Sumber cahaya adalah penemuan penting dalam teknologi litografi EUV.

Pada Februari tahun ini, kumpulan penyelidikan Profesor Tang Chuanxiang dari Jabatan Fizik Kejuruteraan di Universiti Tsinghua, dengan kerjasama Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) dan Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) di Jerman, menerbitkan kertas penyelidikan bertajuk "Demonstrasi eksperimen mekanisme mikrobunching keadaan mantap" dalam jurnal Nature.

Makalah itu melaporkan pengesahan percubaan pertama sumber cahaya pemecut zarah baharu yang dipanggil "Mikrobunching keadaan mantap" (SSMB). Berdasarkan prinsip SSMB, adalah mungkin untuk mendapatkan kuasa tinggi, kadar pengulangan yang tinggi, dan sinaran koheren lebar jalur sempit yang meliputi panjang gelombang antara terahertz hingga ultraungu melampau (EUV). Ini berpotensi untuk menyediakan peluang baharu yang luas untuk penyelidikan sains foton.

Pengulas Alam sangat memuji penyelidikan ini, menyatakan bahawa ia "menunjukkan metodologi baru" dan "sudah pasti akan menjana minat dalam bidang pemecut zarah dan sinaran synchrotron". Artikel ulasan yang berkaitan dalam Alam menyatakan, "Percubaan ini menunjukkan cara menggabungkan ciri-ciri dua jenis utama sumber cahaya pemecut, sumber sinaran segerak dan laser elektron bebas."

Aplikasi masa depan sumber cahaya SSMB dijangka dalam bidang seperti litografi EUV dan spektroskopi pembebasan foto bersudut. Setelah diterbitkan, makalah ini segera mendapat perhatian penting daripada komuniti akademik dan industri di dalam dan di luar negara.

Dalam eksperimen, pasukan penyelidik menggunakan laser dengan panjang gelombang 1064 nm untuk memanipulasi pancaran elektron dalam cincin simpanan MLS yang terletak di Berlin. Selepas melengkapkan satu pusingan penuh mengelilingi cincin (dengan lilitan 48 meter), pancaran elektron membentuk struktur mikro halus, dikenali sebagai microbunching. Microbunching menjana cahaya koheren berintensiti tinggi, lebar jalur sempit pada panjang gelombang laser dan harmoniknya. Pembentukan mikrobunching telah disahkan dengan mengesan sinaran ini.

Pembentukan mikrobunching menunjukkan bahawa fasa optik elektron boleh dikaitkan dengan ketepatan sub-panjang gelombang pada setiap revolusi, membolehkan elektron terperangkap secara stabil dalam potensi optik yang dicipta oleh laser. Ini mengesahkan mekanisme kerja SSMB. Persediaan eksperimen digambarkan dalam Rajah 1, dan beberapa keputusan eksperimen ditunjukkan dalam Rajah 2.

Konsep SSMB telah dicadangkan oleh Profesor Wu Zhao dan pelajar kedoktorannya Daniel Ratner di Universiti Stanford pada tahun 2010. Wu Zhao sentiasa mempromosikan penyelidikan dan kerjasama antarabangsa mengenai SSMB. Pada 2017, Tang Chuanxiang dan Wu Zhao memulakan percubaan. Kumpulan penyelidikan Tang Chuanxiang mengetuai analisis teori dan reka bentuk fizikal eksperimen, membangunkan sistem laser untuk ujian, menjalankan eksperimen dengan unit yang bekerjasama, dan menyelesaikan analisis data dan penulisan kertas.

Ia dijangka menyediakan laluan teknologi baharu untuk sumber cahaya litografi EUV.

Salah satu aplikasi potensi sumber cahaya SSMB adalah sebagai sumber cahaya untuk mesin litografi EUV masa hadapan, itulah sebabnya masyarakat antarabangsa memberi perhatian yang besar kepada penyelidikan SSMB di Universiti Tsinghua.

Dalam industri pembuatan semikonduktor, mesin litografi ialah peralatan ketepatan yang penting dan langkah paling kompleks dan kritikal dalam proses pembuatan cip litar bersepadu. Resolusi mesin litografi berkaitan secara langsung dengan panjang gelombang. Selama lebih setengah abad, panjang gelombang sumber cahaya untuk mesin litografi telah dikurangkan secara berterusan. Teknologi litografi arus perdana generasi seterusnya yang diiktiraf dalam industri cip ialah litografi EUV dengan panjang gelombang 13.5nm. Litografi EUV berfungsi dengan menggunakan cahaya ultraungu yang melampau dengan panjang gelombang hanya satu sepuluh ribu diameter rambut untuk "mengemas" litar pada wafer, akhirnya membolehkan cip sebesar kuku untuk mengandungi berbilion-bilion transistor. Proses teknologi ini mempamerkan tahap termaju pembangunan teknologi manusia. ASML, sebuah syarikat yang berpangkalan di Belanda, kini merupakan satu-satunya pembekal mesin litografi EUV, dan setiap mesin berharga lebih $100 juta.

Sumber cahaya EUV berkuasa tinggi ialah asas mesin litografi EUV. Pada masa ini, ASML menggunakan laser berdenyut tenaga tinggi untuk membedil sasaran timah cecair, mencipta plasma dan menjana cahaya EUV dengan panjang gelombang 13.5nm, dengan kuasa kira-kira 250 watt. Memandangkan nod fabrikasi cip terus mengecut, adalah dijangka bahawa permintaan kuasa dalam sumber cahaya EUV akan meningkat, mencapai tahap kilowatt.

