La fuente de luz es un avance fundamental en la tecnología de litografía EUV.

En febrero de este año, el grupo de investigación del profesor Tang Chuanxiang del Departamento de Ingeniería Física de la Universidad de Tsinghua, en colaboración con el Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) y el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) de Alemania, publicó un artículo de investigación titulado "Demostración experimental del mecanismo de microagrupación en estado estacionario" en la revista Nature.

El artículo informa sobre la primera validación experimental de una nueva fuente de luz de acelerador de partículas llamada "Microbunching en estado estable" (SSMB). Basado en el principio SSMB, es posible obtener radiación coherente de alta potencia, alta tasa de repetición y ancho de banda estrecho que cubre longitudes de onda que van desde terahercios hasta ultravioleta extremo (EUV). Esto tiene el potencial de brindar nuevas y amplias oportunidades para la investigación de la ciencia de los fotones.

Los críticos de Nature elogiaron mucho esta investigación, afirmando que "demuestra una nueva metodología" y "sin duda generará interés en los campos de los aceleradores de partículas y la radiación sincrotrón". Un artículo de comentario relacionado en Nature afirmó: "Este experimento demuestra cómo combinar las características de los dos tipos principales de fuentes de luz de acelerador, fuentes de radiación de sincrotrón y láseres de electrones libres".

Se espera la aplicación futura de fuentes de luz SSMB en campos como la litografía EUV y la espectroscopia de fotoemisión con resolución angular. Tras su publicación, este artículo atrajo inmediatamente una atención significativa de las comunidades académica e industrial a nivel nacional e internacional.

En el experimento, el equipo de investigación utilizó un láser con una longitud de onda de 1064 nm para manipular un haz de electrones en el anillo de almacenamiento MLS ubicado en Berlín. Después de completar una revolución completa alrededor del anillo (con una circunferencia de 48 metros), el haz de electrones formó una fina microestructura, conocida como microbunching. El microbunching genera luz coherente de alta intensidad y ancho de banda estrecho en la longitud de onda del láser y sus armónicos. La formación de microaglomeraciones se verificó detectando esta radiación.

La formación de microaglomeraciones demuestra que la fase óptica de los electrones se puede correlacionar con una precisión inferior a la longitud de onda en cada revolución, lo que permite que los electrones queden atrapados de manera estable en un potencial óptico bien creado por el láser. Esto valida el mecanismo de funcionamiento de SSMB. La configuración experimental se ilustra en la Figura 1 y algunos de los resultados experimentales se muestran en la Figura 2.

El concepto de SSMB fue propuesto por el profesor Wu Zhao y su estudiante de doctorado Daniel Ratner en la Universidad de Stanford en 2010. Wu Zhao ha estado promoviendo continuamente la investigación y la cooperación internacional sobre SSMB. En 2017, Tang Chuanxiang y Wu Zhao iniciaron el experimento. El grupo de investigación de Tang Chuanxiang dirigió el análisis teórico y el diseño físico del experimento, desarrolló el sistema láser para realizar pruebas, llevó a cabo el experimento con unidades colaboradoras y completó el análisis de datos y la redacción del documento.

Se espera que proporcione una nueva vía tecnológica para las fuentes de luz de litografía EUV.

Una de las aplicaciones potenciales de las fuentes de luz SSMB es como fuente de luz para futuras máquinas de litografía EUV, razón por la cual la comunidad internacional presta gran atención a la investigación de SSMB en la Universidad de Tsinghua.

En la industria de fabricación de semiconductores, la máquina de litografía es un equipo de precisión esencial y el paso más complejo y crítico en el proceso de fabricación de chips de circuitos integrados. La resolución de la máquina de litografía está directamente relacionada con la longitud de onda. Desde hace más de medio siglo, la longitud de onda de la fuente de luz de las máquinas de litografía se ha reducido continuamente. La tecnología de litografía convencional de próxima generación reconocida en la industria de chips es la litografía EUV con una longitud de onda de 13.5 nm. La litografía EUV funciona utilizando luz ultravioleta extrema con una longitud de onda de sólo una diezmilésima parte del diámetro de un cabello para "grabar" circuitos en obleas, lo que en última instancia permite que chips del tamaño de una uña contengan miles de millones de transistores. Este proceso tecnológico muestra el nivel de vanguardia del desarrollo tecnológico humano. ASML, una empresa con sede en los Países Bajos, es actualmente el único proveedor de máquinas de litografía EUV, y cada máquina tiene un precio de más de 100 millones de dólares.

Una fuente de luz EUV de alta potencia es la piedra angular de las máquinas de litografía EUV. Actualmente, ASML utiliza un láser pulsado de alta energía para bombardear un objetivo de estaño líquido, creando plasma y generando luz EUV con una longitud de onda de 13.5 nm, con una potencia de unos 250 vatios. A medida que los nodos de fabricación de chips sigan reduciéndose, se espera que la demanda de energía en las fuentes de luz EUV aumente, alcanzando el nivel de kilovatios.

