منبع نور یک پیشرفت مهم در فناوری لیتوگرافی EUV است.

در فوریه سال جاری، گروه تحقیقاتی پروفسور Tang Chuanxiang از گروه فیزیک مهندسی دانشگاه Tsinghua، با همکاری Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) و Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) در آلمان، مقاله ای را منتشر کردند. مقاله تحقیقاتی با عنوان "نمایش تجربی مکانیسم میکروبونچینگ حالت پایدار" در مجله Nature.

این مقاله اولین تایید آزمایشی یک منبع نوری جدید شتاب دهنده ذرات به نام "میکروبونچینگ حالت پایدار" (SSMB) را گزارش می دهد. بر اساس اصل SSMB، می توان تابش منسجم با توان بالا، نرخ تکرار بالا و پهنای باند باریکی را به دست آورد که طول موج های مختلف از تراهرتز تا فرابنفش شدید (EUV) را پوشش می دهد. این پتانسیل ایجاد فرصت های جدید گسترده ای برای تحقیقات علم فوتون را دارد.

بازبینان Nature این تحقیق را بسیار ستایش کردند و اظهار داشتند که این تحقیق "روش شناسی جدیدی را نشان می دهد" و "بی شک در زمینه های شتاب دهنده های ذرات و تشعشعات سنکروترون علاقه ایجاد خواهد کرد". یک مقاله تفسیری مرتبط در نیچر بیان کرد: "این آزمایش نحوه ترکیب ویژگی های دو نوع اصلی منبع نور شتاب دهنده، منابع تشعشع سنکروترون و لیزرهای الکترون آزاد را نشان می دهد."

کاربرد آینده منابع نور SSMB در زمینه هایی مانند لیتوگرافی EUV و طیف سنجی انتشار نوری با تفکیک زاویه ای مورد انتظار است. پس از انتشار، این مقاله بلافاصله مورد توجه جوامع دانشگاهی و صنعتی داخلی و بین المللی قرار گرفت.

در این آزمایش، تیم تحقیقاتی از لیزری با طول موج 1064 نانومتر برای دستکاری پرتو الکترونی در حلقه ذخیره‌سازی MLS واقع در برلین استفاده کرد. پس از تکمیل یک دور کامل دور حلقه (با محیط 48 متر)، پرتو الکترونی یک ریزساختار ظریف را تشکیل داد که به نام میکروبونچینگ معروف است. میکروبونچینگ نور منسجم با شدت بالا و پهنای باند باریک در طول موج لیزر و هارمونیک های آن تولید می کند. تشکیل میکروبونچینگ با تشخیص این تابش تایید شد.

تشکیل میکروبونچینگ نشان می‌دهد که فاز نوری الکترون‌ها می‌تواند با دقت طول موج فرعی در هر دور همبستگی داشته باشد و به الکترون‌ها اجازه می‌دهد تا در یک چاه پتانسیل نوری ایجاد شده توسط لیزر به دام بیفتند. این مکانیسم کار SSMB را تأیید می کند. تنظیمات آزمایشی در شکل 1 نشان داده شده است و برخی از نتایج تجربی در شکل 2 نشان داده شده است.

مفهوم SSMB توسط پروفسور وو ژائو و دانشجوی دکترای وی دانیل رتنر در دانشگاه استنفورد در سال 2010 پیشنهاد شد. وو ژائو به طور مداوم تحقیقات و همکاری بین المللی در مورد SSMB را ترویج می کند. در سال 2017، تانگ چوان شیانگ و وو ژائو این آزمایش را آغاز کردند. گروه تحقیقاتی Tang Chuanxiang تجزیه و تحلیل نظری و طراحی فیزیکی آزمایش را رهبری کردند، سیستم لیزری را برای آزمایش توسعه دادند، آزمایش را با واحدهای همکار انجام دادند و تجزیه و تحلیل داده‌ها و نوشتن کاغذ را تکمیل کردند.

