A fonte de luz é um avanço crítico na tecnologia de litografia EUV.

Em fevereiro deste ano, o grupo de pesquisa do professor Tang Chuanxiang do Departamento de Engenharia Física da Universidade de Tsinghua, em colaboração com o Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) e o Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) na Alemanha, publicou um artigo de pesquisa intitulado "Demonstração experimental do mecanismo de microbunching em estado estacionário" na revista Nature.

O artigo relata a primeira validação experimental de uma nova fonte de luz de acelerador de partículas chamada "Microbunching de estado estacionário" (SSMB). Com base no princípio SSMB, é possível obter radiação coerente de alta potência, alta taxa de repetição e largura de banda estreita que cobre comprimentos de onda que variam de terahertz ao ultravioleta extremo (EUV). Isto tem o potencial de fornecer amplas novas oportunidades para a pesquisa científica de fótons.

Os revisores da Nature elogiaram muito esta pesquisa, afirmando que ela "demonstra uma nova metodologia" e "sem dúvida gerará interesse nas áreas de aceleradores de partículas e radiação síncrotron". Um artigo de comentário relacionado na Nature afirmou: "Este experimento demonstra como combinar as características dos dois principais tipos de fontes de luz aceleradoras, fontes de radiação síncrotron e lasers de elétrons livres."

A aplicação futura de fontes de luz SSMB é esperada em campos como litografia EUV e espectroscopia de fotoemissão com resolução angular. Após a publicação, este artigo atraiu imediatamente atenção significativa das comunidades acadêmicas e industriais, nacional e internacionalmente.

No experimento, a equipe de pesquisa usou um laser com comprimento de onda de 1064 nm para manipular um feixe de elétrons no anel de armazenamento MLS localizado em Berlim. Depois de completar uma revolução completa em torno do anel (com circunferência de 48 metros), o feixe de elétrons formou uma microestrutura fina, conhecida como microbunching. Microbunching gera luz coerente de alta intensidade e largura de banda estreita no comprimento de onda do laser e seus harmônicos. A formação de microbunching foi verificada pela detecção desta radiação.

A formação de microbunching demonstra que a fase óptica dos elétrons pode ser correlacionada com a precisão do subcomprimento de onda em cada revolução, permitindo que os elétrons sejam presos de forma estável em um potencial óptico bem criado pelo laser. Isso valida o mecanismo de funcionamento do SSMB. A configuração experimental é ilustrada na Figura 1, e alguns dos resultados experimentais são mostrados na Figura 2.

O conceito de SSMB foi proposto pelo professor Wu Zhao e seu aluno de doutorado Daniel Ratner na Universidade de Stanford em 2010. Wu Zhao tem promovido continuamente pesquisas e cooperação internacional em SSMB. Em 2017, Tang Chuanxiang e Wu Zhao iniciaram o experimento. O grupo de pesquisa de Tang Chuanxiang liderou a análise teórica e o projeto físico do experimento, desenvolveu o sistema de laser para teste, conduziu o experimento com unidades colaboradoras e concluiu a análise de dados e a redação do artigo.

Espera-se que forneça um novo caminho tecnológico para fontes de luz de litografia EUV.

Uma das aplicações potenciais das fontes de luz SSMB é como fonte de luz para futuras máquinas de litografia EUV, razão pela qual a comunidade internacional presta grande atenção à pesquisa SSMB na Universidade de Tsinghua.

Na indústria de fabricação de semicondutores, a máquina de litografia é um equipamento de precisão essencial e a etapa mais complexa e crítica no processo de fabricação de chips de circuito integrado. A resolução da máquina de litografia está diretamente relacionada ao comprimento de onda. Por mais de meio século, o comprimento de onda da fonte de luz para máquinas de litografia foi continuamente reduzido. A tecnologia de litografia convencional de próxima geração reconhecida na indústria de chips é a litografia EUV com comprimento de onda de 13.5 nm. A litografia EUV funciona usando luz ultravioleta extrema com comprimento de onda de apenas um décimo de milésimo do diâmetro de um fio de cabelo para "gravar" circuitos em wafers, permitindo que chips do tamanho de uma unha contenham bilhões de transistores. Este processo tecnológico mostra o nível de ponta do desenvolvimento tecnológico humano. A ASML, uma empresa sediada na Holanda, é atualmente a única fornecedora de máquinas de litografia EUV, e cada máquina custa mais de US$ 100 milhões.

Uma fonte de luz EUV de alta potência é a base das máquinas de litografia EUV. Atualmente, a ASML usa laser pulsado de alta energia para bombardear um alvo de estanho líquido, criando plasma e gerando luz EUV com comprimento de onda de 13.5 nm, com potência de cerca de 250 watts. À medida que os nós de fabricação de chips continuam a diminuir, espera-se que a demanda por energia nas fontes de luz EUV aumente, atingindo o nível de quilowatts.

