La source lumineuse constitue une avancée cruciale dans la technologie de lithographie EUV.

En février de cette année, le groupe de recherche du professeur Tang Chuanxiang du Département d'ingénierie physique de l'Université Tsinghua, en collaboration avec le Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) et le Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Allemagne, a publié un article de recherche intitulé « Démonstration expérimentale du mécanisme du microgroupage en régime permanent » dans la revue Nature.

L'article rapporte la première validation expérimentale d'une nouvelle source lumineuse d'accélérateur de particules appelée « microgroupage à l'état stable » (SSMB). Basé sur le principe SSMB, il est possible d'obtenir un rayonnement cohérent à haute puissance, à taux de répétition élevé et à bande passante étroite qui couvre des longueurs d'onde allant du térahertz à l'ultraviolet extrême (EUV). Cela pourrait potentiellement offrir de nouvelles opportunités pour la recherche scientifique sur les photons.

Les critiques de Nature ont hautement apprécié cette recherche, affirmant qu'elle « démontre une nouvelle méthodologie » et « suscitera sans aucun doute un intérêt dans les domaines des accélérateurs de particules et du rayonnement synchrotron ». Un article de commentaire connexe dans Nature déclarait : « Cette expérience démontre comment combiner les caractéristiques des deux principaux types de sources lumineuses d'accélérateur, les sources de rayonnement synchrotron et les lasers à électrons libres. »

L’application future des sources lumineuses SSMB est attendue dans des domaines tels que la lithographie EUV et la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire. Dès sa publication, cet article a immédiatement attiré l’attention des communautés universitaires et industrielles au niveau national et international.

Dans l'expérience, l'équipe de recherche a utilisé un laser d'une longueur d'onde de 1064 48 nm pour manipuler un faisceau d'électrons dans l'anneau de stockage MLS situé à Berlin. Après avoir effectué un tour complet autour de l’anneau (d’une circonférence de XNUMX mètres), le faisceau d’électrons a formé une microstructure fine, connue sous le nom de microgroupage. Le microgroupage génère une lumière cohérente de haute intensité et à bande passante étroite à la longueur d'onde du laser et à ses harmoniques. La formation de microgroupages a été vérifiée en détectant ce rayonnement.

La formation du microgroupage démontre que la phase optique des électrons peut être corrélée avec une précision inférieure à la longueur d'onde à chaque tour, permettant aux électrons d'être piégés de manière stable dans un puits de potentiel optique créé par le laser. Cela valide le mécanisme de fonctionnement de SSMB. La configuration expérimentale est illustrée à la figure 1 et certains des résultats expérimentaux sont présentés à la figure 2.

Le concept de SSMB a été proposé par le professeur Wu Zhao et son doctorant Daniel Ratner à l'Université de Stanford en 2010. Wu Zhao n'a cessé de promouvoir la recherche et la coopération internationale sur le SSMB. En 2017, Tang Chuanxiang et Wu Zhao ont lancé l'expérience. Le groupe de recherche de Tang Chuanxiang a dirigé l'analyse théorique et la conception physique de l'expérience, développé le système laser pour les tests, mené l'expérience avec les unités collaboratrices et terminé l'analyse des données et la rédaction du document.

Il devrait ouvrir une nouvelle voie technologique pour les sources lumineuses de lithographie EUV.

L'une des applications potentielles des sources lumineuses SSMB est celle des futures machines de lithographie EUV. C'est pourquoi la communauté internationale accorde une grande attention à la recherche SSMB à l'Université Tsinghua.

Dans l'industrie de fabrication de semi-conducteurs, la machine de lithographie est un équipement de précision essentiel et l'étape la plus complexe et la plus critique du processus de fabrication des puces de circuits intégrés. La résolution de la machine de lithographie est directement liée à la longueur d'onde. Depuis plus d’un demi-siècle, la longueur d’onde de la source lumineuse des machines de lithographie n’a cessé de diminuer. La technologie de lithographie grand public de nouvelle génération reconnue dans l’industrie des puces est la lithographie EUV avec une longueur d’onde de 13.5 nm. La lithographie EUV fonctionne en utilisant une lumière ultraviolette extrême avec une longueur d'onde d'un dix millième seulement du diamètre d'un cheveu pour « graver » des circuits sur des tranches, permettant finalement à des puces de la taille d'un ongle de contenir des milliards de transistors. Ce processus technologique met en valeur le niveau de pointe du développement technologique humain. ASML, une société basée aux Pays-Bas, est actuellement le seul fournisseur de machines de lithographie EUV, et chaque machine coûte plus de 100 millions de dollars.

Une source lumineuse EUV haute puissance est la pierre angulaire des machines de lithographie EUV. Actuellement, ASML utilise un laser pulsé haute énergie pour bombarder une cible d'étain liquide, créant ainsi un plasma et générant une lumière EUV d'une longueur d'onde de 13.5 nm, d'une puissance d'environ 250 watts. Avec la réduction continue du nombre de nœuds de fabrication de puces, la demande en énergie des sources lumineuses EUV devrait augmenter, atteignant le niveau du kilowatt.