انتظار می رود که این یک مسیر تکنولوژیکی جدید برای منابع نور لیتوگرافی EUV فراهم کند.

یکی از کاربردهای بالقوه منابع نور SSMB به عنوان منبع نور برای ماشین های لیتوگرافی EUV آینده است، به همین دلیل است که جامعه بین المللی توجه زیادی به تحقیقات SSMB در دانشگاه Tsinghua دارد.

در صنعت تولید نیمه هادی، دستگاه لیتوگرافی یک تجهیزات دقیق ضروری و پیچیده ترین و حیاتی ترین مرحله در فرآیند تولید تراشه مدار مجتمع است. وضوح دستگاه لیتوگرافی ارتباط مستقیمی با طول موج دارد. برای بیش از نیم قرن، طول موج منبع نور برای ماشین های لیتوگرافی به طور مداوم کاهش یافته است. نسل بعدی فناوری لیتوگرافی اصلی شناخته شده در صنعت تراشه، لیتوگرافی EUV با طول موج 13.5 نانومتر است. لیتوگرافی EUV با استفاده از نور فرابنفش شدید با طول موج تنها یک ده هزارم قطر مو برای «حک کردن» مدارها روی ویفرها کار می‌کند و در نهایت تراشه‌هایی به اندازه یک ناخن را قادر می‌سازد تا حاوی میلیاردها ترانزیستور باشند. این فرآیند فن‌آوری، سطح پیشرفته توسعه فن‌آوری انسانی را نشان می‌دهد. ASML، یک شرکت مستقر در هلند، در حال حاضر تنها تامین کننده دستگاه های لیتوگرافی EUV است و قیمت هر دستگاه بیش از 100 میلیون دلار است.

منبع نور پرقدرت EUV سنگ بنای ماشین های لیتوگرافی EUV است. در حال حاضر، ASML از لیزر پالسی پر انرژی برای بمباران یک هدف قلع مایع، ایجاد پلاسما و تولید نور EUV با طول موج 13.5 نانومتر، با قدرت حدود 250 وات استفاده می کند. با ادامه کاهش گره های ساخت تراشه، انتظار می رود که تقاضا برای قدرت در منابع نور EUV افزایش یابد و به سطح کیلووات برسد.

تانگ چوان شیانگ می گوید: به طور خلاصه، نور EUV مورد نیاز دستگاه های لیتوگرافی باید دارای طول موج کوتاه و توان بالا باشد. دستیابی به موفقیت در منابع نور پرقدرت EUV برای کاربردهای بیشتر و توسعه لیتوگرافی EUV بسیار مهم است. تانگ چوان شیانگ گفت: «انتظار می‌رود منابع نوری EUV مبتنی بر SSMB به میانگین توان بالایی دست یابند و پتانسیل گسترش طول موج به طول‌موج‌های کوتاه‌تر را نیز داشته باشند و راه‌حل جدیدی برای دستیابی به منابع نور پرقدرت EUV ارائه کنند.»

هنوز راه درازی برای توسعه مستقل ماشین‌های لیتوگرافی EUV وجود دارد و انتظار می‌رود که منابع نوری EUV مبتنی بر SSMB به مهم‌ترین گلوگاه در توسعه مستقل ماشین‌های لیتوگرافی رسیدگی کنند. این امر مستلزم پیشرفت های تکنولوژیکی مداوم در منابع نور SSMB EUV و همکاری در کل زنجیره صنعت به منظور دستیابی به موفقیت واقعی است.

