich wie bei SSMB, verschiedene technische Herausforderungen an, die es zu überwinden gilt, und auch die Kosten werden höher sein.