칭화뉴스네트워크2위성25일본 뉴스(보고자원 싱위2월 25일, 칭화대학교 공학물리학과 탕촨샹 교수 연구팀과 베를린 헬름홀츠 재료에너지센터(HZB), 독일 연방물리기술연구소(PTB) 공동 연구팀은 네이처(Nature)지에 논문을 발표했습니다.자연)는 "정상 상태 마이크로번칭 메커니즘의 실험적 증명"이라는 제목의 연구 논문을 발표하여 새로운 유형의 입자 가속기 광원인 "정상 상태 마이크로번칭(SSMB)"의 최초 원리 검증 실험 결과를 보고했습니다.

SSMB 원리를 기반으로 고출력, 고반복 주파수, 좁은 대역폭의 결맞음 복사선을 얻을 수 있으며, 파장은 테라헤르츠에서 극자외선(EUV) 대역까지 포괄하여 광자 과학 연구에 광범위한 새로운 가능성을 제공할 것으로 기대된다. 학술지 '네이처'의 심사위원은 이 연구를 "새로운 방법론을 제시한다"며 "입자 가속기 및 싱크로트론 복사 분야에 큰 관심을 불러일으킬 것"이라고 극찬했다. '네이처'의 관련 리뷰 논문에서는 "이 실험은 기존 가속기 광원의 두 가지 주요 유형인 싱크로트론 복사 광원과 자유 전자 레이저의 특성을 결합하는 방법을 보여준다. SSMB 광원은 향후 EUV 리소그래피 및 각도 분해 광전자 분광법과 같은 분야에 활용될 것으로 예상된다"고 언급했다. 논문 발표 직후 국내외 학계와 산업계에서 큰 주목을 받았다.

그림 1. SSMB 원리 검증 실험 개략도 (사진 출처: "자연")

그림 2. SSMB 원리 검증 실험 결과 (사진 출처: "자연")

본 실험에서 연구팀은 1064나노미터 파장의 레이저를 사용하여 베를린의 MLS 저장링 내 전자빔을 제어했습니다. 이를 통해 전자빔이 원형 궤도(둘레 48미터)를 그리며 미세 구조, 즉 마이크로번치를 형성하도록 했습니다. 마이크로번치는 레이저 파장 및 그 고차 고조파 파장에서 고강도, 좁은 대역폭의 결맞음 광을 방출합니다. 연구팀은 이러한 광을 검출하여 마이크로번치의 형성을 확인했습니다. 마이크로번치의 형성은 전자의 광학적 위상이 레이저 파장보다 짧은 정밀도로 원형 궤도를 따라 상관관계를 가질 수 있음을 증명하며, 이를 통해 전자가 레이저에 의해 형성된 광학적 포텐셜 우물에 안정적으로 속박될 수 있음을 보여줌으로써 SSMB의 작동 메커니즘을 검증했습니다. 실험 개략도는 그림 1에, 실험 결과는 그림 2에 나타냈습니다.

SSMB 개념은 2010년 스탠포드 대학교 교수이자 칭화 대학교의 저명한 초빙 교수인 자오 우(Zhao Wu)와 그의 박사 과정 학생인 다니엘 랫너(Daniel Ratner)에 의해 제안되었습니다. 자오 우 교수는 SSMB에서 연구 및 국제 협력을 지속적으로 추진해 왔습니다. 2017년 탕 추안샹(Tang Chuanxiang)과 자오 우 교수는 실험을 시작했습니다. 탕 추안샹 연구팀은 실험의 이론적 분석 및 물리적 설계를 주도하고, 테스트 실험용 레이저 시스템을 개발했으며, 협력 기관과 함께 실험을 수행하고, 실험 데이터 분석 및 논문 작성을 완료했습니다.

될 것으로 예상됩니다IV리소그래피 광원은 새로운 기술 경로를 제공합니다국제 사회의 관심을 끌고 있다

"SSMB 광원의 잠재적 응용 분야 중 하나는 미래 EUV 리소그래피 장비의 광원으로 활용될 수 있다는 점입니다. 이것이 바로 국제 사회가 칭화대학교의 SSMB 연구에 큰 관심을 기울이는 중요한 이유입니다." 탕촨샹 교수는 기자들에게 이렇게 말했다.