"En resumen, la luz EUV requerida por las máquinas de litografía debe tener una longitud de onda corta y alta potencia", dijo Tang Chuanxiang. El avance de las fuentes de luz EUV de alta potencia es crucial para futuras aplicaciones y desarrollo de la litografía EUV. Tang Chuanxiang dijo: "Se espera que las fuentes de luz EUV basadas en SSMB alcancen una potencia promedio alta y tengan el potencial de extender la longitud de onda a longitudes de onda aún más cortas, proporcionando una nueva solución para el avance de las fuentes de luz EUV de alta potencia".

Todavía queda un largo camino por recorrer en el desarrollo independiente de máquinas de litografía EUV, y se espera que las fuentes de luz EUV basadas en SSMB resuelvan el cuello de botella más crítico en el desarrollo independiente de máquinas de litografía. Esto requiere avances tecnológicos continuos en las fuentes de luz SSMB EUV y cooperación a lo largo de toda la cadena industrial para lograr un verdadero éxito.

Investigación y desarrollo colaborativo

El equipo SSMB de la Universidad de Tsinghua inició el análisis teórico y la simulación numérica de los experimentos de verificación de principios de SSMB en abril de 2017. El 21 de julio del mismo año, Tang Chuanxiang y Zhao Wu organizaron la primera reunión de colaboración de SSMB en la Universidad de Tsinghua, lo que condujo al establecimiento de el grupo de investigación internacional SSMB. Investigadores de China, Alemania, Estados Unidos y otros países unieron fuerzas para promover diversos proyectos de investigación, incluidos experimentos de verificación de principios SSMB. Después de cuatro años de arduo trabajo, el grupo de investigación SSMB logró avances significativos y logró resultados que son líderes en el mundo.

"SSMB utiliza láseres para enfocar electrones, lo que acorta la longitud de onda del sistema de enfoque en 5 a 6 órdenes de magnitud en comparación con el microondas comúnmente utilizado en fuentes de luz de sincrotrón. Por lo tanto, para verificar el principio de SSMB, el acelerador necesita tener muy alta Controle la precisión sobre la posición longitudinal (fase) de los electrones en cada revolución. El anillo de almacenamiento MLS en PTB en Alemania es el más cercano a los requisitos experimentales de SSMB. Después de los contactos y comunicaciones iniciales entre nuestros profesores, las instituciones HZB y PTB en Alemania se unieron activamente. equipo de investigación y colaboró ​​con nosotros", dijo Deng Xiujie, estudiante de doctorado del Departamento de Ingeniería Física de la Universidad de Tsinghua, que participó en los experimentos en Alemania.

Desde 2017, los miembros del equipo de Tsinghua han visitado Berlín ocho veces y han participado en diversas etapas de la preparación y operación del experimento. Después de un largo período de esfuerzo, el experimento tuvo éxito el 31 de agosto de 2019. Deng Xiujie dijo: "SSMB implica múltiples efectos físicos y es un desafío tecnológico. El equipo experimentó varios intentos fallidos antes de profundizar continuamente su comprensión de los problemas físicos y las operaciones prácticas del acelerador. Durante el experimento, hasta que se resolvió cada problema. Cuando los experimentos en el sitio no fueron posibles, no dejamos de trabajar, realizamos análisis teóricos sobre datos experimentales previamente recopilados, mantuvimos reuniones de trabajo periódicas y participamos en discusiones por correo electrónico o en línea. "Además, el equipo experimental de SSMB es un equipo de colaboración internacional. Desde la adaptación inicial hasta la familiarización y comprensión mutua gradual, todo el equipo cree que realmente hemos logrado '1+1>>2'. Todos confían en una mayor cooperación. en el futuro."

Actualmente, la Universidad de Tsinghua apoya y promueve activamente el proyecto nacional de la fuente de luz SSMB EUV. El grupo de investigación SSMB en Tsinghua presentó una propuesta de proyecto para la "Instalación de investigación de fuentes de luz ultravioleta extrema microagrupadas en estado estacionario" a la Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma (NDRC) y presentó una solicitud para la importante infraestructura científica y tecnológica del 14º Congreso Quinquenal. Plan anual.

Además de SSMB, países como Japón también están investigando el uso de Energy Recovery Linac (ERL) en esquemas de láser de electrones libres (FEL). Este esquema puede lograr una potencia máxima más alta, con un máximo de 10 kW de luz EUV y, lo que es más importante, tiene una menor huella de carbono. Según datos de la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía de Japón, el costo del consumo de energía de FEL puede ser aproximadamente una séptima parte del esquema LPP. Sin embargo, al igual que SSMB, este tipo de fuente de luz también enfrenta varios desafíos técnicos que deben superarse y el costo también será mayor.