La sorgente luminosa rappresenta una svolta fondamentale nella tecnologia di litografia EUV.

Nel febbraio di quest'anno, il gruppo di ricerca del professor Tang Chuanxiang del Dipartimento di Ingegneria Fisica dell'Università di Tsinghua, in collaborazione con l'Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) e il Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Germania, ha pubblicato uno studio articolo di ricerca intitolato "Dimostrazione sperimentale del meccanismo del microbunching allo stato stazionario" sulla rivista Nature.

L'articolo riporta la prima validazione sperimentale di una nuova sorgente luminosa per acceleratore di particelle denominata "Steady-state microbunching" (SSMB). Basandosi sul principio SSMB, è possibile ottenere radiazione coerente ad alta potenza, alta velocità di ripetizione e larghezza di banda stretta che copre lunghezze d'onda che vanno dai terahertz all'ultravioletto estremo (EUV). Ciò ha il potenziale per fornire nuove ampie opportunità per la ricerca scientifica sui fotoni.

I revisori di Nature hanno elogiato molto questa ricerca, affermando che "dimostra una nuova metodologia" e "susciterà senza dubbio interesse nei campi degli acceleratori di particelle e della radiazione di sincrotrone". Un articolo di commento correlato su Nature affermava: "Questo esperimento dimostra come combinare le caratteristiche dei due principali tipi di sorgenti luminose dell'acceleratore, sorgenti di radiazione di sincrotrone e laser a elettroni liberi".

Si prevede la futura applicazione delle sorgenti luminose SSMB in campi come la litografia EUV e la spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo. Dopo la pubblicazione, questo documento ha immediatamente raccolto una significativa attenzione da parte delle comunità accademiche e industriali a livello nazionale e internazionale.

Nell'esperimento il team di ricerca ha utilizzato un laser con una lunghezza d'onda di 1064 nm per manipolare un fascio di elettroni nell'anello di accumulazione MLS situato a Berlino. Dopo aver completato un giro completo attorno all'anello (con una circonferenza di 48 metri), il fascio di elettroni ha formato una microstruttura fine, nota come microbunching. Il microbunching genera luce coerente ad alta intensità e a larghezza di banda stretta alla lunghezza d'onda del laser e alle sue armoniche. La formazione di microbunching è stata verificata rilevando questa radiazione.

La formazione del microbunching dimostra che la fase ottica degli elettroni può essere correlata con una precisione sub-lunghezza d'onda su ogni giro, consentendo agli elettroni di essere stabilmente intrappolati in un pozzo di potenziale ottico creato dal laser. Ciò convalida il meccanismo di funzionamento di SSMB. La configurazione sperimentale è illustrata nella Figura 1 e alcuni dei risultati sperimentali sono mostrati nella Figura 2.

Il concetto di SSMB è stato proposto dal professor Wu Zhao e dal suo dottorando Daniel Ratner presso l'Università di Stanford nel 2010. Wu Zhao promuove continuamente la ricerca e la cooperazione internazionale sulla SSMB. Nel 2017, Tang Chuanxiang e Wu Zhao hanno avviato l’esperimento. Il gruppo di ricerca di Tang Chuanxiang ha guidato l'analisi teorica e la progettazione fisica dell'esperimento, ha sviluppato il sistema laser per i test, ha condotto l'esperimento con unità collaboratrici e ha completato l'analisi dei dati e la stesura della carta.

Si prevede che fornirà un nuovo percorso tecnologico per le sorgenti luminose della litografia EUV.

Una delle potenziali applicazioni delle sorgenti luminose SSMB è come fonte di luce per le future macchine litografiche EUV, motivo per cui la comunità internazionale presta grande attenzione alla ricerca SSMB presso l'Università di Tsinghua.

Nell'industria manifatturiera dei semiconduttori, la macchina litografica è un'apparecchiatura di precisione essenziale e la fase più complessa e critica nel processo di produzione di chip di circuiti integrati. La risoluzione della macchina litografica è direttamente correlata alla lunghezza d'onda. Da oltre mezzo secolo la lunghezza d’onda della sorgente luminosa delle macchine litografiche viene continuamente ridotta. La tecnologia di litografia tradizionale di prossima generazione riconosciuta nel settore dei chip è la litografia EUV con una lunghezza d'onda di 13.5 nm. La litografia EUV funziona utilizzando la luce ultravioletta estrema con una lunghezza d'onda pari a solo un decimillesimo del diametro di un capello per "incidere" i circuiti sui wafer, consentendo infine ai chip delle dimensioni di un'unghia di contenere miliardi di transistor. Questo processo tecnologico mostra il livello d’avanguardia dello sviluppo tecnologico umano. ASML, una società con sede nei Paesi Bassi, è attualmente l'unico fornitore di macchine per litografia EUV e ciascuna macchina ha un prezzo di oltre 100 milioni di dollari.

Una sorgente luminosa EUV ad alta potenza è il fulcro delle macchine per litografia EUV. Attualmente, ASML utilizza un laser pulsato ad alta energia per bombardare un bersaglio di stagno liquido, creando plasma e generando luce EUV con una lunghezza d'onda di 13.5 nm, con una potenza di circa 250 watt. Con la continua riduzione dei nodi di fabbricazione dei chip, si prevede che la domanda di potenza per le sorgenti luminose EUV aumenterà, raggiungendo il livello del kilowatt.