반도체 제조 산업 사슬에서 포토리소그래피 장비는 필수적인 정밀 장비이며, 집적 회로 칩 제조에서 가장 복잡하고 중요한 공정 단계입니다. 리소그래피 장비의 노광 해상도는 파장과 직접적인 관련이 있습니다. 50년이 넘는 세월 동안 리소그래피 장비 광원의 파장은 지속적으로 짧아져 왔습니다. 반도체 업계에서 인정받는 차세대 주류 리소그래피 기술은 13.5나노미터의 파장을 사용하는 극자외선(EUV) 리소그래피입니다. EUV 리소그래피 장비는 머리카락 굵기의 1만분의 1에 불과한 파장을 가진 극자외선을 사용하여 웨이퍼에 회로를 "새기는" 것과 같은 방식으로 작동합니다. 결과적으로 손톱 크기의 칩에는 수백억 개의 트랜지스터가 집적될 수 있습니다. 이러한 장비와 기술은 인류 기술 발전의 최고 수준을 보여줍니다. 현재 네덜란드의 ASML사가 전 세계에서 유일한 EUV 리소그래피 장비 공급업체이며, EUV 리소그래피 장비 한 대당 가격은 1억 달러가 넘습니다.

고출력 EUV 광원은 EUV 리소그래피 장비의 핵심 기반입니다. ASML은 현재 고에너지 펄스 레이저를 액체 주석 타겟에 조사하여 플라즈마를 생성하고, 이를 통해 파장 13.5나노미터, 출력 약 250와트의 EUV 광원을 생산하고 있습니다. 칩 공정 노드가 지속적으로 소형화됨에 따라 EUV 광원 출력에 대한 요구 사항은 계속 증가하여 킬로와트 수준에 이를 것으로 예상됩니다.

"간단히 말해, 리소그래피 장비에 필요한 EUV 광은 짧은 파장과 높은 출력을 요구합니다."라고 탕 추안샹은 말했습니다. 고출력 EUV 광원의 획기적인 발전은 EUV 리소그래피의 추가적인 응용 및 개발에 매우 ​​중요합니다. 탕 추안샹은 "SSMB 기반 EUV 광원은 높은 평균 출력을 달성할 것으로 기대되며, 더 짧은 파장 영역으로 확장될 가능성이 있어 고출력 EUV 광원 분야의 획기적인 발전을 위한 새로운 해결책을 제시할 것입니다."라고 덧붙였습니다.

EUV 리소그래피 장비의 독자적인 연구 개발은 아직 갈 길이 멀다. SSMB 기반 EUV 광원은 리소그래피 장비의 독자적인 연구 개발을 가로막는 핵심적인 난관을 해결해 줄 것으로 기대된다. 이를 실현하기 위해서는 SSMB EUV 광원에 대한 지속적인 기술 연구와 상하류 산업 사슬의 협력이 필수적이다.

지금이야말로 핵심적인 문제들을 해결할 적기입니다.국제 협력의 패턴을 보여주세요

칭화대학교 SSMB 연구팀은 2017년 4월 SSMB 원리 검증 실험에 대한 이론적 분석 및 수치 시뮬레이션을 시작했습니다. 같은 해 7월 21일, 탕촨샹과 자오우는 칭화대학교에서 제1회 SSMB 협력 회의를 개최하고 국제 SSMB 연구 그룹 설립을 주도했습니다. 이들은 중국, 독일, 미국 등 여러 국가의 연구진과 협력하여 SSMB 원리 검증 실험을 비롯한 다양한 연구를 추진했습니다. 4년간의 연구 끝에 SSMB 연구팀은 세계 최고 수준의 여러 중요한 성과를 거두었습니다.

"SSMB는 레이저를 사용하여 전자를 집속합니다. 싱크로트론 방사선원에서 일반적으로 사용되는 마이크로파와 비교하면 집속 시스템의 파장은 5~6배 정도 짧아집니다. 따라서 SSMB의 원리를 검증하려면 가속기가 회전마다 전자의 종방향 위치(위상) 변화를 매우 정밀하게 제어해야 하는데, 독일 PTB의 LS 저장 링이 이러한 측면에서 SSMB 실험에 가장 적합합니다. 교수진 간의 사전 접촉과 소통을 거쳐 독일의 두 기관인 HZB와 PTB가 적극적으로 연구팀에 합류하여 우리와 공동 연구를 진행했습니다."라고 독일에서 진행된 실험 전 과정에 참여한 칭화대학교 공학물리학과 2015년 박사 과정 학생 덩슈지에가 말했습니다.