تحقیق و توسعه مشارکتی

تیم SSMB در دانشگاه Tsinghua تجزیه و تحلیل نظری و شبیه‌سازی عددی آزمایش‌های راستی‌آزمایی اصل SSMB را در آوریل 2017 آغاز کرد. در 21 ژوئیه همان سال، Tang Chuanxiang و Zhao Wu اولین جلسه همکاری SSMB را در دانشگاه Tsinghua ترتیب دادند که منجر به تأسیس گروه تحقیقاتی بین المللی SSMB محققانی از چین، آلمان، ایالات متحده و سایر کشورها برای ترویج پروژه‌های تحقیقاتی مختلف، از جمله آزمایش‌های راستی‌آزمایی اصل SSMB، نیروهای خود را ملحق کردند. پس از چهار سال کار سخت، گروه تحقیقاتی SSMB پیشرفت چشمگیری داشت و به نتایجی دست یافت که در جهان پیشتاز است.

SSMB از لیزر برای متمرکز کردن الکترون ها استفاده می کند که طول موج سیستم فوکوس را در مقایسه با مایکروویو که معمولاً در منابع نوری سنکروترون استفاده می شود، 5 تا 6 مرتبه کوتاه می کند. بنابراین، برای تأیید اصل SSMB، شتاب دهنده باید بسیار زیاد باشد. دقت کنترل بر روی موقعیت طولی (فاز) الکترون ها در هر چرخش حلقه ذخیره سازی MLS در PTB در آلمان به نیازهای تجربی SSMB نزدیکتر است. دنگ ژیوجی، دانشجوی دکتری از دپارتمان فیزیک مهندسی دانشگاه تسینگ‌هوا، که در این آزمایش‌ها در آلمان شرکت کرد، گفت: تیم تحقیقاتی و با ما همکاری کردند.

از سال 2017، اعضای تیم Tsinghua هشت بار از برلین بازدید کرده اند و در مراحل مختلف آماده سازی و عملیات آزمایش شرکت کرده اند. پس از یک دوره طولانی تلاش، آزمایش در 31 آگوست 2019 با موفقیت انجام شد. دنگ ژیوجی گفت: "SSMB شامل اثرات فیزیکی متعدد است و از نظر فناوری چالش برانگیز است. این تیم قبل از اینکه به طور مداوم درک خود را از مشکلات فیزیکی و عملیات عملی شتاب دهنده عمیق تر کنند چندین تلاش ناموفق را تجربه کردند. در طول آزمایش، تا زمانی که هر مشکلی حل نشد، ما کار را متوقف نکردیم. "علاوه بر این، تیم آزمایشی SSMB یک تیم همکاری بین المللی است. از انطباق اولیه تا آشنایی و درک تدریجی یکدیگر، کل تیم بر این باور است که ما واقعاً به "1+1>>2" دست یافته ایم. همه از همکاری بیشتر مطمئن هستند. در آینده."

در حال حاضر، دانشگاه Tsinghua به طور فعال از پروژه ملی منبع نور SSMB EUV حمایت و ترویج می کند. گروه تحقیقاتی SSMB در Tsinghua یک طرح پیشنهادی برای "تأسیسات تحقیقاتی منبع نور فرابنفش شدید ریز دسته‌دار حالت پایدار" به کمیسیون توسعه و اصلاحات ملی (NDRC) ارائه کرده و برای زیرساخت‌های علمی و فناوری اصلی چهاردهمین دوره پنج‌گانه درخواست داده است. برنامه سال.

علاوه بر SSMB، کشورهایی مانند ژاپن نیز در حال تحقیق در مورد استفاده از Linac بازیابی انرژی (ERL) در طرح‌های لیزر الکترون آزاد (FEL) هستند. این طرح با حداکثر 10 کیلووات نور EUV می تواند به اوج قدرت بالاتری دست یابد و مهمتر از آن ردپای کربن کمتری دارد. بر اساس داده های سازمان تحقیقات شتاب دهنده انرژی بالا در ژاپن، هزینه مصرف انرژی FEL می تواند تقریباً یک هفتم طرح LPP باشد. با این حال، مانند SSMB، این نوع منبع نور نیز با چالش های فنی مختلفی روبرو است که باید بر آنها غلبه کرد و هزینه آن نیز بالاتر خواهد بود.