De lichtbron is een cruciale doorbraak in de EUV-lithografietechnologie.

In februari van dit jaar publiceerde de onderzoeksgroep van professor Tang Chuanxiang van de afdeling Technische Natuurkunde van de Tsinghua Universiteit, in samenwerking met het Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) en de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Duitsland, een onderzoeksartikel getiteld "Experimentele demonstratie van het mechanisme van steady-state microbunching" in het tijdschrift Nature.

Het artikel rapporteert de eerste experimentele validatie van een nieuwe deeltjesversneller-lichtbron genaamd "Steady-state microbunching" (SSMB). Gebaseerd op het SSMB-principe is het mogelijk om coherente straling met een hoog vermogen, een hoge herhalingssnelheid en een smalle bandbreedte te verkrijgen die golflengten bestrijkt die variëren van terahertz tot extreem ultraviolet (EUV). Dit heeft het potentieel om brede nieuwe mogelijkheden te bieden voor fotonwetenschappelijk onderzoek.

De recensenten van Nature prezen dit onderzoek zeer en stelden dat het "een nieuwe methodologie aantoont" en "ongetwijfeld interesse zal wekken op het gebied van deeltjesversnellers en synchrotronstraling". In een gerelateerd commentaarartikel in Nature stond: "Dit experiment laat zien hoe de kenmerken van de twee belangrijkste typen versnellerlichtbronnen, synchrotronstralingsbronnen en vrije-elektronenlasers, kunnen worden gecombineerd."

De toekomstige toepassing van SSMB-lichtbronnen wordt verwacht op gebieden als EUV-lithografie en hoekopgeloste foto-emissiespectroscopie. Na publicatie kreeg dit artikel onmiddellijk aanzienlijke aandacht van de academische en industriële gemeenschappen in binnen- en buitenland.

In het experiment gebruikte het onderzoeksteam een ​​laser met een golflengte van 1064 nm om een ​​elektronenbundel in de opslagring MLS in Berlijn te manipuleren. Na een volledige omwenteling rond de ring (met een omtrek van 48 meter) vormde de elektronenbundel een fijne microstructuur, bekend als microbunching. Microbunching genereert coherent licht met hoge intensiteit en smalle bandbreedte op de lasergolflengte en de harmonischen ervan. De vorming van microbundeling werd geverifieerd door deze straling te detecteren.

De vorming van microbunching toont aan dat de optische fase van elektronen bij elke omwenteling kan worden gecorreleerd met een precisie onder de golflengte, waardoor de elektronen stabiel kunnen worden opgesloten in een optische potentiaalput die door de laser wordt gecreëerd. Dit valideert het werkingsmechanisme van SSMB. De experimentele opstelling wordt geïllustreerd in Figuur 1, en enkele experimentele resultaten worden getoond in Figuur 2.

Het concept van SSMB werd in 2010 voorgesteld door professor Wu Zhao en zijn promovendus Daniel Ratner aan de Stanford University. Wu Zhao heeft voortdurend onderzoek en internationale samenwerking op het gebied van SSMB gepromoot. In 2017 startten Tang Chuanxiang en Wu Zhao het experiment. De onderzoeksgroep van Tang Chuanxiang leidde de theoretische analyse en het fysieke ontwerp van het experiment, ontwikkelde het lasersysteem voor testen, voerde het experiment uit met samenwerkende eenheden en voltooide de data-analyse en het schrijven van papieren.

Er wordt verwacht dat het een nieuw technologisch pad zal bieden voor EUV-lithografische lichtbronnen.

Een van de potentiële toepassingen van SSMB-lichtbronnen is als lichtbron voor toekomstige EUV-lithografiemachines. Daarom besteedt de internationale gemeenschap veel aandacht aan het SSMB-onderzoek aan de Tsinghua Universiteit.

In de halfgeleiderindustrie is de lithografiemachine een essentiële precisieapparatuur en de meest complexe en kritische stap in het proces van de productie van geïntegreerde schakelingen. De resolutie van de lithografiemachine houdt rechtstreeks verband met de golflengte. Al ruim een ​​halve eeuw wordt de golflengte van de lichtbron voor lithografiemachines voortdurend verkleind. De erkende mainstream-lithografietechnologie van de volgende generatie in de chipindustrie is EUV-lithografie met een golflengte van 13.5 nm. EUV-lithografie maakt gebruik van extreem ultraviolet licht met een golflengte van slechts één tienduizendste van de diameter van een haar om circuits op wafers te "etsen", waardoor chips ter grootte van een vingernagel uiteindelijk miljarden transistors kunnen bevatten. Dit technologische proces toont het geavanceerde niveau van menselijke technologische ontwikkeling. ASML, een in Nederland gevestigd bedrijf, is momenteel de enige leverancier van EUV-lithografiemachines, en elke machine kost meer dan $100 miljoen.

Een krachtige EUV-lichtbron is de hoeksteen van EUV-lithografiemachines. Momenteel gebruikt ASML een hoogenergetische gepulseerde laser om een ​​vloeibaar tindoel te bombarderen, waardoor plasma ontstaat en EUV-licht wordt gegenereerd met een golflengte van 13.5 nm, met een vermogen van ongeveer 250 watt. Naarmate het aantal chipfabricageknooppunten blijft krimpen, wordt verwacht dat de vraag naar stroom in EUV-lichtbronnen zal toenemen en het kilowattniveau zal bereiken.

