Źródło światła stanowi przełom w technologii litografii EUV.

W lutym tego roku grupa badawcza profesora Tang Chuanxianga z Wydziału Fizyki Inżynierskiej Uniwersytetu Tsinghua, we współpracy z Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) i Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) w Niemczech, opublikowała artykuł badawczy zatytułowany „Eksperymentalna demonstracja mechanizmu mikropęknięć w stanie ustalonym” w czasopiśmie Nature.

W artykule opisano pierwszą eksperymentalną walidację nowego źródła światła w postaci akceleratora cząstek zwanego „mikrobunszowaniem w stanie ustalonym” (SSMB). W oparciu o zasadę SSMB możliwe jest uzyskanie dużej mocy, dużej częstotliwości powtarzania i spójnego promieniowania o wąskim paśmie, obejmującego długości fal od terahercowego do skrajnego ultrafioletu (EUV). Może to potencjalnie zapewnić nowe, szerokie możliwości badań nad fotonami.

Recenzenci „Nature” bardzo pochwalili te badania, stwierdzając, że „demonstrują nową metodologię” i „niewątpliwie wzbudzą zainteresowanie dziedziną akceleratorów cząstek i promieniowania synchrotronowego”. W powiązanym artykule w komentarzu w Nature stwierdzono: „Ten eksperyment pokazuje, jak połączyć cechy dwóch głównych typów akceleracyjnych źródeł światła, źródeł promieniowania synchrotronowego i laserów na swobodnych elektronach”.

Oczekuje się, że źródła światła SSMB będą w przyszłości stosowane w takich dziedzinach, jak litografia EUV i spektroskopia fotoemisyjna z rozdzielczością kątową. Po opublikowaniu artykuł ten natychmiast wzbudził duże zainteresowanie społeczności akademickich i przemysłowych w kraju i za granicą.

W eksperymencie zespół badawczy wykorzystał laser o długości fali 1064 nm do manipulacji wiązką elektronów w pierścieniu akumulacyjnym MLS zlokalizowanym w Berlinie. Po wykonaniu jednego pełnego obrotu wokół pierścienia (o obwodzie 48 metrów) wiązka elektronów utworzyła delikatną mikrostrukturę zwaną mikropęknięciem. Mikrowiązkowanie generuje spójne światło o dużej intensywności i wąskim paśmie przy długości fali lasera i jego harmonicznych. Tworzenie się mikropęknięć zostało zweryfikowane poprzez wykrycie tego promieniowania.

Tworzenie się mikrowiązek pokazuje, że fazę optyczną elektronów można skorelować z precyzją poddługości fali na każdym obrocie, umożliwiając stabilne uwięzienie elektronów w studni potencjału optycznego utworzonego przez laser. To potwierdza mechanizm działania SSMB. Układ eksperymentalny przedstawiono na rysunku 1, a niektóre wyniki eksperymentów pokazano na rysunku 2.

Koncepcja SSMB została zaproponowana przez profesora Wu Zhao i jego doktoranta Daniela Ratnera na Uniwersytecie Stanforda w 2010 roku. Wu Zhao nieustannie promuje badania i współpracę międzynarodową w zakresie SSMB. W 2017 roku Tang Chuanxiang i Wu Zhao zainicjowali eksperyment. Grupa badawcza Tang Chuanxianga przeprowadziła analizę teoretyczną i projekt fizyczny eksperymentu, opracowała system laserowy do testów, przeprowadziła eksperyment ze współpracującymi jednostkami oraz zakończyła analizę danych i napisanie artykułu.

Oczekuje się, że zapewni nową ścieżkę technologiczną dla litograficznych źródeł światła EUV.

Jednym z potencjalnych zastosowań źródeł światła SSMB jest wykorzystanie ich jako źródła światła dla przyszłych maszyn litograficznych EUV, dlatego też społeczność międzynarodowa przywiązuje dużą wagę do badań SSMB na Uniwersytecie Tsinghua.

W branży produkcji półprzewodników maszyna litograficzna jest niezbędnym precyzyjnym sprzętem oraz najbardziej złożonym i krytycznym krokiem w procesie produkcji układów scalonych. Rozdzielczość maszyny litograficznej jest bezpośrednio związana z długością fali. Od ponad pół wieku długość fali źródła światła w maszynach litograficznych ulega ciągłemu zmniejszaniu. Uznaną technologią litografii nowej generacji w branży chipów jest litografia EUV o długości fali 13.5 nm. Litografia EUV wykorzystuje ekstremalne światło ultrafioletowe o długości fali wynoszącej zaledwie jedną dziesięciotysięczną średnicy włosa w celu „wytrawienia” obwodów na płytkach, dzięki czemu chipy wielkości paznokcia mogą zawierać miliardy tranzystorów. Ten proces technologiczny ukazuje najnowocześniejszy poziom rozwoju technologicznego człowieka. ASML, firma z siedzibą w Holandii, jest obecnie jedynym dostawcą maszyn do litografii EUV, a cena każdej maszyny przekracza 100 milionów dolarów.

Źródło światła EUV o dużej mocy jest podstawą maszyn litograficznych EUV. Obecnie ASML wykorzystuje wysokoenergetyczny laser impulsowy do bombardowania ciekłego celu cynowego, tworząc plazmę i generując światło EUV o długości fali 13.5 nm i mocy około 250 watów. W miarę dalszego kurczenia się węzłów wytwarzania chipów oczekuje się, że zapotrzebowanie na moc w źródłach światła EUV będzie wzrastać, osiągając poziom kilowatów.

