מקור האור הוא פריצת דרך קריטית בטכנולוגיית הליטוגרפיה EUV.

בפברואר השנה פרסמה קבוצת המחקר של פרופסור טאנג צ'ואנג'יאנג מהמחלקה לפיזיקה הנדסית באוניברסיטת טסינגואה, בשיתוף עם Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) וה-Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) בגרמניה. מאמר מחקר שכותרתו "הדגמה נסיונית של מנגנון המיקרו-צרור במצב יציב" בכתב העת Nature.

המאמר מדווח על אימות ניסוי ראשון של מקור אור חדש של מאיץ חלקיקים בשם "Steady-state microbunching" (SSMB). בהתבסס על עיקרון SSMB, ניתן להשיג הספק גבוה, קצב חזרות גבוה וקרינה קוהרנטית ברוחב פס צר המכסה אורכי גל הנעים בין טרה-הרץ ל-UV (EUV). יש לזה פוטנציאל לספק הזדמנויות חדשות רחבות למחקר מדעי הפוטונים.

הסוקרים של Nature שיבחו מאוד את המחקר הזה, וקבעו שהוא "מדגים מתודולוגיה חדשה" ו"ייצור ללא ספק עניין בתחומי מאיצי החלקיקים וקרינת סינכרוטרונים". מאמר פרשנות בנושא ב-Nature קבע, "ניסוי זה מדגים כיצד לשלב את המאפיינים של שני הסוגים העיקריים של מקורות אור מאיץ, מקורות קרינת סינכרוטרונים ולייזרי אלקטרונים חופשיים."

היישום העתידי של מקורות אור SSMB צפוי בתחומים כמו ליטוגרפיה EUV וספקטרוסקופיה פוטו-פליטה עם פתרון זווית. עם פרסום, מאמר זה זכה מיד לתשומת לב משמעותית מהקהילות האקדמיות והתעשייתיות בארץ ובעולם.

בניסוי, צוות המחקר השתמש בלייזר עם אורך גל של 1064 ננומטר כדי לתפעל קרן אלקטרונים בטבעת האחסון MLS הממוקמת בברלין. לאחר השלמת סיבוב שלם אחד סביב הטבעת (בהיקף של 48 מטר), קרן האלקטרונים יצרה מיקרו-מבנה עדין, המכונה microbunching. Microbunching מייצר אור קוהרנטי בעל עוצמה גבוהה ברוחב פס צר באורך גל הלייזר וההרמוניה שלו. היווצרות המיקרו-צרור אומתה על ידי זיהוי קרינה זו.

היווצרות המיקרו-צרור מוכיחה שניתן לתאם את הפאזה האופטית של אלקטרונים עם דיוק תת-גל בכל סיבוב, מה שמאפשר לאלקטרונים להיות לכודים ביציבות בבאר פוטנציאל אופטי שנוצר על ידי הלייזר. זה מאמת את מנגנון העבודה של SSMB. מערך הניסוי מודגם באיור 1, וחלק מתוצאות הניסוי מוצגות באיור 2.

הרעיון של SSMB הוצע על ידי פרופסור וו ז'או והדוקטורנט שלו דניאל רטנר באוניברסיטת סטנפורד בשנת 2010. וו ז'או מקדם ללא הרף מחקר ושיתוף פעולה בינלאומי בנושא SSMB. בשנת 2017, Tang Chuanxiang ו- Wu Zhao יזמו את הניסוי. קבוצת המחקר של Tang Chuanxiang הובילה את הניתוח התיאורטי ואת התכנון הפיזי של הניסוי, פיתחה את מערכת הלייזר לבדיקה, ערכה את הניסוי עם יחידות משתפות פעולה, והשלימה את ניתוח הנתונים וכתיבת המאמר.

זה צפוי לספק מסלול טכנולוגי חדש עבור מקורות אור ליטוגרפיה EUV.