칭화대 연구팀은 2017년부터 베를린을 여덟 차례 방문하여 실험 준비부터 운영까지 모든 과정에 참여했습니다. 오랜 노력 끝에 2019년 8월 31일 실험이 성공적으로 마무리되었습니다. 덩슈지에 교수는 "SSMB 실험은 다양한 물리적 현상을 수반하며 매우 어려운 과제입니다. 연구팀은 수많은 실패를 겪으면서도 실험 기간 동안 물리적 문제와 실제 가속기 작동 방식에 대한 이해를 심화시켜 나갔고, 마침내 하나씩 문제를 해결해 나갔습니다. 현장 실험이 불가능할 때도 연구를 멈추지 않고 이전에 수집한 실험 데이터를 이론적으로 분석하고, 정기적인 회의를 개최하고, 이메일이나 온라인 토론을 통해 소통했습니다."라고 말했습니다. 이어 "SSMB 실험팀은 국제 협력팀으로서, 처음의 시행착오부터 점차 익숙해지고 이해하게 되면서, 모든 팀원이 '1+1>>2'라는 시너지 효과를 실현했다고 생각하며, 앞으로도 지속적인 협력을 기대하고 있습니다."라고 덧붙였습니다.

목이 굳는 문제를 해결하세요칭화대학교는 막중한 책임을 용감하게 감당하고 있습니다.

“우리나라 대학들은 막중한 책임을 용감하게 짊어지고 대학의 기초 연구와 과학기술 혁신의 잠재력을 발휘해야 합니다.” 2020년 9월 22일, 시진핑 총서기는 교육, 문화, 보건, 스포츠 분야 전문가 대표 심포지엄에서 대학들이 혁신을 강화하고 핵심 기술을 돌파하기를 간절히 기대한다고 밝혔습니다.

칭화대학교는 "하늘을 움켜쥐고 땅에 발을 딛고 인재를 육성한다"는 칭화의 과학 연구 전통을 계승하고 발전시키며, 국가의 과학 기술 자립에 기여하겠다는 책임감과 사명감, 그리고 절박감을 강화합니다. 과학 연구 시스템과 메커니즘의 개혁을 심화하고, 과학 연구 조직 모델을 혁신합니다. 기초 연구의 "0에서 1까지"를 강화하고, 핵심 기술 연구, 특히 "난제" 문제 해결에 박차를 가합니다.

세계 과학기술의 최첨단을 목표로 삼고 올바른 해결책을 제시합니다. 이번에 칭화대학교 공학물리학과 탕촨샹 연구팀과 국제협력팀은 핵심 분야이자 난제 해결에 중요한 역할을 할 것으로 기대되는 ‘정상상태 마이크로 번칭(SSMB)’ 연구에 매진했습니다. 이들은 미래지향적이고 전략적인 분야에서 핵심 기술 연구 및 혁신의 강도를 지속적으로 높이고, 독립적인 혁신 역량을 강화하여 국가의 혁신 주도 발전 전략에 기여하고자 합니다.

현재 칭화대학교는 국가 차원에서 SSMB 극자외선 광원 구축 사업을 적극적으로 지원하고 추진하고 있습니다. 칭화대학교 SSMB 연구팀은 "정상 상태 마이크로 번칭 극자외선 광원 연구 장치" 사업 제안서를 국가발전개혁위원회에 제출하여 "제14차 5개년 계획"의 주요 국가 과학기술 인프라 사업으로 신청했습니다.

칭화대학교 공학부의 탕촨샹 교수와 HZB의 요르그 파이케스 박사가 본 논문의 교신저자이며, 칭화대학교 공학부 2015년 박사 과정생인 덩슈지에가 제1저자이다. 본 연구는 칭화대학교의 독립과학연구사업의 지원을 받았다.