광원은 EUV 리소그래피 기술의 중요한 혁신입니다.

올해 2월, 칭화대학교 공학물리학과 Tang Chuanxiang 교수 연구팀은 HZB(Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie) 및 PTB(Physikalisch-Technische Bundesanstalt)와 협력하여 다음과 같은 논문을 발표했습니다. Nature 저널에 "정상 상태 마이크로번칭 메커니즘의 실험적 증명"이라는 제목의 연구 논문이 게재되었습니다.

이 논문은 "정상 상태 마이크로번칭(SSMB)"이라고 불리는 새로운 입자 가속기 광원에 대한 최초의 실험적 검증을 보고합니다. SSMB 원리를 기반으로 테라헤르츠부터 극자외선(EUV)까지의 파장을 포괄하는 높은 전력, 높은 반복률 및 좁은 대역폭의 간섭성 방사선을 얻을 수 있습니다. 이는 광자 과학 연구에 폭넓고 새로운 기회를 제공할 가능성이 있습니다.

네이처(Nature)의 평론가들은 이 연구가 "새로운 방법론을 보여주고 있다"며 "의심할 여지 없이 입자 가속기와 싱크로트론 방사선 분야에 대한 관심을 불러일으킬 것"이라고 말하면서 이 연구를 높이 평가했습니다. 네이처(Nature)의 관련 논평 기사에서는 "이 실험은 두 가지 주요 유형의 가속기 광원, 싱크로트론 방사원 및 자유 전자 레이저의 특성을 결합하는 방법을 보여줍니다."라고 말했습니다.

SSMB 광원의 향후 적용은 EUV 리소그래피 및 각도 분해 광전자 방출 분광법과 같은 분야에서 기대됩니다. 본 논문은 출간되자마자 국내외 학계와 산업계로부터 큰 주목을 받았습니다.

실험에서 연구팀은 베를린에 위치한 저장고리 MLS에서 전자빔을 조작하기 위해 1064nm 파장의 레이저를 사용했다. 링(원주 48m) 주위를 한 바퀴 완전히 회전한 후 전자 빔은 마이크로번칭(microbunching)이라고 알려진 미세한 미세 구조를 형성했습니다. 마이크로번칭은 레이저 파장과 그 고조파에서 고강도, 좁은 대역폭의 간섭성 광을 생성합니다. 이러한 방사선을 검출함으로써 마이크로번칭의 형성을 검증하였다.

마이크로번칭의 형성은 전자의 광학 위상이 각 회전에서 파장 이하의 정밀도와 상관관계가 있을 수 있음을 보여 주며, 이를 통해 전자는 레이저에 의해 생성된 광학 전위 우물에 안정적으로 갇힐 수 있습니다. 이는 SSMB의 작동 메커니즘을 검증합니다. 실험 설정은 그림 1에 나와 있으며 일부 실험 결과는 그림 2에 나와 있습니다.

SSMB의 개념은 2010년 스탠포드 대학의 Wu Zhao 교수와 그의 박사과정 학생인 Daniel Ratner에 의해 제안되었습니다. Wu Zhao는 SSMB에 대한 연구와 국제 협력을 지속적으로 추진해 왔습니다. 2017년에 Tang Chuanxiang과 Wu Zhao가 실험을 시작했습니다. Tang Chuanxiang의 연구 그룹은 실험의 이론적 분석 및 물리적 설계를 주도하고 테스트용 레이저 시스템을 개발했으며 협력 장치와 실험을 수행하고 데이터 분석 및 논문 작성을 완료했습니다.

EUV 리소그래피 광원에 대한 새로운 기술 경로를 제공할 것으로 기대됩니다.

SSMB 광원의 잠재적 응용 분야 중 하나는 미래의 EUV 리소그래피 기계용 광원입니다. 이것이 바로 국제 사회가 칭화대학교의 SSMB 연구에 큰 관심을 기울이는 이유입니다.

반도체 제조 산업에서 리소그래피 기계는 필수적인 정밀 장비이며 집적 회로 칩 제조 과정에서 가장 복잡하고 중요한 단계입니다. 리소그래피 기계의 해상도는 파장과 직접적인 관련이 있습니다. 반세기 이상 동안 리소그래피 기계의 광원 파장은 지속적으로 감소되었습니다. 칩 업계에서 인정받는 차세대 주류 노광 기술은 파장 13.5nm의 EUV 노광 기술이다. EUV 리소그래피는 머리카락 직경의 100만분의 XNUMX에 불과한 파장의 극자외선을 사용하여 웨이퍼에 회로를 "식각"함으로써 작동하며, 궁극적으로 수십억 개의 트랜지스터를 포함할 수 있는 손톱 크기의 칩을 가능하게 합니다. 이 기술 프로세스는 인간 기술 개발의 최첨단 수준을 보여줍니다. 네덜란드에 본사를 둔 회사인 ASML은 현재 EUV 리소그래피 기계의 유일한 공급업체이며, 각 기계의 가격은 XNUMX억 달러가 넘습니다.

고출력 EUV 광원은 EUV 리소그래피 장비의 초석입니다. 현재 ASML은 고에너지 펄스 레이저를 사용해 액체 주석 타겟에 충격을 가해 플라즈마를 생성하고 파장 13.5nm, 출력 약 250와트의 EUV 광을 생성합니다. 칩 제조 노드가 계속 축소됨에 따라 EUV 광원의 전력 수요가 증가하여 킬로와트 수준에 도달할 것으로 예상됩니다.

