Sumber cahaya merupakan terobosan penting dalam teknologi litografi EUV.

Pada bulan Februari tahun ini, kelompok penelitian Profesor Tang Chuanxiang dari Departemen Teknik Fisika di Universitas Tsinghua, bekerja sama dengan Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) dan Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) di Jerman, menerbitkan sebuah makalah penelitian berjudul "Demonstrasi eksperimental mekanisme microbunching kondisi tunak" di jurnal Nature.

Makalah ini melaporkan validasi eksperimental pertama dari sumber cahaya akselerator partikel baru yang disebut "Steady-state microbunching" (SSMB). Berdasarkan prinsip SSMB, dimungkinkan untuk memperoleh radiasi koheren berdaya tinggi, laju pengulangan tinggi, dan bandwidth sempit yang mencakup panjang gelombang mulai dari terahertz hingga ultraviolet ekstrim (EUV). Hal ini berpotensi memberikan peluang baru yang luas bagi penelitian ilmu foton.

Para pengulas Alam sangat memuji penelitian ini, dengan menyatakan bahwa penelitian ini "menunjukkan metodologi baru" dan "tidak diragukan lagi akan membangkitkan minat di bidang akselerator partikel dan radiasi sinkrotron". Sebuah artikel komentar terkait di Nature menyatakan, "Eksperimen ini menunjukkan bagaimana menggabungkan karakteristik dua jenis utama sumber cahaya akselerator, sumber radiasi sinkrotron, dan laser elektron bebas."

Penerapan sumber cahaya SSMB di masa depan diharapkan dalam bidang-bidang seperti litografi EUV dan spektroskopi fotoemisi sudut-terselesaikan. Setelah dipublikasikan, makalah ini langsung mendapat perhatian signifikan dari kalangan akademisi dan industri di dalam negeri dan internasional.

Dalam percobaannya, tim peneliti menggunakan laser dengan panjang gelombang 1064 nm untuk memanipulasi berkas elektron di cincin penyimpanan MLS yang berlokasi di Berlin. Setelah menyelesaikan satu putaran penuh mengelilingi cincin (dengan keliling 48 meter), berkas elektron membentuk struktur mikro halus yang disebut mikrobunching. Microbunching menghasilkan cahaya koheren dengan intensitas tinggi dan bandwidth sempit pada panjang gelombang laser dan harmoniknya. Pembentukan microbunching diverifikasi dengan mendeteksi radiasi ini.

Pembentukan microbunching menunjukkan bahwa fase optik elektron dapat dikorelasikan dengan presisi sub-panjang gelombang pada setiap putaran, memungkinkan elektron terperangkap secara stabil dalam potensi optik yang diciptakan oleh laser. Ini memvalidasi mekanisme kerja SSMB. Pengaturan eksperimen diilustrasikan pada Gambar 1, dan beberapa hasil eksperimen ditunjukkan pada Gambar 2.

Konsep SSMB diusulkan oleh Profesor Wu Zhao dan mahasiswa doktoralnya Daniel Ratner di Universitas Stanford pada tahun 2010. Wu Zhao terus mempromosikan penelitian dan kerja sama internasional di SSMB. Pada tahun 2017, Tang Chuanxiang dan Wu Zhao memulai eksperimen tersebut. Kelompok riset Tang Chuanxiang memimpin analisis teoretis dan desain fisik eksperimen, mengembangkan sistem laser untuk pengujian, melakukan eksperimen dengan unit yang berkolaborasi, dan menyelesaikan analisis data serta penulisan makalah.

Hal ini diharapkan dapat memberikan jalur teknologi baru untuk sumber cahaya litografi EUV.

Salah satu potensi penerapan sumber cahaya SSMB adalah sebagai sumber cahaya untuk mesin litografi EUV masa depan, itulah sebabnya komunitas internasional menaruh perhatian besar pada penelitian SSMB di Universitas Tsinghua.

Dalam industri manufaktur semikonduktor, mesin litografi merupakan peralatan presisi yang penting dan merupakan langkah paling kompleks dan kritis dalam proses pembuatan chip sirkuit terpadu. Resolusi mesin litografi berhubungan langsung dengan panjang gelombang. Selama lebih dari setengah abad, panjang gelombang sumber cahaya untuk mesin litografi terus dikurangi. Teknologi litografi arus utama generasi berikutnya yang diakui dalam industri chip adalah litografi EUV dengan panjang gelombang 13.5nm. Litografi EUV bekerja dengan menggunakan sinar ultraviolet ekstrim dengan panjang gelombang hanya sepersepuluh ribu diameter rambut untuk "menggores" sirkuit ke wafer, yang pada akhirnya memungkinkan chip seukuran kuku mengandung miliaran transistor. Proses teknologi ini menunjukkan tingkat perkembangan teknologi manusia yang mutakhir. ASML, sebuah perusahaan yang berbasis di Belanda, saat ini merupakan satu-satunya pemasok mesin litografi EUV, dan setiap mesin dihargai lebih dari $100 juta.

Sumber cahaya EUV berdaya tinggi adalah landasan mesin litografi EUV. Saat ini, ASML menggunakan laser berdenyut berenergi tinggi untuk membombardir target timah cair, menghasilkan plasma dan menghasilkan cahaya EUV dengan panjang gelombang 13.5nm, dengan daya sekitar 250 watt. Karena node fabrikasi chip terus menyusut, permintaan daya pada sumber cahaya EUV diperkirakan akan meningkat, mencapai tingkat kilowatt.

