清華大学ニュースネットワーク2月25日本ニュース（記者）ウェン・シンギュ2月25日、清華大学工学物理学科の唐伝祥教授の研究グループと、ヘルムホルツ材料エネルギーセンターベルリン（HZB）およびドイツ連邦物理技術研究所（PTB）の共同研究チームが、Nature誌に論文を発表した。自然）は、「定常状態マイクロバンチングのメカニズムの実験的実証」と題する研究論文を発表し、新型粒子加速器光源「定常状態マイクロバンチング（SSMB）」の原理検証実験を初めて報告した。

SSMBの原理に基づき、高出力、高繰り返し周波数、狭帯域幅のコヒーレント放射が得られ、波長はテラヘルツ帯から極端紫外線（EUV）帯までカバーできるため、光子科学研究に幅広い新たな機会をもたらすことが期待される。「ネイチャー」誌の査読者はこの研究を高く評価し、「新しい方法論を示している」とし、「粒子加速器やシンクロトロン放射の分野で確実に注目を集めるだろう」と述べた。「ネイチャー」誌の関連レビュー記事では、「この実験は、既存の加速器光源の2つの主要なタイプ、すなわちシンクロトロン放射光源と自由電子レーザーの特性をどのように組み合わせるかを示している。SSMB光源は、将来、EUVリソグラフィーや角度分解光電子分光法などの分野で利用されることが期待される」と述べている。論文が発表されるとすぐに、国内外の学術界や産業界から大きな注目を集めた。

図1．SSMB原理検証実験の概略図（画像出典：「ネイチャー」）

図2．SSMB原理検証実験結果（画像出典：「ネイチャー」）

この実験では、研究チームは波長1064ナノメートルのレーザーを用いてベルリンの蓄積リングMLS内の電子ビームを制御し、電子ビームが円周48メートルを一周して微細構造、すなわちマイクロバンチを形成した。マイクロバンチングは、レーザー波長とその高調波において高強度で狭帯域のコヒーレント光を放射する。実験では、この放射を検出することでマイクロバンチングの形成を確認した。マイクロバンチングの形成は、電子の光学的位相がレーザー波長よりも短い精度で円周ごとに相関付けられることを証明しており、電子がレーザーによって形成された光ポテンシャル井戸に安定的に束縛されることを示し、SSMBの動作メカニズムを検証している。実験の概略図を図1に、実験結果の一部を図2に示す。

SSMBの構想は、2010年にスタンフォード大学の教授であり、清華大学の特任客員教授でもある趙武氏と、同氏の博士課程学生であるダニエル・ラトナー氏によって提唱されました。趙武氏は現在もSSMBにおける研究と国際協力の推進に尽力しています。2017年には、唐伝祥氏と趙武氏が実験を開始しました。唐伝祥氏の研究グループは、実験の理論解析と物理設計の完成、試験実験用のレーザーシステムの開発、協力ユニットとの実験の実施、実験データの解析と論文執筆を主導しました。

あると予想されるEUVリソグラフィー光源は新たな技術の道筋を提供する国際社会の注目を集めている

「SSMB光源の潜在的な用途の一つは、将来のEUVリソグラフィ装置の光源としての利用です。これが、国際社会が清華大学のSSMB研究に細心の注意を払っている重要な理由です」と唐伝祥氏は記者団に語った。

半導体製造業界において、フォトリソグラフィ装置は不可欠な精密機器であり、集積回路チップ製造における最も複雑かつ重要な工程です。リソグラフィ装置の露光解像度は波長に直接関係します。半世紀以上にわたり、リソグラフィ装置の光源の波長は継続的に縮小してきました。半導体業界で主流となっている次世代リソグラフィ技術は、波長13.5ナノメートルのEUV（極端紫外線）リソグラフィです。EUVリソグラフィ装置の働きは、髪の毛の直径のわずか1万分の1の波長を持つ極端紫外線を用いてウェハ上に回路を「彫り込む」ことに相当します。最終的には、爪ほどの大きさのチップに数百億個のトランジスタが搭載されることになります。この装置と技術は、人類の技術開発の最高レベルを示しています。現在、世界で唯一のEUVリソグラフィ装置サプライヤーはオランダのASML社であり、EUVリソグラフィ装置1台の価格は1億ドルを超えています。

高出力EUV光源は、EUVリソグラフィ装置の中核を成す基盤です。ASMLは現在、高エネルギーパルスレーザーを液体スズターゲットに照射してプラズマを生成し、波長13.5ナノメートル、出力約250ワットのEUV光源を製造しています。チッププロセスノードの微細化が進むにつれ、EUV光源の出力要件は今後も高まり続け、キロワットレベルに達すると予想されます。

「要するに、リソグラフィ装置に必要なEUV光は、短波長かつ高出力である必要がある」と唐伝祥氏は述べた。高出力EUV光源のブレークスルーは、EUVリソグラフィのさらなる応用と発展にとって極めて重要である。唐伝祥氏は、「SSMBをベースとしたEUV光源は、高い平均出力を実現し、より短い波長への拡張の可能性を秘めており、高出力EUV光源のブレークスルーに向けた新たな解決策を提供する」と述べた。

