Источник света является важнейшим прорывом в технологии EUV-литографии.

В феврале этого года исследовательская группа профессора Тан Чуаньсяна с факультета инженерной физики Университета Цинхуа в сотрудничестве с Берлинским центром Гельмгольца по материалам и энергии (HZB) и Физико-техническим федеральным институтом (PTB) в Германии опубликовала исследование исследовательская статья под названием «Экспериментальная демонстрация механизма стационарного микрогруппирования» в журнале Nature.

В документе сообщается о первой экспериментальной проверке нового источника света для ускорителя частиц под названием «Стационарное микрогруппирование» (SSMB). На основе принципа SSMB можно получить когерентное излучение высокой мощности, высокой частоты повторения и узкой полосы пропускания, охватывающее диапазон длин волн от терагерца до крайнего ультрафиолета (EUV). Это потенциально может предоставить широкие новые возможности для исследований в области фотонной науки.

Рецензенты журнала Nature высоко оценили это исследование, заявив, что оно «демонстрирует новую методологию» и «несомненно вызовет интерес к области ускорителей частиц и синхротронного излучения». В соответствующей комментаторской статье в журнале Nature говорилось: «Этот эксперимент демонстрирует, как объединить характеристики двух основных типов ускорительных источников света, источников синхротронного излучения и лазеров на свободных электронах».

Ожидается, что в будущем источники света SSMB будут применяться в таких областях, как EUV-литография и фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением. После публикации эта статья сразу же привлекла значительное внимание академических и промышленных кругов внутри страны и за рубежом.

В эксперименте исследовательская группа использовала лазер с длиной волны 1064 нм для управления электронным лучом в накопителе MLS, расположенном в Берлине. Совершив один полный оборот вокруг кольца (с окружностью 48 метров), электронный луч сформировал тонкую микроструктуру, известную как микрогруппировка. Микрогруппировка генерирует высокоинтенсивный узкополосный когерентный свет на длине волны лазера и ее гармониках. Образование микрогруппировок было проверено путем регистрации этого излучения.

Формирование микрогруппировок демонстрирует, что оптическая фаза электронов может быть коррелирована с субволновой точностью на каждом обороте, что позволяет электронам стабильно захватываться в оптическую потенциальную яму, созданную лазером. Это подтверждает рабочий механизм SSMB. Экспериментальная установка показана на рисунке 1, а некоторые экспериментальные результаты показаны на рисунке 2.

Концепция SSMB была предложена профессором У Чжао и его докторантом Дэниелом Ратнером в Стэнфордском университете в 2010 году. У Чжао постоянно продвигает исследования и международное сотрудничество в области SSMB. В 2017 году Тан Чуаньсян и У Чжао инициировали эксперимент. Исследовательская группа Тан Чуаньсяна провела теоретический анализ и физическое планирование эксперимента, разработала лазерную систему для испытаний, провела эксперимент с сотрудничающими подразделениями, а также завершила анализ данных и написание статьи.

Ожидается, что он обеспечит новый технологический путь для источников света EUV-литографии.

Одним из потенциальных применений источников света SSMB является источник света для будущих машин EUV-литографии, поэтому международное сообщество уделяет большое внимание исследованиям SSMB в Университете Цинхуа.

В промышленности по производству полупроводников литографическая машина является важным прецизионным оборудованием и наиболее сложным и важным этапом в процессе производства микросхем интегральных схем. Разрешение литографической машины напрямую связано с длиной волны. На протяжении более полувека длина волны источника света для литографических машин постоянно уменьшалась. Признанной основной технологией литографии следующего поколения в индустрии микросхем является EUV-литография с длиной волны 13.5 нм. EUV-литография работает с использованием крайнего ультрафиолетового света с длиной волны всего в одну десятитысячную диаметра волоса для «травления» схем на пластинах, что в конечном итоге позволяет чипам размером с ноготь содержать миллиарды транзисторов. Этот технологический процесс демонстрирует передовой уровень технологического развития человечества. ASML, компания, базирующаяся в Нидерландах, в настоящее время является единственным поставщиком машин для литографии EUV, стоимость каждой машины превышает 100 миллионов долларов.

Мощный источник света EUV является краеугольным камнем машин EUV-литографии. В настоящее время ASML использует высокоэнергетический импульсный лазер для бомбардировки мишени из жидкого олова, создавая плазму и генерируя EUV-свет с длиной волны 13.5 нм и мощностью около 250 Вт. Поскольку узлы по производству чипов продолжают сокращаться, ожидается, что спрос на мощность в источниках EUV-света будет увеличиваться, достигая уровня киловатта.

