แหล่งกำเนิดแสงถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในเทคโนโลยีการพิมพ์หิน EUV

ในเดือนกุมภาพันธ์ของปีนี้ กลุ่มวิจัยของศาสตราจารย์ Tang Chuanxiang จากภาควิชาฟิสิกส์วิศวกรรมที่มหาวิทยาลัย Tsinghua ร่วมกับ Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) และ Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ในประเทศเยอรมนี ตีพิมพ์ บทความวิจัยเรื่อง "การสาธิตการทดลองกลไกของการรวมกลุ่มไมโครในสภาวะคงตัว" ในวารสาร Nature

บทความนี้รายงานการตรวจสอบความถูกต้องเชิงทดลองครั้งแรกของแหล่งกำเนิดแสงเครื่องเร่งอนุภาคใหม่ที่เรียกว่า "การรวมกลุ่มไมโครในสภาวะคงที่" (SSMB) ตามหลักการ SSMB เป็นไปได้ที่จะได้รับพลังงานสูง อัตราการทำซ้ำสูง และการแผ่รังสีที่สอดคล้องกันของแบนด์วิธแคบซึ่งครอบคลุมความยาวคลื่นตั้งแต่เทราเฮิร์ตซ์ไปจนถึงรังสีอัลตราไวโอเลตขั้นรุนแรง (EUV) สิ่งนี้มีศักยภาพที่จะมอบโอกาสใหม่ ๆ ในวงกว้างสำหรับการวิจัยทางวิทยาศาสตร์โฟตอน

ผู้ตรวจสอบ Nature ชื่นชมงานวิจัยนี้เป็นอย่างมาก โดยระบุว่า "แสดงให้เห็นถึงวิธีการใหม่" และ "จะสร้างความสนใจในด้านเครื่องเร่งอนุภาคและรังสีซินโครตรอนอย่างไม่ต้องสงสัย" บทความวิจารณ์ที่เกี่ยวข้องใน Nature ระบุว่า "การทดลองนี้สาธิตวิธีการรวมคุณลักษณะของแหล่งกำเนิดแสงจากเครื่องเร่งความเร็วสองประเภทหลัก แหล่งกำเนิดรังสีซินโครตรอน และเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ"

คาดว่าจะมีการใช้แหล่งกำเนิดแสง SSMB ในอนาคตในด้านต่างๆ เช่น EUV lithography และ angle-resolved photoemission spectroscopy เมื่อตีพิมพ์ บทความนี้ได้รับความสนใจอย่างมากจากชุมชนวิชาการและอุตสาหกรรมทั้งในประเทศและต่างประเทศในทันที

ในการทดลอง ทีมวิจัยใช้เลเซอร์ที่มีความยาวคลื่น 1064 นาโนเมตรเพื่อควบคุมลำอิเล็กตรอนในวงแหวนกักเก็บ MLS ที่กรุงเบอร์ลิน หลังจากเสร็จสิ้นการปฏิวัติรอบวงแหวนครบหนึ่งรอบ (ด้วยเส้นรอบวง 48 เมตร) ลำแสงอิเล็กตรอนก็ก่อตัวเป็นโครงสร้างจุลภาคขนาดเล็กที่เรียกว่าไมโครมัดชิ่ง Microbunching สร้างแสงที่มีความเข้มสูงและมีแบนด์วิดธ์แคบที่สอดคล้องกันที่ความยาวคลื่นเลเซอร์และฮาร์โมนิกของมัน การก่อตัวของไมโครบันช์ได้รับการตรวจสอบโดยการตรวจจับรังสีนี้

การก่อตัวของไมโครมัดแสดงให้เห็นว่าเฟสแสงของอิเล็กตรอนสามารถสัมพันธ์กับความแม่นยำของความยาวคลื่นย่อยในการปฏิวัติแต่ละครั้ง ทำให้อิเล็กตรอนถูกกักขังอย่างเสถียรในหลุมศักยภาพเชิงแสงที่สร้างขึ้นโดยเลเซอร์ นี่เป็นการตรวจสอบกลไกการทำงานของ SSMB การตั้งค่าการทดลองแสดงไว้ในรูปที่ 1 และผลการทดลองบางส่วนแสดงในรูปที่ 2