אחד מהיישומים הפוטנציאליים של מקורות אור SSMB הוא כמקור אור למכונות ליטוגרפיה עתידיות של EUV, וזו הסיבה שהקהילה הבינלאומית שמה תשומת לב רבה למחקר SSMB באוניברסיטת Tsinghua.

בתעשיית ייצור המוליכים למחצה, מכונת הליטוגרפיה היא ציוד דיוק חיוני והשלב המורכב והקריטי ביותר בתהליך ייצור שבבי מעגלים משולבים. הרזולוציה של מכונת הליטוגרפיה קשורה ישירות לאורך הגל. במשך למעלה מחצי מאה, אורך הגל של מקור האור עבור מכונות ליתוגרפיה הצטמצם ברציפות. טכנולוגיית הליטוגרפיה של הדור הבא המוכרת בתעשיית השבבים היא ליתוגרפיה EUV עם אורך גל של 13.5 ננומטר. ליטוגרפיית EUV פועלת על ידי שימוש באור אולטרה סגול קיצוני עם אורך גל רק בעשרת אלפים מקוטר שערה כדי "לחרוט" מעגלים על פרוסות, ובסופו של דבר מאפשרת לשבבים בגודל של ציפורן להכיל מיליארדי טרנזיסטורים. תהליך טכנולוגי זה מציג את הרמה המתקדמת של ההתפתחות הטכנולוגית האנושית. ASML, חברה שבסיסה בהולנד, היא כיום הספקית היחידה של מכונות ליטוגרפיה EUV, וכל מכונה מתומחרת במעל 100 מיליון דולר.

מקור אור EUV בעל עוצמה גבוהה הוא אבן הפינה של מכונות ליתוגרפיה של EUV. כיום, ASML משתמשת בלייזר פולס בעל אנרגיה גבוהה כדי להפציץ מטרת פח נוזלית, תוך יצירת פלזמה ויצירת אור EUV באורך גל של 13.5 ננומטר, עם הספק של כ-250 וואט. ככל שצמתי ייצור השבבים ימשיכו להתכווץ, צפוי כי הביקוש להספק במקורות אור EUV יגדל, ויגיע לרמת קילוואט.

"בקיצור, אור EUV הנדרש על ידי מכונות ליתוגרפיה צריך להיות בעל אורך גל קצר והספק גבוה", אמר Tang Chuanxiang. פריצת הדרך של מקורות אור EUV בעלי הספק גבוה חיונית ליישומים נוספים ולפיתוח של ליטוגרפיית EUV. Tang Chuanxiang אמר, "מקורות אור EUV מבוססי SSMB צפויים להשיג הספק ממוצע גבוה ובעלי פוטנציאל להארכת אורך גל לאורכי גל קצרים אף יותר, המספקים פתרון חדש לפריצת הדרך של מקורות אור EUV בעלי הספק גבוה".

יש עוד דרך ארוכה לעבור בפיתוח עצמאי של מכונות ליטוגרפיה EUV, ומקורות אור EUV מבוססי SSMB צפויים לטפל בצוואר הבקבוק הקריטי ביותר בפיתוח עצמאי של מכונות ליתוגרפיה. זה דורש פריצות דרך טכנולוגיות מתמשכות במקורות אור SSMB EUV ושיתוף פעולה לאורך כל שרשרת התעשייה על מנת להשיג הצלחה אמיתית.

מחקר ופיתוח שיתופי

צוות SSMB באוניברסיטת Tsinghua החל בניתוח תיאורטי וסימולציה מספרית של ניסויי אימות עקרונות SSMB באפריל 2017. ב-21 ביולי של אותה שנה, טאנג צ'ואנג'יאנג וג'או וו ארגנו את פגישת שיתוף הפעולה הראשונה של SSMB באוניברסיטת Tsinghua, שהובילה להקמת קבוצת המחקר הבינלאומית של SSMB. חוקרים מסין, גרמניה, ארצות הברית ומדינות אחרות איחדו כוחות כדי לקדם פרויקטים מחקריים שונים, כולל ניסויי אימות עקרונות SSMB. לאחר ארבע שנים של עבודה קשה, קבוצת המחקר SSMB התקדמה משמעותית והשיגה תוצאות המובילות בעולם.