«Короче говоря, EUV-свет, необходимый для литографических машин, должен иметь короткую длину волны и высокую мощность», — сказал Тан Чуаньсян. Прорыв в создании мощных источников EUV-света имеет решающее значение для дальнейшего применения и развития EUV-литографии. Тан Чуаньсян сказал: «Ожидается, что источники EUV-света на базе SSMB будут достигать высокой средней мощности и иметь потенциал для расширения длины волны до еще более коротких длин волн, что обеспечит новое решение для прорыва в области мощных источников EUV-света».

В независимой разработке машин для EUV-литографии еще предстоит пройти долгий путь, и ожидается, что источники EUV-света на базе SSMB устранят наиболее критическое узкое место в независимой разработке машин для литографии. Это требует постоянных технологических прорывов в источниках света SSMB EUV и сотрудничества по всей отраслевой цепочке для достижения настоящего успеха.

Совместные исследования и разработки

Команда SSMB в Университете Цинхуа приступила к теоретическому анализу и численному моделированию экспериментов по проверке принципов SSMB в апреле 2017 года. 21 июля того же года Тан Чуаньсян и Чжао Ву организовали первое совещание по сотрудничеству SSMB в Университете Цинхуа, что привело к созданию международная исследовательская группа SSMB. Исследователи из Китая, Германии, США и других стран объединили усилия для продвижения различных исследовательских проектов, включая эксперименты по проверке принципов SSMB. После четырех лет напряженной работы исследовательская группа SSMB добилась значительного прогресса и достигла результатов, которые являются ведущими в мире.

«SSMB использует лазеры для фокусировки электронов, что сокращает длину волны фокусирующей системы на 5–6 порядков по сравнению с микроволновым излучением, обычно используемым в синхротронных источниках света. Поэтому для проверки принципа SSMB ускоритель должен иметь очень высокую точность контроля над продольным положением (фазой) электронов в каждом обороте.Накопитель MLS в PTB в Германии наиболее близок к экспериментальным требованиям SSMB.После первоначальных контактов и общения между нашими профессорами к нему активно присоединились институты HZB и PTB в Германии. исследовательской группой и сотрудничали с нами», — рассказал Дэн Сюцзе, докторант кафедры инженерной физики Университета Цинхуа, принимавший участие в экспериментах в Германии.

С 2017 года члены команды «Цинхуа» восемь раз посетили Берлин, участвуя в различных этапах подготовки и эксплуатации эксперимента. После долгих усилий эксперимент 31 августа 2019 года увенчался успехом. Дэн Сюцзе сказал: «SSMB включает в себя множество физических эффектов и является технологически сложным. Команда пережила несколько неудачных попыток, прежде чем постоянно углублять свое понимание физических проблем и практических операций с ускорителями. во время эксперимента, пока каждая проблема не была решена. Когда эксперименты на месте были невозможны, мы не прекращали работу. Мы проводили теоретический анализ ранее собранных экспериментальных данных, проводили регулярные рабочие встречи и участвовали в переписке по электронной почте или онлайн-обсуждениях». «Кроме того, экспериментальная команда SSMB — это команда международного сотрудничества. От первоначальной адаптации до постепенного знакомства и понимания друг друга, вся команда считает, что мы действительно достигли «1+1>>2». Все уверены в дальнейшем сотрудничестве. в будущем."

В настоящее время Университет Цинхуа активно поддерживает и продвигает национальный проект источника света SSMB EUV. Исследовательская группа SSMB в Цинхуа представила в Национальную комиссию по развитию и реформам (NDRC) проектное предложение «Исследовательский центр устойчивых микрогруппированных источников экстремального ультрафиолетового света» и подала заявку на создание основной научной и технологической инфраструктуры 14-й пятилетки. Годовой план.

Помимо SSMB, такие страны, как Япония, также исследуют использование линейного ускорителя с рекуперацией энергии (ERL) в схемах лазера на свободных электронах (FEL). Эта схема позволяет достичь более высокой пиковой мощности с максимальной мощностью EUV-света 10 кВт и, что более важно, имеет меньший углеродный след. По данным Исследовательской организации ускорителей высоких энергий в Японии, стоимость энергопотребления ЛСЭ может составлять примерно одну седьмую от схемы LPP. Однако, как и в случае с SSMB, этот тип источника света также сталкивается с различными техническими проблемами, которые необходимо преодолеть, а стоимость также будет выше.