„Krótko mówiąc, światło EUV wymagane przez maszyny litograficzne musi mieć krótką długość fali i dużą moc” – powiedział Tang Chuanxiang. Przełom w zakresie źródeł światła EUV dużej mocy ma kluczowe znaczenie dla dalszych zastosowań i rozwoju litografii EUV. Tang Chuanxiang powiedział: „Oczekuje się, że źródła światła EUV oparte na SSMB osiągną wysoką średnią moc i będą miały potencjał rozszerzenia długości fali do jeszcze krótszych długości fal, zapewniając nowe rozwiązanie umożliwiające przełom w zakresie źródeł światła EUV o dużej mocy”.

Niezależny rozwój maszyn do litografii EUV ma jeszcze długą drogę do zrobienia i oczekuje się, że źródła światła EUV oparte na SSMB rozwiążą najważniejsze wąskie gardło w niezależnym rozwoju maszyn do litografii. Wymaga to ciągłych przełomów technologicznych w źródłach światła SSMB EUV i współpracy w całym łańcuchu branżowym, aby osiągnąć prawdziwy sukces.

Wspólne badania i rozwój

Zespół SSMB na Uniwersytecie Tsinghua rozpoczął analizę teoretyczną i symulację numeryczną eksperymentów weryfikujących zasady SSMB w kwietniu 2017 r. 21 lipca tego samego roku Tang Chuanxiang i Zhao Wu zorganizowali pierwsze spotkanie w sprawie współpracy SSMB na Uniwersytecie Tsinghua, które doprowadziło do ustanowienia międzynarodowa grupa badawcza SSMB. Naukowcy z Chin, Niemiec, Stanów Zjednoczonych i innych krajów połączyli siły, aby promować różne projekty badawcze, w tym eksperymenty weryfikujące zasady SSMB. Po czterech latach ciężkiej pracy grupa badawcza SSMB poczyniła znaczne postępy i osiągnęła wyniki, które przodują na świecie.

„SSMB wykorzystuje lasery do ogniskowania elektronów, co skraca długość fali układu ogniskującego o 5 do 6 rzędów wielkości w porównaniu do mikrofal powszechnie stosowanych w synchrotronowych źródłach światła. Dlatego, aby zweryfikować zasadę SSMB, akcelerator musi mieć bardzo wysoką precyzja kontroli wzdłużnego położenia (fazy) elektronów w każdym obrocie Pierścień magazynujący MLS w PTB w Niemczech jest najbliższy doświadczalnym wymaganiom SSMB. Po wstępnych kontaktach i komunikacji między naszymi profesorami instytucje HZB i PTB w Niemczech aktywnie się przyłączyły zespołem badawczym i współpracował z nami” – powiedział Deng Xiujie, doktorant z Wydziału Fizyki Inżynierskiej Uniwersytetu Tsinghua, który brał udział w eksperymentach w Niemczech.

Od 2017 roku członkowie zespołu Tsinghua gościli w Berlinie osiem razy, uczestnicząc na różnych etapach przygotowania i eksploatacji eksperymentu. Po długim okresie wysiłków eksperyment zakończył się sukcesem 31 sierpnia 2019 r. Deng Xiujie powiedział: „SSMB wiąże się z wieloma efektami fizycznymi i stanowi wyzwanie technologiczne. Zespół doświadczył kilku nieudanych prób, zanim stale pogłębiał swoją wiedzę na temat problemów fizycznych i praktycznych operacji akceleratora podczas eksperymentu, aż do rozwiązania każdego problemu, gdy nie było możliwości przeprowadzenia eksperymentów na miejscu, nie przestawaliśmy pracować, przeprowadzaliśmy analizy teoretyczne na zebranych wcześniej danych eksperymentalnych, odbywaliśmy regularne spotkania robocze i prowadziliśmy dyskusje e-mailowe lub online. „Ponadto zespół eksperymentalny SSMB to zespół międzynarodowej współpracy. Od początkowej adaptacji po stopniowe zapoznawanie się i wzajemne zrozumienie, cały zespół wierzy, że naprawdę osiągnęliśmy zasadę „1+1>>2”. Wszyscy są pewni dalszej współpracy w przyszłości."

Obecnie Uniwersytet Tsinghua aktywnie wspiera i promuje ogólnopolski projekt źródła światła SSMB EUV. Grupa badawcza SSMB w Tsinghua przedłożyła propozycję projektu „Ośrodka badawczego nad źródłami światła ekstremalnego ultrafioletu w stanie ustalonym z mikrowiązkami” do Narodowej Komisji Rozwoju i Reform (NDRC) i złożyła wniosek w sprawie głównej infrastruktury naukowej i technologicznej 14. Plan Roku.

Oprócz SSMB kraje takie jak Japonia również badają zastosowanie Energy Recovery Linac (ERL) w systemach lasera na swobodnych elektronach (FEL). W tym schemacie można osiągnąć wyższą moc szczytową, przy maksymalnie 10 kW światła EUV, a co ważniejsze, ma on niższy ślad węglowy. Według danych Organizacji Badań nad Akceleratorami Wysokiej Energii w Japonii koszt zużycia energii przez FEL może wynosić w przybliżeniu jedną siódmą kosztu programu LPP. Jednak podobnie jak SSMB, ten typ źródła światła również stoi przed różnymi wyzwaniami technicznymi, które należy pokonać, a koszt również będzie wyższy.