แนวคิดของ SSMB ได้รับการเสนอโดยศาสตราจารย์ Wu Zhao และนักศึกษาปริญญาเอกของเขา Daniel Ratner ที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดในปี 2010 Wu Zhao ได้ส่งเสริมการวิจัยและความร่วมมือระหว่างประเทศเกี่ยวกับ SSMB อย่างต่อเนื่อง ในปี 2017 Tang Chuanxiang และ Wu Zhao ได้ริเริ่มการทดลอง กลุ่มวิจัยของ Tang Chuanxiang เป็นผู้นำการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีและการออกแบบทางกายภาพของการทดลอง พัฒนาระบบเลเซอร์สำหรับการทดสอบ ดำเนินการทดลองกับหน่วยงานที่ทำงานร่วมกัน และเสร็จสิ้นการวิเคราะห์ข้อมูลและการเขียนรายงาน

คาดว่าจะเป็นเส้นทางเทคโนโลยีใหม่สำหรับแหล่งกำเนิดแสงการพิมพ์หิน EUV

การใช้งานที่เป็นไปได้อย่างหนึ่งของแหล่งกำเนิดแสง SSMB คือแหล่งกำเนิดแสงสำหรับเครื่องพิมพ์หิน EUV ในอนาคต ซึ่งเป็นสาเหตุที่ประชาคมระหว่างประเทศให้ความสนใจอย่างมากกับการวิจัย SSMB ที่มหาวิทยาลัย Tsinghua

ในอุตสาหกรรมการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ เครื่องพิมพ์หินเป็นอุปกรณ์ที่มีความแม่นยำที่จำเป็น และเป็นขั้นตอนที่ซับซ้อนและสำคัญที่สุดในกระบวนการผลิตชิปวงจรรวม ความละเอียดของเครื่องพิมพ์หินเกี่ยวข้องโดยตรงกับความยาวคลื่น เป็นเวลากว่าครึ่งศตวรรษแล้วที่ความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงสำหรับเครื่องจักรการพิมพ์หินได้ลดลงอย่างต่อเนื่อง เทคโนโลยีการพิมพ์หินกระแสหลักยุคถัดไปที่ได้รับการยอมรับในอุตสาหกรรมชิปคือการพิมพ์หิน EUV ที่มีความยาวคลื่น 13.5 นาโนเมตร การพิมพ์หิน EUV ทำงานโดยใช้แสงอัลตราไวโอเลตสุดขั้วที่มีความยาวคลื่นเพียงหนึ่งหมื่นเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผมเพื่อ "กัด" วงจรบนแผ่นเวเฟอร์ ซึ่งท้ายที่สุดแล้ว จะทำให้ชิปขนาดเท่าเล็บมือสามารถบรรจุทรานซิสเตอร์ได้หลายพันล้านตัว กระบวนการทางเทคโนโลยีนี้แสดงให้เห็นถึงการพัฒนาทางเทคโนโลยีของมนุษย์ในระดับล้ำหน้า ASML ซึ่งเป็นบริษัทที่ตั้งอยู่ในเนเธอร์แลนด์ ปัจจุบันเป็นซัพพลายเออร์เครื่องพิมพ์หิน EUV เพียงรายเดียว และแต่ละเครื่องมีราคาสูงกว่า 100 ล้านเหรียญสหรัฐ