"In breve, la luce EUV richiesta dalle macchine litografiche deve avere una lunghezza d'onda corta e un'elevata potenza", ha affermato Tang Chuanxiang. La svolta delle sorgenti luminose EUV ad alta potenza è fondamentale per ulteriori applicazioni e sviluppo della litografia EUV. Tang Chuanxiang ha affermato: "Si prevede che le sorgenti luminose EUV basate su SSMB raggiungeranno una potenza media elevata e avranno il potenziale per l'estensione della lunghezza d'onda a lunghezze d'onda ancora più corte, fornendo una nuova soluzione per la svolta delle sorgenti luminose EUV ad alta potenza".

C'è ancora molta strada da fare nello sviluppo indipendente delle macchine litografiche EUV e si prevede che le sorgenti luminose EUV basate su SSMB risolveranno il collo di bottiglia più critico nello sviluppo indipendente delle macchine litografiche. Ciò richiede continui progressi tecnologici nelle sorgenti luminose SSMB EUV e la cooperazione lungo l’intera catena industriale per raggiungere il vero successo.

Ricerca e sviluppo collaborativi

Il team SSMB dell'Università di Tsinghua ha avviato l'analisi teorica e la simulazione numerica degli esperimenti di verifica dei principi SSMB nell'aprile 2017. Il 21 luglio dello stesso anno, Tang Chuanxiang e Zhao Wu hanno organizzato il primo incontro di collaborazione SSMB presso l'Università di Tsinghua, portando alla creazione di il gruppo di ricerca internazionale SSMB. Ricercatori provenienti da Cina, Germania, Stati Uniti e altri paesi hanno unito le forze per promuovere vari progetti di ricerca, inclusi esperimenti di verifica dei principi SSMB. Dopo quattro anni di duro lavoro, il gruppo di ricerca della SSMB ha compiuto progressi significativi e ottenuto risultati di livello mondiale.

"L'SSMB utilizza i laser per focalizzare gli elettroni, il che accorcia la lunghezza d'onda del sistema di focalizzazione di 5-6 ordini di grandezza rispetto alle microonde comunemente utilizzate nelle sorgenti di luce di sincrotrone. Pertanto, per verificare il principio dell'SSMB, l'acceleratore deve avere una potenza molto elevata precisione di controllo sulla posizione longitudinale (fase) degli elettroni in ogni rivoluzione L'anello di accumulazione MLS del PTB in Germania è il più vicino ai requisiti sperimentali della SSMB Dopo i contatti e le comunicazioni iniziali tra i nostri professori, le istituzioni HZB e PTB in Germania si sono unite attivamente il gruppo di ricerca e ha collaborato con noi", ha affermato Deng Xiujie, uno studente di dottorato del Dipartimento di Ingegneria Fisica dell'Università di Tsinghua, che ha partecipato agli esperimenti in Germania.

Dal 2017, i membri del team Tsinghua hanno visitato Berlino otto volte, partecipando a varie fasi della preparazione e del funzionamento dell'esperimento. Dopo un lungo periodo di sforzi, l'esperimento ha avuto successo il 31 agosto 2019. Deng Xiujie ha affermato: "SSMB comporta molteplici effetti fisici ed è tecnologicamente impegnativo. Il team ha sperimentato diversi tentativi falliti prima di approfondire continuamente la comprensione dei problemi fisici e delle operazioni pratiche dell'acceleratore durante l'esperimento, finché ogni problema non è stato risolto. Quando gli esperimenti sul posto non erano possibili, non abbiamo smesso di lavorare, abbiamo condotto analisi teoriche sui dati sperimentali precedentemente raccolti, tenuto riunioni di lavoro regolari e impegnato in discussioni via e-mail o online. "Inoltre, il team sperimentale della SSMB è un team di collaborazione internazionale. Dall'adattamento iniziale alla graduale familiarità e comprensione reciproca, l'intero team crede di aver veramente raggiunto '1+1>>2'. Tutti sono fiduciosi in un'ulteriore cooperazione in futuro."

Attualmente, l'Università di Tsinghua sostiene e promuove attivamente il progetto nazionale della sorgente luminosa SSMB EUV. Il gruppo di ricerca SSMB di Tsinghua ha presentato una proposta di progetto per "Steady-State Micro-Bunched Extreme Ultraviolet Light Source Research Facility" alla Commissione nazionale per lo sviluppo e la riforma (NDRC) e ha presentato domanda per la principale infrastruttura scientifica e tecnologica del 14° Cinque- Piano annuale.

Oltre all’SSMB, paesi come il Giappone stanno anche studiando l’uso dell’Energy Recovery Linac (ERL) negli schemi del laser a elettroni liberi (FEL). Questo schema può raggiungere una potenza di picco più elevata, con un massimo di 10 kW di luce EUV e, cosa più importante, ha un’impronta di carbonio inferiore. Secondo i dati della High Energy Accelerator Research Organization in Giappone, il costo del consumo energetico di FEL può essere circa un settimo del sistema LPP. Tuttavia, analogamente alla SSMB, anche questo tipo di sorgente luminosa deve affrontare diverse sfide tecniche che devono essere superate e anche il costo sarà più elevato.