"En bref, la lumière EUV requise par les machines de lithographie doit avoir une longueur d'onde courte et une puissance élevée", a déclaré Tang Chuanxiang. La percée des sources lumineuses EUV de haute puissance est cruciale pour de nouvelles applications et le développement de la lithographie EUV. Tang Chuanxiang a déclaré : « Les sources lumineuses EUV basées sur SSMB devraient atteindre une puissance moyenne élevée et avoir le potentiel d'étendre la longueur d'onde à des longueurs d'onde encore plus courtes, offrant ainsi une nouvelle solution pour la percée des sources lumineuses EUV de haute puissance.

Il reste encore un long chemin à parcourir dans le développement indépendant des machines de lithographie EUV, et les sources lumineuses EUV basées sur SSMB devraient résoudre le goulot d'étranglement le plus critique dans le développement indépendant des machines de lithographie. Cela nécessite des percées technologiques continues dans les sources lumineuses SSMB EUV et une coopération tout au long de la chaîne industrielle afin d’obtenir un véritable succès.

Recherche et développement collaboratifs

L'équipe SSMB de l'Université Tsinghua a commencé l'analyse théorique et la simulation numérique des expériences de vérification du principe SSMB en avril 2017. Le 21 juillet de la même année, Tang Chuanxiang et Zhao Wu ont organisé la première réunion de collaboration SSMB à l'Université Tsinghua, conduisant à la création de le groupe de recherche international SSMB. Des chercheurs de Chine, d’Allemagne, des États-Unis et d’autres pays ont uni leurs forces pour promouvoir divers projets de recherche, notamment des expériences de vérification du principe SSMB. Après quatre années de travail acharné, le groupe de recherche SSMB a réalisé des progrès significatifs et obtenu des résultats qui sont à la pointe du monde.

"SSMB utilise des lasers pour focaliser les électrons, ce qui raccourcit la longueur d'onde du système de focalisation de 5 à 6 ordres de grandeur par rapport aux micro-ondes couramment utilisées dans les sources de lumière synchrotron. Par conséquent, pour vérifier le principe du SSMB, l'accélérateur doit avoir une très haute contrôler la précision de la position longitudinale (phase) des électrons à chaque révolution. L'anneau de stockage MLS du PTB en Allemagne est le plus proche des exigences expérimentales du SSMB. Après les premiers contacts et communications entre nos professeurs, les institutions HZB et PTB en Allemagne se sont activement jointes l'équipe de recherche et a collaboré avec nous », a déclaré Deng Xiujie, doctorant du Département d'ingénierie physique de l'Université Tsinghua, qui a participé aux expériences en Allemagne.

Depuis 2017, les membres de l'équipe Tsinghua se sont rendus à Berlin huit fois, participant à différentes étapes de préparation et d'exploitation de l'expérience. Après une longue période d'efforts, l'expérience a réussi le 31 août 2019. Deng Xiujie a déclaré : « SSMB implique de multiples effets physiques et constitue un défi technologique. L'équipe a connu plusieurs tentatives infructueuses avant d'approfondir continuellement sa compréhension des problèmes physiques et des opérations pratiques de l'accélérateur. pendant l'expérience, jusqu'à ce que chaque problème soit résolu. Lorsque les expériences sur site n'étaient pas possibles, nous n'avons pas arrêté de travailler. Nous avons mené une analyse théorique sur les données expérimentales précédemment collectées, tenu des réunions de travail régulières et engagé des discussions par courrier électronique ou en ligne. « De plus, l'équipe expérimentale SSMB est une équipe de collaboration internationale. De l'adaptation initiale à la familiarisation et à la compréhension progressives, toute l'équipe estime que nous avons véritablement atteint « 1+1>>2 ». Tout le monde est confiant dans la poursuite de la coopération. à l'avenir."

Actuellement, l'Université Tsinghua soutient et promeut activement le projet national de la source lumineuse SSMB EUV. Le groupe de recherche SSMB de Tsinghua a soumis une proposition de projet pour un « Centre de recherche sur les sources de lumière ultraviolette extrême en micro-groupes à l'état stable » à la Commission nationale du développement et de la réforme (NDRC) et a postulé pour l'infrastructure scientifique et technologique majeure du 14e Cinq- Plan annuel.

En plus du SSMB, des pays comme le Japon étudient également l'utilisation du linac de récupération d'énergie (ERL) dans les systèmes de laser à électrons libres (FEL). Ce système peut atteindre une puissance de crête plus élevée, avec un maximum de lumière EUV de 10 kW, et, plus important encore, il a une empreinte carbone plus faible. Selon les données de l'Organisation japonaise de recherche sur les accélérateurs de haute énergie, le coût de la consommation d'énergie du FEL peut représenter environ un septième de celui du système LPP. Cependant, à l’instar du SSMB, ce type de source lumineuse est également confronté à divers défis techniques qui doivent être surmontés, et le coût sera également plus élevé.