この光源は、EUV リソグラフィ技術における重要なブレークスルーです。

今年2月、清華大学工学物理学科のTang Chuanxiang教授の研究グループは、ドイツのヘルムホルツ・ベルリン物質エネルギーセンター（HZB）および物理工科大学（PTB）と協力して、次の論文を発表した。 Nature 誌に「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」というタイトルの研究論文が掲載されました。

この論文は、「定常状態マイクロバンチング」(SSMB)と呼ばれる新しい粒子加速器光源の最初の実験的検証を報告しています。 SSMB 原理に基づいて、テラヘルツから極端紫外 (EUV) までの範囲の波長をカバーする高出力、高繰り返し率、狭帯域幅のコヒーレント放射を得ることが可能です。これは、光子科学研究に幅広い新たな機会を提供する可能性を秘めています。

『Nature』誌の査読者は、この研究を「新しい方法論を実証する」「粒子加速器や放射光の分野で間違いなく関心を集めるだろう」と高く評価した。 『Nature』誌の関連解説記事には、「この実験は、2つの主要なタイプの加速器光源、シンクロトロン放射源、および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実証する」と述べられている。

SSMB光源の将来の応用は、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期待されています。この論文は発表されるとすぐに、国内外の学術界および産業界から大きな注目を集めました。

実験では、研究チームは波長1064nmのレーザーを使用して、ベルリンにある蓄積リングMLS内の電子ビームを操作した。リング (周囲 48 メートル) を一周した後、電子ビームはマイクロバンチングとして知られる微細な微細構造を形成しました。マイクロバンチングは、レーザー波長とその高調波で高強度、狭帯域幅のコヒーレント光を生成します。この放射線を検出することで、マイクロバンチングの形成が確認されました。

マイクロバンチングの形成は、電子の光位相が回転ごとにサブ波長の精度で相関し、レーザーによって生成された光ポテンシャル井戸に電子が安定してトラップされることを示しています。これにより、SSMB の動作メカニズムが検証されます。実験のセットアップを図 1 に示し、実験結果の一部を図 2 に示します。

SSMB の概念は、2010 年にスタンフォード大学のウー・ザオ教授と博士課程の学生ダニエル・ラトナーによって提案されました。ウー・ザオ教授は SSMB に関する研究と国際協力を継続的に推進してきました。 2017 年、Tang Chuanxiang 氏と Wu Zhao 氏はこの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分析と物理設計を主導し、テスト用のレーザーシステムを開発し、協力するユニットで実験を実施し、データ分析と論文執筆を完了した。

EUVリソグラフィ光源に新たな技術経路を提供すると期待されている。

SSMB 光源の潜在的な用途の 1 つは、将来の EUV リソグラフィー装置の光源として挙げられます。そのため、国際社会は清華大学の SSMB 研究に大きな注目を集めています。

半導体製造業界において、リソグラフィー装置は不可欠な精密機器であり、集積回路チップの製造プロセスにおいて最も複雑かつ重要なステップです。リソグラフィー機械の解像度は波長に直接関係します。半世紀以上にわたって、リソグラフィー装置の光源の波長は継続的に短縮されてきました。チップ業界で認識されている次世代の主流リソグラフィー技術は、波長 13.5nm の EUV リソグラフィーです。 EUV リソグラフィーは、髪の毛の直径のわずか 100 万分の XNUMX の波長を持つ極紫外光を使用してウェハー上に回路を「エッチング」し、最終的には指の爪ほどの大きさのチップに数十億個のトランジスタを搭載できるようにします。この技術プロセスは、人類の技術開発の最先端レベルを示しています。 ASML はオランダに本拠を置く企業で、現在 EUV リソグラフィー装置の唯一のサプライヤーであり、各装置の価格は XNUMX 億ドルを超えています。