แหล่งกำเนิดแสง EUV กำลังสูงเป็นรากฐานสำคัญของเครื่องพิมพ์หิน EUV ปัจจุบัน ASML ใช้เลเซอร์พัลซิ่งพลังงานสูงเพื่อโจมตีเป้าหมายดีบุกเหลว สร้างพลาสมาและสร้างแสง EUV ที่มีความยาวคลื่น 13.5 นาโนเมตร โดยมีกำลังประมาณ 250 วัตต์ เนื่องจากโหนดการผลิตชิปยังคงหดตัว ความต้องการพลังงานในแหล่งกำเนิดแสง EUV จะเพิ่มขึ้นถึงระดับกิโลวัตต์

"กล่าวโดยสรุป ไฟ EUV ที่จำเป็นสำหรับเครื่องพิมพ์หินจะต้องมีความยาวคลื่นสั้นและมีกำลังสูง" Tang Chuanxiang กล่าว ความก้าวหน้าของแหล่งกำเนิดแสง EUV กำลังสูงถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการใช้งานเพิ่มเติมและการพัฒนาการพิมพ์หิน EUV Tang Chuanxiang กล่าวว่า "แหล่งกำเนิดแสง EUV ที่ใช้ SSMB คาดว่าจะได้รับพลังงานเฉลี่ยสูง และมีศักยภาพในการขยายความยาวคลื่นให้สั้นลงอีก ซึ่งถือเป็นโซลูชั่นใหม่สำหรับการพัฒนาแหล่งกำเนิดแสง EUV กำลังสูง"

การพัฒนาเครื่องจักรการพิมพ์หิน EUV อย่างเป็นอิสระยังคงมีหนทางอีกยาวไกล และแหล่งกำเนิดแสง EUV ที่ใช้ SSMB ได้รับการคาดหวังให้จัดการกับปัญหาคอขวดที่สำคัญที่สุดในการพัฒนาเครื่องจักรการพิมพ์หินโดยอิสระ สิ่งนี้จำเป็นต้องมีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่องในแหล่งกำเนิดแสง SSMB EUV และความร่วมมือตลอดห่วงโซ่อุตสาหกรรมทั้งหมดเพื่อที่จะบรรลุความสำเร็จที่แท้จริง

การวิจัยและพัฒนาร่วมกัน

ทีมงาน SSMB ที่มหาวิทยาลัย Tsinghua เริ่มต้นการวิเคราะห์ทางทฤษฎีและการจำลองเชิงตัวเลขของการทดลองตรวจสอบหลักการ SSMB ในเดือนเมษายน 2017 ในวันที่ 21 กรกฎาคมของปีเดียวกัน Tang Chuanxiang และ Zhao Wu ได้จัดการประชุมความร่วมมือ SSMB ครั้งแรกที่มหาวิทยาลัย Tsinghua ซึ่งนำไปสู่การก่อตั้ง กลุ่มวิจัย SSMB นานาชาติ นักวิจัยจากประเทศจีน เยอรมนี สหรัฐอเมริกา และประเทศอื่นๆ ร่วมมือกันเพื่อส่งเสริมโครงการวิจัยต่างๆ รวมถึงการทดลองตรวจสอบหลักการ SSMB หลังจากการทำงานหนักมาสี่ปี กลุ่มวิจัย SSMB ก็มีความก้าวหน้าครั้งสำคัญและบรรลุผลลัพธ์ที่เป็นผู้นำของโลก

"SSMB ใช้เลเซอร์ในการโฟกัสอิเล็กตรอน ซึ่งจะทำให้ความยาวคลื่นของระบบโฟกัสสั้นลง 5 ถึง 6 ลำดับความสำคัญ เมื่อเทียบกับไมโครเวฟที่ใช้กันทั่วไปในแหล่งกำเนิดแสงซินโครตรอน ดังนั้น ในการตรวจสอบหลักการของ SSMB เครื่องเร่งความเร็วจำเป็นต้องมีค่าสูงมาก ควบคุมความแม่นยำของตำแหน่งตามยาว (เฟส) ของอิเล็กตรอนในแต่ละรอบ สถาบัน HZB และ PTB ในเยอรมนีได้เข้าร่วมอย่างกระตือรือร้น ทีมวิจัยและร่วมมือกับเรา” เติ้ง ซิ่วเจีย นักศึกษาระดับปริญญาเอกจากภาควิชาฟิสิกส์วิศวกรรม มหาวิทยาลัยซิงหัว ซึ่งเข้าร่วมการทดลองในประเทศเยอรมนี กล่าว