"Ringkasnya, cahaya EUV yang diperlukan oleh mesin litografi perlu mempunyai panjang gelombang yang pendek dan kuasa tinggi," kata Tang Chuanxiang. Kejayaan sumber cahaya EUV berkuasa tinggi adalah penting untuk aplikasi lanjut dan pembangunan litografi EUV. Tang Chuanxiang berkata, "Sumber cahaya EUV berasaskan SSMB dijangka mencapai kuasa purata yang tinggi dan mempunyai potensi untuk lanjutan panjang gelombang kepada panjang gelombang yang lebih pendek, memberikan penyelesaian baharu untuk penemuan sumber cahaya EUV berkuasa tinggi."

Masih banyak lagi perjalanan dalam pembangunan bebas mesin litografi EUV, dan sumber cahaya EUV berasaskan SSMB dijangka dapat menangani kesesakan paling kritikal dalam pembangunan bebas mesin litografi. Ini memerlukan penemuan teknologi berterusan dalam sumber cahaya SSMB EUV dan kerjasama di sepanjang keseluruhan rantaian industri untuk mencapai kejayaan sebenar.

Penyelidikan dan pembangunan kolaboratif

Pasukan SSMB di Universiti Tsinghua memulakan analisis teori dan simulasi berangka eksperimen pengesahan prinsip SSMB pada April 2017. Pada 21 Julai tahun yang sama, Tang Chuanxiang dan Zhao Wu telah menganjurkan mesyuarat kerjasama SSMB yang pertama di Universiti Tsinghua, yang membawa kepada penubuhan kumpulan penyelidikan SSMB antarabangsa. Penyelidik dari China, Jerman, Amerika Syarikat dan negara lain bergabung tenaga untuk mempromosikan pelbagai projek penyelidikan, termasuk eksperimen pengesahan prinsip SSMB. Selepas empat tahun bekerja keras, kumpulan penyelidik SSMB mencapai kemajuan yang ketara dan mencapai keputusan yang menerajui dunia.

"SSMB menggunakan laser untuk memfokus elektron, yang memendekkan panjang gelombang sistem pemfokusan sebanyak 5 hingga 6 susunan magnitud berbanding gelombang mikro yang biasa digunakan dalam sumber cahaya synchrotron. Oleh itu, untuk mengesahkan prinsip SSMB, pemecut perlu mempunyai sangat tinggi mengawal ketepatan ke atas kedudukan membujur (fasa) elektron dalam setiap revolusi Lingkaran simpanan MLS di PTB di Jerman adalah paling hampir dengan keperluan eksperimen SSMB Selepas hubungan awal dan komunikasi antara profesor kami, institusi HZB dan PTB di Jerman menyertai secara aktif. pasukan penyelidik dan bekerjasama dengan kami," kata Deng Xiujie, pelajar kedoktoran dari Jabatan Fizik Kejuruteraan di Universiti Tsinghua, yang mengambil bahagian dalam eksperimen di Jerman.

Sejak 2017, ahli pasukan Tsinghua telah melawat Berlin lapan kali, mengambil bahagian dalam pelbagai peringkat penyediaan dan operasi percubaan. Selepas usaha yang panjang, percubaan itu berjaya pada 31 Ogos 2019. Deng Xiujie berkata, "SSMB melibatkan pelbagai kesan fizikal dan mencabar dari segi teknologi. Pasukan ini mengalami beberapa percubaan yang gagal sebelum terus mendalami pemahaman mereka tentang masalah fizikal dan operasi pemecut praktikal semasa percubaan, sehingga setiap masalah diselesaikan Apabila percubaan di tapak tidak dapat dilakukan, kami tidak berhenti bekerja. "Selain itu, pasukan eksperimen SSMB adalah pasukan kerjasama antarabangsa. Dari penyesuaian awal hinggalah secara beransur-ansur membiasakan dan memahami satu sama lain, seluruh pasukan percaya bahawa kami telah benar-benar mencapai '1+1>>2'. Semua orang yakin dengan kerjasama selanjutnya pada masa hadapan."

Pada masa ini, Universiti Tsinghua secara aktif menyokong dan mempromosikan projek nasional sumber cahaya SSMB EUV. Kumpulan penyelidikan SSMB di Tsinghua telah mengemukakan cadangan projek untuk "Kemudahan Penyelidikan Sumber Cahaya Ultraviolet Ekstrim Mikro-Tetap Berikat" kepada Suruhanjaya Pembangunan dan Pembaharuan Negara (NDRC) dan memohon infrastruktur saintifik dan teknologi utama bagi Lima-14th Five- Rancangan Tahun.

Selain SSMB, negara seperti Jepun juga sedang menyelidik penggunaan Energy Recovery Linac (ERL) dalam skim Free Electron Laser (FEL). Skim ini boleh mencapai kuasa puncak yang lebih tinggi, dengan maksimum 10 kW cahaya EUV, dan yang lebih penting, ia mempunyai jejak karbon yang lebih rendah. Menurut data daripada Pertubuhan Penyelidikan Pemecut Tenaga Tinggi di Jepun, kos penggunaan tenaga FEL boleh menjadi lebih kurang satu pertujuh daripada skim LPP. Bagaimanapun, sama seperti SSMB, sumber cahaya jenis ini juga menghadapi pelbagai cabaran teknikal yang perlu diatasi, dan kosnya juga akan lebih tinggi.