"SSMB משתמש בלייזרים למיקוד אלקטרונים, מה שמקצר את אורך הגל של מערכת המיקוד ב-5 עד 6 סדרי גודל בהשוואה למיקרוגל הנפוץ במקורות אור סינכרוטרוניים. לכן, כדי לאמת את העיקרון של SSMB, המאיץ צריך להיות גבוה מאוד בקרת דיוק במיקום האורך (שלב) של אלקטרונים בכל מהפכה טבעת האחסון של MLS ב-PTB בגרמניה היא הקרובה ביותר לדרישות הניסוי של SSMB לאחר מגעים ראשוניים ותקשורת בין הפרופסורים שלנו, הצטרפו באופן פעיל מוסדות HZB ו-PTB בגרמניה צוות המחקר ושיתף איתנו פעולה", אמר דנג שיוג'י, דוקטורנט מהמחלקה לפיזיקה הנדסית באוניברסיטת טסינגואה, שהשתתף בניסויים בגרמניה.

מאז 2017, חברי צוות Tsinghua ביקרו בברלין שמונה פעמים, והשתתפו בשלבים שונים של הכנת הניסוי והפעלתו. לאחר תקופה ארוכה של מאמץ, הניסוי הצליח ב-31 באוגוסט 2019. דנג שיוג'י אמר, "SSMB כרוך במספר השפעות פיזיות והוא מאתגר מבחינה טכנולוגית. הצוות חווה מספר ניסיונות כושלים לפני שהעמיק ללא הרף את הבנתם בבעיות פיזיות ופעולות מאיץ מעשיות. במהלך הניסוי, עד שכל בעיה נפתרה כאשר ניסויים באתר לא היו אפשריים, ביצענו ניתוח תיאורטי על נתונים ניסיוניים שנאספו בעבר, קיימנו פגישות עבודה רגילות ועסקנו באימייל או בדיונים מקוונים. "בנוסף, צוות הניסויים של SSMB הוא צוות שיתוף פעולה בינלאומי. מההסתגלות הראשונית ועד להכרות והבנה הדרגתית אחד את השני, כל הצוות מאמין שבאמת השגנו את '1+1>>2'. כולם בטוחים בשיתוף פעולה נוסף בעתיד."

נכון לעכשיו, אוניברסיטת Tsinghua תומכת ומקדמת באופן פעיל את הפרויקט הלאומי של מקור האור SSMB EUV. קבוצת המחקר SSMB ב- Tsinghua הגישה הצעה לפרויקט עבור "מתקן מחקר של מקור אור אולטרה סגול קיצוני במיקרו-מצב קבוע" לוועדה הלאומית לפיתוח ורפורמה (NDRC) והגישה בקשה לתשתית המדעית והטכנולוגית העיקרית של החמישייה ה-14. תכנית שנה.

בנוסף ל-SSMB, מדינות כמו יפן חוקרות גם את השימוש ב-Energy Recovery Linac (ERL) בתוכניות לייזר אלקטרוני חופשי (FEL). תוכנית זו יכולה להשיג הספק שיא גבוה יותר, עם אור EUV של 10 קילוואט לכל היותר, וחשוב מכך, יש לה טביעת רגל פחמנית נמוכה יותר. על פי נתונים של ארגון מחקר מאיץ האנרגיה הגבוה ביפן, עלות צריכת האנרגיה של FEL יכולה להיות כשביעית מתוכנית ה-LPP. עם זאת, בדומה ל-SSMB, מקור אור מסוג זה מתמודד גם עם אתגרים טכניים שונים שיש להתגבר עליהם, וגם העלות תהיה גבוהה יותר.