ตั้งแต่ปี 2017 สมาชิกในทีมชิงหัวได้ไปเยือนเบอร์ลินมาแล้ว 31 ครั้ง โดยมีส่วนร่วมในขั้นตอนต่างๆ ของการเตรียมและดำเนินการการทดลอง หลังจากพยายามอย่างยาวนาน การทดลองก็ประสบผลสำเร็จในวันที่ 2019 สิงหาคม 1 เติ้ง ซิวเจี๋ยกล่าวว่า "SSMB เกี่ยวข้องกับเอฟเฟกต์ทางกายภาพหลายอย่างและเป็นความท้าทายทางเทคโนโลยี ทีมงานประสบกับความพยายามที่ล้มเหลวหลายครั้ง ก่อนที่จะเข้าใจปัญหาทางกายภาพและการปฏิบัติการเร่งความเร็วเชิงปฏิบัติอย่างลึกซึ้งอย่างต่อเนื่อง ในระหว่างการทดลอง จนกว่าแต่ละปัญหาจะได้รับการแก้ไข เมื่อการทดลองในสถานที่ไม่สามารถทำได้ เราก็ไม่หยุดทำงาน เราทำการวิเคราะห์ทางทฤษฎีเกี่ยวกับข้อมูลการทดลองที่รวบรวมไว้ก่อนหน้านี้ จัดการประชุมการทำงานเป็นประจำ และมีส่วนร่วมในการสนทนาทางอีเมลหรือออนไลน์" “นอกจากนี้ ทีมทดลอง SSMB ยังเป็นทีมความร่วมมือระดับนานาชาติ ตั้งแต่การปรับตัวเบื้องต้นไปจนถึงการค่อยๆ ทำความคุ้นเคยและทำความเข้าใจซึ่งกันและกัน ทีมงานทั้งหมดเชื่อว่าเราได้บรรลุ '1+2>>XNUMX' อย่างแท้จริง ทุกคนมั่นใจในความร่วมมือต่อไป ในอนาคต."

ปัจจุบัน มหาวิทยาลัยซิงหัวสนับสนุนและส่งเสริมโครงการระดับชาติของแหล่งกำเนิดแสง SSMB EUV กลุ่มวิจัย SSMB ที่ Tsinghua ได้ยื่นข้อเสนอโครงการสำหรับ "ศูนย์วิจัยแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตระดับไมโครที่อัดแน่นในสถานะคงที่" ให้กับคณะกรรมการการพัฒนาและปฏิรูปแห่งชาติ (NDRC) และนำไปใช้กับโครงสร้างพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่สำคัญของโครงการ Five- ครั้งที่ 14 แผนประจำปี

นอกจาก SSMB แล้ว ประเทศต่างๆ เช่น ญี่ปุ่นยังกำลังวิจัยการใช้ Energy Recovery Linac (ERL) ในโครงการ Free Electron Laser (FEL) อีกด้วย รูปแบบนี้สามารถบรรลุกำลังไฟฟ้าสูงสุดที่สูงขึ้นด้วยไฟ EUV สูงสุด 10 kW และที่สำคัญกว่านั้นคือ มีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ต่ำกว่า ตามข้อมูลจากองค์กรวิจัยเครื่องเร่งพลังงานสูงในญี่ปุ่น ต้นทุนการใช้พลังงานของ FEL อาจอยู่ที่ประมาณหนึ่งในเจ็ดของโครงการ LPP อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับ SSMB แหล่งกำเนิดแสงประเภทนี้ยังเผชิญกับความท้าทายทางเทคนิคต่างๆ ที่ต้องเอาชนะ และต้นทุนก็จะสูงขึ้นเช่นกัน