EUVリソグラフィ装置の独自研究開発は、依然として長い道のりを歩まなければならない。SSMBをベースとしたEUV光源は、リソグラフィ装置の独自研究開発における根本的な「行き詰まり」問題を解決することが期待されている。そのためには、SSMB EUV光源に関する継続的な技術研究と、上流・下流の産業チェーン間の協力が不可欠である。

今こそ重要な問題に取り組むべき時だ国際協力のパターンを示す

清華大学のSSMBチームは、2017年4月にSSMB原理検証実験の理論解析と数値シミュレーションを開始しました。同年7月21日、唐伝祥氏と趙武氏は清華大学で初のSSMB協力会議を開催し、国際的なSSMB研究グループの設立を主導しました。彼らは中国、ドイツ、米国などの科学研究者と協力し、SSMB原理検証実験を含む様々な研究の推進を開始しました。4年間の研究を経て、SSMB研究チームは数々の重要な進歩を遂げ、その成果は世界をリードしています。

「SSMBはレーザーを用いて電子を集束させます。シンクロトロン放射光源で一般的に使用されるマイクロ波と比較すると、集束システムの波長は5～6桁短くなります。そのため、SSMBの原理を検証するには、加速器において電子の縦方向の位置（位相）を周回ごとに非常に高い精度で制御する必要があり、この点においてドイツPTBのLS蓄積リングがSSMBの実験ニーズに最も近いと言えます。教員間の予備的な連絡と協議の後、ドイツの2つの機関、HZBとPTBが積極的に研究チームに加わり、共同研究を実施しました」と、ドイツでの実験全体に参加した清華大学工学物理学科の2015年度博士課程学生、鄧秀傑氏は述べています。

2017年以来、清華大学のチームメンバーはベルリンに8回渡航し、実験の準備から運用まであらゆる側面に参加してきました。長期間にわたる努力の末、2019年8月31日に実験は成功しました。鄧秀傑氏は次のように述べています。「SSMBは多くの物理的効果を伴うため、実験は困難です。チームは多くの失敗を経験し、実験中に物理的な問題と実際の加速器操作に対する理解を深め続け、最終的に問題を一つずつ解決しました。現場での実験が不可能な場合でも、私たちは作業を止めず、以前に収集した実験データに基づいて理論的な分析を行い、定期的な作業会議を開催し、メールやオンラインで議論を行いました。さらに、SSMB実験チームは国際協力チームです。最初の試行錯誤から徐々に親睦を深め、理解を深め、徐々に改善していく過程で、チーム全員が真に『1+1>>2』を達成したと確信しており、今後のさらなる協力に全員が自信を持っています。」

「首が動かなくなる」問題を解決する清華大学は重責を勇敢に担う

「我が国の大学は、重い責任を勇敢に担い、大学における基礎研究と科学技術革新の潜在能力を解き放たなければならない。」2020年9月22日、習近平総書記は、教育、文化、健康、スポーツ分野の専門家代表によるシンポジウムにおいて、大学がイノベーションを強化し、重要なコア技術を突破することに大きな期待を寄せた。

清華大学は、「天をつかみ、地に足をつけて、人を育成する」という清華大学の科学研究の伝統を受け継ぎ、国家の科学技術自立に貢献するという責任感、使命感、そして切迫感を高めています。科学研究​​の制度と仕組みの改革を深化させ、科学研究の組織モデルを革新します。基礎研究を「ゼロからイチへ」と強化し、特に「行き詰まり」となっている重要なコア技術の研究を加速させます。

世界の科学技術の最先端を目指し、適切な解決策を模索する。今回、清華大学工学物理学部の唐伝祥研究グループと国際協力チームは、主要分野の解決が期待され、行き詰まりを解消する必要のある重要な分野である「定常状態マイクロバンチング」（SSMB）において、多大な努力を重ねてきた。彼らは、将来を見据えた戦略的分野における重要なコア技術の研究とイノベーションの強度を高め続け、自主的なイノベーション能力の向上に努め、国家のイノベーション主導型発展戦略に貢献している。

現在、清華大学は国家レベルでのSSMB EUV光源のプロジェクト設立を積極的に支援・推進しています。清華大学SSMB研究グループは、「定常状態マイクロバンチング極端紫外線光源研究装置」に関するプロジェクト提案書を国家発展改革委員会に提出し、「第14次五カ年計画」における国家主要科学技術インフラとして認定を申請しました。

清華大学工学部唐伝祥教授とヘルムホルツ・ツェントルム・ベルリン（HZB）のヨルグ・フェイケス博士が本論文の責任著者であり、清華大学工学部で2015年度に博士課程を修了した鄧秀傑氏が筆頭著者である。本研究は清華大学の自主研究プロジェクトの支援を受けて実施された。