高出力 EUV 光源は EUV リソグラフィー装置の基礎です。現在、ASML は高エネルギーパルスレーザーを使用して液体錫ターゲットを照射し、プラズマを生成し、波長 13.5nm、出力約 250 ワットの EUV 光を生成します。チップ製造ノードが縮小し続けるにつれて、EUV 光源の電力需要が増加し、キロワットレベルに達すると予想されます。

「要するに、リソグラフィー装置に必要なEUV光は短波長で高出力である必要がある」とTang Chuanxiang氏は述べた。高出力 EUV 光源の画期的な進歩は、EUV リソグラフィのさらなる応用と開発にとって極めて重要です。 Tang Chuanxiang氏は、「SSMBベースのEUV光源は、高い平均出力を達成することが期待されており、さらに短い波長への波長拡張の可能性があり、高出力EUV光源のブレークスルーのための新たなソリューションを提供する」と述べた。

EUVリソグラフィー装置の自主開発にはまだ長い道のりがあり、SSMBベースのEUV光源は、リソグラフィー装置の自主開発における最も重大なボトルネックに対処すると期待されています。真の成功を達成するには、SSMB EUV 光源における継続的な技術的進歩と業界チェーン全体の協力が必要です。

共同研究開発

清華大学の SSMB チームは、2017 年 21 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 XNUMX 月 XNUMX 日、Tang Chuanxiang と Zhao Wu は清華大学で初の SSMB 協力会議を主催し、SSMB の設立につながりました。国際SSMB研究グループ。中国、ドイツ、米国などの研究者が連携し、SSMBの原理検証実験などさまざまな研究プロジェクトを推進した。 XNUMX年間の努力の末、SSMB研究グループは大きな進歩を遂げ、世界をリードする成果を上げました。

「SSMB はレーザーを使用して電子を集束させます。これにより、シンクロトロン光源で一般的に使用されるマイクロ波と比較して、集束システムの波長が 5 ～ 6 桁短くなります。したがって、SSMB の原理を検証するには、加速器の非常に高い性能が必要です」各回転における電子の長手方向の位置 (位相) の精度を制御します。ドイツの PTB にある MLS 蓄積リングは、SSMB の実験要件に最も近いです。教授間の最初の連絡とコミュニケーションの後、ドイツの HZB と PTB の機関は積極的に参加しました。研究チームと私たちに協力してくれました」とドイツでの実験に参加した清華大学工学物理学科の博士課程学生、鄧秀傑氏は語った。

2017年以来、清華チームのメンバーはベルリンを31回訪問し、実験の準備と運営のさまざまな段階に参加した。長い努力の末、実験は2019年1月1日に成功した。鄧秀傑氏は、「SSMBには複数の物理的効果が含まれており、技術的に挑戦的である。チームは物理的問題と実際の加速器操作について継続的に理解を深める前に、何度かの試みの失敗を経験した」と語った。 」 「さらに、SSMB実験チームは国際協力チームです。最初の適応から徐々にお互いに慣れ、理解するまで、チーム全体が本当に「2+XNUMX >>XNUMX」を達成したと信じています。全員がさらなる協力に自信を持っています。将来。"

現在、清華大学は SSMB EUV 光源の国家プロジェクトを積極的に支援、推進しています。清華大学のSSMB研究グループは、「定常状態マイクロバンチ極端紫外線光源研究施設」のプロジェクト提案書を国家発展改革委員会（NDRC）に提出し、第14次五大国家開発改革委員会の主要科学技術インフラの申請を行った。年間計画。

SSMB に加えて、日本のような国も自由電子レーザー (FEL) スキームにおけるエネルギー回収リニアック (ERL) の使用を研究しています。この方式は、最大 10 kW の EUV 光でより高いピーク出力を達成でき、さらに重要なことに、二酸化炭素排出量が低くなります。日本の高エネルギー加速器研究機構のデータによると、FEL のエネルギー消費コストは LPP 方式の約 XNUMX 分の XNUMX である可能性があります。ただし、SSMBと同様に、このタイプの光源にも克服すべきさまざまな技術的課題があり、コストも高くなります。