“Singkatnya, cahaya EUV yang dibutuhkan oleh mesin litografi harus memiliki panjang gelombang pendek dan daya tinggi,” kata Tang Chuanxiang. Terobosan sumber cahaya EUV berdaya tinggi sangat penting untuk aplikasi lebih lanjut dan pengembangan litografi EUV. Tang Chuanxiang berkata, "Sumber cahaya EUV berbasis SSMB diharapkan dapat mencapai daya rata-rata yang tinggi dan berpotensi memperluas panjang gelombang hingga panjang gelombang yang lebih pendek, sehingga memberikan solusi baru bagi terobosan sumber cahaya EUV berdaya tinggi."

Jalan yang harus ditempuh dalam pengembangan independen mesin litografi EUV masih panjang, dan sumber cahaya EUV berbasis SSMB diharapkan dapat mengatasi hambatan paling kritis dalam pengembangan independen mesin litografi. Hal ini memerlukan terobosan teknologi berkelanjutan pada sumber cahaya SSMB EUV dan kerja sama di seluruh rantai industri untuk mencapai kesuksesan sejati.

Penelitian dan pengembangan kolaboratif

Tim SSMB di Universitas Tsinghua memulai analisis teoretis dan simulasi numerik eksperimen verifikasi prinsip SSMB pada bulan April 2017. Pada tanggal 21 Juli di tahun yang sama, Tang Chuanxiang dan Zhao Wu menyelenggarakan pertemuan kolaborasi SSMB pertama di Universitas Tsinghua, yang mengarah pada pembentukan kelompok penelitian SSMB internasional. Para peneliti dari Tiongkok, Jerman, Amerika Serikat, dan negara-negara lain bekerja sama untuk mempromosikan berbagai proyek penelitian, termasuk eksperimen verifikasi prinsip SSMB. Setelah empat tahun bekerja keras, kelompok penelitian SSMB mencapai kemajuan signifikan dan mencapai hasil yang memimpin dunia.

"SSMB menggunakan laser untuk memfokuskan elektron, yang memperpendek panjang gelombang sistem pemfokusan sebesar 5 hingga 6 kali lipat dibandingkan dengan gelombang mikro yang biasa digunakan dalam sumber cahaya sinkrotron. Oleh karena itu, untuk memverifikasi prinsip SSMB, akselerator harus memiliki daya yang sangat tinggi mengontrol presisi atas posisi longitudinal (fase) elektron di setiap revolusi. Cincin penyimpanan MLS di PTB di Jerman paling dekat dengan persyaratan eksperimental SSMB. Setelah kontak awal dan komunikasi antara profesor kami, institusi HZB dan PTB di Jerman secara aktif bergabung tim peneliti dan berkolaborasi dengan kami,” kata Deng Xiujie, mahasiswa doktoral dari Departemen Teknik Fisika di Universitas Tsinghua, yang berpartisipasi dalam eksperimen di Jerman.

Sejak tahun 2017, anggota tim Tsinghua telah mengunjungi Berlin delapan kali, berpartisipasi dalam berbagai tahap persiapan dan pengoperasian eksperimen. Setelah upaya jangka panjang, percobaan tersebut berhasil pada tanggal 31 Agustus 2019. Deng Xiujie berkata, "SSMB melibatkan banyak efek fisik dan menantang secara teknologi. Tim mengalami beberapa percobaan yang gagal sebelum terus memperdalam pemahaman mereka tentang masalah fisik dan operasi akselerator praktis selama percobaan, sampai setiap masalah terselesaikan. Ketika percobaan di tempat tidak memungkinkan, kami tidak berhenti bekerja. Kami melakukan analisis teoretis terhadap data eksperimen yang dikumpulkan sebelumnya, mengadakan rapat kerja rutin, dan terlibat dalam email atau diskusi online." “Selain itu, tim eksperimen SSMB merupakan tim kolaborasi internasional. Dari adaptasi awal hingga pengenalan dan pemahaman satu sama lain secara bertahap, seluruh tim yakin bahwa kami benar-benar telah mencapai '1+1>>2'. Semua orang yakin untuk kerja sama lebih lanjut di masa depan."

Saat ini, Universitas Tsinghua secara aktif mendukung dan mempromosikan proyek nasional sumber cahaya SSMB EUV. Kelompok penelitian SSMB di Tsinghua telah mengajukan proposal proyek untuk "Fasilitas Penelitian Sumber Cahaya Ultraviolet Ekstrim Berkelompok Mikro Keadaan Tetap" kepada Komisi Pembangunan dan Reformasi Nasional (NDRC) dan diterapkan untuk infrastruktur ilmiah dan teknologi utama dari Lima-14. Rencana Tahun.

Selain SSMB, negara seperti Jepang juga sedang meneliti penggunaan Energy Recovery Linac (ERL) dalam skema Free Electron Laser (FEL). Skema ini dapat mencapai daya puncak yang lebih tinggi, dengan cahaya EUV maksimum 10 kW, dan yang lebih penting, skema ini memiliki jejak karbon yang lebih rendah. Menurut data dari Organisasi Riset Akselerator Energi Tinggi di Jepang, biaya konsumsi energi FEL kira-kira sepertujuh dari skema LPP. Namun, serupa dengan SSMB, sumber cahaya jenis ini juga menghadapi berbagai tantangan teknis yang perlu diatasi, dan biayanya juga akan lebih tinggi.