“Resumindo, a luz EUV exigida pelas máquinas de litografia precisa ter comprimento de onda curto e alta potência”, disse Tang Chuanxiang. O avanço das fontes de luz EUV de alta potência é crucial para futuras aplicações e desenvolvimento da litografia EUV. Tang Chuanxiang disse: "Espera-se que as fontes de luz EUV baseadas em SSMB atinjam alta potência média e tenham potencial para extensão de comprimento de onda para comprimentos de onda ainda mais curtos, fornecendo uma nova solução para o avanço de fontes de luz EUV de alta potência".

Ainda há um longo caminho a percorrer no desenvolvimento independente de máquinas de litografia EUV, e espera-se que as fontes de luz EUV baseadas em SSMB resolvam o gargalo mais crítico no desenvolvimento independente de máquinas de litografia. Isto requer avanços tecnológicos contínuos em fontes de luz SSMB EUV e cooperação ao longo de toda a cadeia da indústria, a fim de alcançar o verdadeiro sucesso.

Pesquisa e desenvolvimento colaborativo

A equipe SSMB da Universidade de Tsinghua iniciou a análise teórica e simulação numérica dos experimentos de verificação de princípios do SSMB em abril de 2017. Em 21 de julho do mesmo ano, Tang Chuanxiang e Zhao Wu organizaram a primeira reunião de colaboração SSMB na Universidade de Tsinghua, levando ao estabelecimento de o grupo de pesquisa internacional SSMB. Pesquisadores da China, Alemanha, Estados Unidos e outros países uniram forças para promover vários projetos de pesquisa, incluindo experimentos de verificação de princípios SSMB. Após quatro anos de trabalho árduo, o grupo de pesquisa SSMB fez progressos significativos e alcançou resultados que são líderes mundiais.

"O SSMB usa lasers para focar elétrons, o que encurta o comprimento de onda do sistema de foco em 5 a 6 ordens de grandeza em comparação com o micro-ondas comumente usado em fontes de luz síncrotron. Portanto, para verificar o princípio do SSMB, o acelerador precisa ter alta potência precisão de controle sobre a posição longitudinal (fase) dos elétrons em cada revolução O anel de armazenamento MLS no PTB na Alemanha está mais próximo dos requisitos experimentais do SSMB. Após contatos iniciais e comunicações entre nossos professores, as instituições HZB e PTB na Alemanha aderiram ativamente. a equipe de pesquisa e colaborou conosco", disse Deng Xiujie, estudante de doutorado do Departamento de Engenharia Física da Universidade de Tsinghua, que participou dos experimentos na Alemanha.

Desde 2017, membros da equipe de Tsinghua visitaram Berlim oito vezes, participando de diversas etapas de preparação e operação do experimento. Após um longo período de esforço, o experimento foi bem-sucedido em 31 de agosto de 2019. Deng Xiujie disse: "SSMB envolve múltiplos efeitos físicos e é tecnologicamente desafiador. A equipe passou por várias tentativas fracassadas antes de aprofundar continuamente sua compreensão dos problemas físicos e das operações práticas do acelerador. durante o experimento, até que cada problema fosse resolvido. Quando os experimentos no local não eram possíveis, não paramos de trabalhar. Realizamos análises teóricas sobre dados experimentais coletados anteriormente, realizamos reuniões de trabalho regulares e participamos de discussões por e-mail ou on-line. "Além disso, a equipe experimental do SSMB é uma equipe de colaboração internacional. Desde a adaptação inicial até a familiarização e compreensão mútua, toda a equipe acredita que realmente alcançamos '1+1>>2'. Todos estão confiantes em uma maior cooperação no futuro."

Atualmente, a Universidade de Tsinghua apoia e promove ativamente o projeto nacional da fonte de luz SSMB EUV. O grupo de pesquisa SSMB em Tsinghua apresentou uma proposta de projeto para "Instalação de pesquisa de fonte de luz ultravioleta extrema micro-agrupada em estado estacionário" à Comissão Nacional de Desenvolvimento e Reforma (NDRC) e se inscreveu para a principal infraestrutura científica e tecnológica do 14º Quinto. Plano anual.

Além do SSMB, países como o Japão também estão pesquisando o uso do Linac de Recuperação de Energia (ERL) em esquemas de Laser de Elétrons Livres (FEL). Este esquema pode atingir uma potência de pico mais elevada, com um máximo de 10 kW de luz EUV e, mais importante, tem uma pegada de carbono menor. De acordo com dados da Organização de Pesquisa de Aceleradores de Alta Energia do Japão, o custo do consumo de energia do FEL pode ser aproximadamente um sétimo do esquema LPP. Porém, assim como o SSMB, esse tipo de fonte de luz também enfrenta diversos desafios técnicos que precisam ser superados, e o custo também será maior.