Tang Chuanxiang은 "요컨대 리소그래피 기계에 필요한 EUV 빛은 파장이 짧고 출력이 높아야 합니다."라고 말했습니다. 고출력 EUV 광원의 획기적인 발전은 EUV 리소그래피의 추가 적용 및 개발에 매우 ​​중요합니다. Tang Chuanxiang 연구원은 "SSMB 기반 EUV 광원은 높은 평균 출력을 달성하고 더 짧은 파장까지 파장 확장 가능성을 갖고 있어 고출력 EUV 광원의 혁신을 위한 새로운 솔루션을 제공할 것으로 기대됩니다."라고 말했습니다.

EUV 노광기의 독자적인 개발은 아직 갈 길이 멀고, SSMB 기반의 EUV 광원은 노광기의 독자적인 개발에서 가장 결정적인 병목 현상을 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 진정한 성공을 달성하려면 SSMB EUV 광원의 지속적인 기술 혁신과 전체 산업 체인의 협력이 필요합니다.

공동 연구 및 개발

칭화대학교 SSMB 팀은 2017년 21월 SSMB 원리 검증 실험의 이론적 분석과 수치 시뮬레이션을 시작했습니다. 같은 해 XNUMX월 XNUMX일 Tang Chuanxiang과 Zhao Wu는 칭화대학교에서 첫 번째 SSMB 협력 회의를 조직하여 SSMB 설립으로 이어졌습니다. 국제 SSMB 연구 그룹. 중국, 독일, 미국 등 각국의 연구자들이 힘을 합쳐 SSMB 원리 검증 실험을 비롯한 다양한 연구 프로젝트를 추진했다. XNUMX년간의 노력 끝에 SSMB 연구 그룹은 상당한 진전을 이루었고 세계를 선도하는 성과를 달성했습니다.

"SSMB는 레이저를 사용해 전자를 집속하는데, 이는 일반적으로 싱크로트론 광원에 사용되는 마이크로파에 비해 집속 시스템의 파장을 5~6배 단축시킵니다. 따라서 SSMB의 원리를 검증하려면 가속기가 매우 높은 수준이어야 합니다. 각 회전에서 전자의 세로 위치(위상)에 대한 정밀도를 제어합니다.독일 PTB의 MLS 저장 링은 SSMB의 실험 요구 사항에 가장 가깝습니다.우리 교수들 간의 초기 접촉 및 통신 이후 독일의 HZB 및 PTB 기관이 적극적으로 합류했습니다. 독일에서 실험에 참여한 칭화대 공학물리학과 박사과정 학생 덩슈지에(Deng Xiujie)는 연구팀이 우리와 협력했다고 말했다.

2017년부터 칭화대 팀원들은 베를린을 31차례 방문하여 실험 준비 및 운영의 다양한 단계에 참여했습니다. 오랜 노력 끝에 2019년 1월 1일에 실험이 성공했습니다. Deng Xiujie는 "SSMB는 여러 가지 물리적 효과를 수반하며 기술적으로 어렵습니다. 팀은 물리적 문제와 실제 가속기 작동에 대한 이해를 지속적으로 심화시키기 전에 여러 번의 실패한 시도를 경험했습니다. 실험을 진행하는 동안 각 문제가 해결될 때까지, 현장 실험이 불가능할 때에도 작업을 멈추지 않았습니다. 이전에 수집된 실험 데이터에 대한 이론적 분석을 수행하고, 정기적인 업무 회의를 열고, 이메일이나 온라인 토론을 진행했습니다." "또한 SSMB 실험팀은 국제적인 협업 팀입니다. 초기 적응부터 점차적으로 서로 친숙해지고 이해되기까지 팀 전체는 우리가 진정으로 '2+XNUMX>>XNUMX'를 달성했다고 믿습니다. 앞으로의 협력에 대해 모두가 확신하고 있습니다. 미래에."

현재 칭화대학교는 SSMB EUV 광원 국가 프로젝트를 적극적으로 지원하고 추진하고 있다. 칭화대 SSMB 연구그룹은 국가발전개혁위원회(NDRC)에 '정상 상태 마이크로 다발 극자외선 광원 연구 시설'에 대한 프로젝트 제안서를 제출하고 14차 XNUMX차 산업혁명의 주요 과학기술 인프라를 신청했습니다. 연도 계획.

SSMB 외에도 일본과 같은 국가에서는 자유 전자 레이저(FEL) 방식에 에너지 회수 Linac(ERL)을 사용하는 방법을 연구하고 있습니다. 이 방식은 최대 10kW EUV 조명으로 더 높은 피크 전력을 달성할 수 있으며, 더 중요한 것은 탄소 배출량이 낮다는 것입니다. 일본 고에너지가속기연구기구(High Energy Accelerator Research Organization)의 데이터에 따르면 FEL의 에너지 소비 비용은 LPP 방식의 약 XNUMX분의 XNUMX 수준입니다. 그러나 SSMB와 마찬가지로 이 유형의 광원도 극복해야 할 다양한 기술적 과제에 직면해 있으며 비용도 더 높아집니다.