"Kortom, het EUV-licht dat nodig is voor lithografiemachines moet een korte golflengte en een hoog vermogen hebben", zegt Tang Chuanxiang. De doorbraak van krachtige EUV-lichtbronnen is cruciaal voor verdere toepassingen en ontwikkeling van EUV-lithografie. Tang Chuanxiang zei: "Er wordt verwacht dat op SSMB gebaseerde EUV-lichtbronnen een hoog gemiddeld vermogen zullen bereiken en het potentieel hebben voor golflengte-uitbreiding naar nog kortere golflengten, wat een nieuwe oplossing biedt voor de doorbraak van krachtige EUV-lichtbronnen."

Er is nog een lange weg te gaan in de onafhankelijke ontwikkeling van EUV-lithografiemachines, en op SSMB gebaseerde EUV-lichtbronnen zullen naar verwachting het meest kritische knelpunt in de onafhankelijke ontwikkeling van lithografiemachines aanpakken. Dit vereist voortdurende technologische doorbraken op het gebied van SSMB EUV-lichtbronnen en samenwerking binnen de gehele industriële keten om echt succes te kunnen behalen.

Gezamenlijk onderzoek en ontwikkeling

Het SSMB-team van de Tsinghua Universiteit begon in april 2017 met de theoretische analyse en numerieke simulatie van SSMB-principeverificatie-experimenten. Op 21 juli van hetzelfde jaar organiseerden Tang Chuanxiang en Zhao Wu de eerste SSMB-samenwerkingsbijeenkomst aan de Tsinghua Universiteit, wat leidde tot de oprichting van de internationale SSMB-onderzoeksgroep. Onderzoekers uit China, Duitsland, de Verenigde Staten en andere landen hebben hun krachten gebundeld om verschillende onderzoeksprojecten te promoten, waaronder SSMB-principeverificatie-experimenten. Na vier jaar hard werken heeft de SSMB-onderzoeksgroep aanzienlijke vooruitgang geboekt en resultaten geboekt die toonaangevend zijn in de wereld.

"SSMB maakt gebruik van lasers om elektronen te focusseren, wat de golflengte van het focussysteem met 5 tot 6 ordes van grootte verkort in vergelijking met de microgolf die gewoonlijk wordt gebruikt in synchrotronlichtbronnen. Om het principe van SSMB te verifiëren, moet de versneller daarom zeer hoge controleprecisie over de longitudinale positie (fase) van elektronen bij elke omwenteling. De MLS-opslagring bij PTB in Duitsland benadert het dichtst de experimentele vereisten van SSMB. Na de eerste contacten en communicatie tussen onze professoren hebben de HZB- en PTB-instellingen in Duitsland zich actief aangesloten het onderzoeksteam en werkte met ons samen”, zegt Deng Xiujie, een doctoraalstudent van de afdeling Technische Natuurkunde van de Tsinghua Universiteit, die deelnam aan de experimenten in Duitsland.

Sinds 2017 hebben leden van het Tsinghua-team Berlijn acht keer bezocht en deelgenomen aan verschillende fasen van de voorbereiding en uitvoering van het experiment. Na een lange periode van inspanning was het experiment op 31 augustus 2019 succesvol. Deng Xiujie zei: "SSMB brengt meerdere fysieke effecten met zich mee en is technologisch uitdagend. Het team heeft verschillende mislukte pogingen meegemaakt voordat het hun begrip van fysieke problemen en praktische versnelleroperaties voortdurend verdiepte. tijdens het experiment, totdat elk probleem was opgelost. Toen experimenten ter plaatse niet mogelijk waren, stopten we niet met werken. We voerden theoretische analyses uit op eerder verzamelde experimentele gegevens, hielden regelmatig werkvergaderingen en namen deel aan e-mail- of onlinediscussies.' “Daarnaast is het experimentele team van SSMB een internationaal samenwerkingsteam. Vanaf de eerste aanpassing tot het geleidelijk aan elkaar leren kennen en begrijpen, gelooft het hele team dat we werkelijk ‘1+1>>2’ hebben bereikt. Iedereen heeft vertrouwen in verdere samenwerking in de toekomst."

Momenteel ondersteunt en promoot Tsinghua University actief het nationale project van de SSMB EUV-lichtbron. De SSMB-onderzoeksgroep in Tsinghua heeft een projectvoorstel voor "Steady-State Micro-Bunched Extreme Ultraviolet Light Source Research Facility" ingediend bij de National Development and Reform Commission (NDRC) en een aanvraag ingediend voor de grote wetenschappelijke en technologische infrastructuur van de 14e Vijf- Jaarplan.

Naast SSMB doen landen als Japan ook onderzoek naar het gebruik van Energy Recovery Linac (ERL) in Free Electron Laser (FEL)-schema's. Met dit schema kan een hoger piekvermogen worden bereikt, met een maximum van 10 kW EUV-licht, en, nog belangrijker, het heeft een lagere ecologische voetafdruk. Volgens gegevens van de High Energy Accelerator Research Organization in Japan kunnen de energieverbruikskosten van FEL ongeveer een zevende van het LPP-schema bedragen. Net als SSMB wordt dit type lichtbron echter ook geconfronteerd met verschillende technische uitdagingen die moeten worden overwonnen, en de kosten zullen ook hoger zijn.