Işık kaynağı EUV litografi teknolojisinde kritik bir atılımdır.

Bu yılın Şubat ayında, Tsinghua Üniversitesi Mühendislik Fiziği Bölümü'nden Profesör Tang Chuanxiang'ın araştırma grubu, Almanya'daki Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) ve Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ile işbirliği içinde bir araştırma yayınladı. Nature dergisinde "Kararlı durum mikro gruplama mekanizmasının deneysel gösterimi" başlıklı araştırma makalesi.

Makale, "Kararlı durum mikro gruplama" (SSMB) adı verilen yeni bir parçacık hızlandırıcı ışık kaynağının ilk deneysel doğrulamasını bildiriyor. SSMB ilkesine dayanarak, terahertz'den aşırı ultraviyole (EUV)'ye kadar değişen dalga boylarını kapsayan yüksek güç, yüksek tekrarlama oranı ve dar bant genişliğine sahip tutarlı radyasyon elde etmek mümkündür. Bu, foton bilimi araştırmaları için geniş yeni fırsatlar sağlama potansiyeline sahiptir.

Nature dergisinin eleştirmenleri, "yeni bir metodoloji ortaya koyduğunu" ve "şüphesiz parçacık hızlandırıcıları ve senkrotron radyasyonu alanlarına ilgi uyandıracağını" belirterek bu araştırmayı oldukça övdü. Nature dergisindeki ilgili bir yorum makalesinde şöyle deniyordu: "Bu deney, iki ana hızlandırıcı ışık kaynağı türünün, senkrotron radyasyon kaynaklarının ve serbest elektron lazerlerinin özelliklerinin nasıl birleştirileceğini göstermektedir."

SSMB ışık kaynaklarının gelecekte EUV litografi ve açı çözümlemeli fotoemisyon spektroskopisi gibi alanlarda uygulanması bekleniyor. Bu makale yayınlandıktan hemen sonra yurtiçinde ve yurtdışında akademik ve endüstriyel topluluklardan büyük ilgi gördü.

Deneyde araştırma ekibi, Berlin'de bulunan MLS depolama halkasındaki bir elektron ışınını manipüle etmek için 1064 nm dalga boyuna sahip bir lazer kullandı. Halkanın etrafında (48 metrelik bir çevreyle) tam bir devrimi tamamladıktan sonra elektron ışını, mikro yığınlama olarak bilinen ince bir mikro yapı oluşturdu. Mikro gruplama, lazer dalga boyunda ve harmoniklerinde yüksek yoğunluklu, dar bant genişliğine sahip tutarlı ışık üretir. Bu radyasyonun tespit edilmesiyle mikro yığın oluşumu doğrulandı.

Mikro gruplamanın oluşumu, elektronların optik fazının, her devirde alt dalga boyu hassasiyetiyle ilişkilendirilebileceğini ve elektronların, lazer tarafından oluşturulan bir optik potansiyelde stabil bir şekilde tutulmasına olanak sağladığını göstermektedir. Bu SSMB'nin çalışma mekanizmasını doğrular. Deney düzeneği Şekil 1'de gösterilmektedir ve deney sonuçlarından bazıları Şekil 2'de gösterilmektedir.

SSMB kavramı, 2010 yılında Stanford Üniversitesi'nde Profesör Wu Zhao ve doktora öğrencisi Daniel Ratner tarafından önerildi. Wu Zhao, SSMB ile ilgili araştırmaları ve uluslararası işbirliğini sürekli olarak teşvik ediyor. 2017 yılında Tang Chuanxiang ve Wu Zhao deneyi başlattı. Tang Chuanxiang'ın araştırma grubu deneyin teorik analizini ve fiziksel tasarımını yönetti, test için lazer sistemini geliştirdi, deneyi işbirliği yapan birimlerle gerçekleştirdi ve veri analizini ve kağıt yazımını tamamladı.

EUV litografi ışık kaynakları için yeni bir teknolojik yol sağlaması bekleniyor.

SSMB ışık kaynaklarının potansiyel uygulamalarından biri, gelecekteki EUV litografi makineleri için bir ışık kaynağı olmasıdır; uluslararası topluluğun Tsinghua Üniversitesi'ndeki SSMB araştırmasına büyük önem vermesinin nedeni budur.

Yarı iletken imalat endüstrisinde litografi makinesi, önemli bir hassas ekipmandır ve entegre devre çipi üretim sürecindeki en karmaşık ve kritik adımdır. Litografi makinesinin çözünürlüğü doğrudan dalga boyuyla ilgilidir. Yarım yüzyılı aşkın süredir litografi makineleri için ışık kaynağının dalga boyu sürekli olarak azaltılmıştır. Çip endüstrisinde tanınan yeni nesil ana akım litografi teknolojisi, 13.5 nm dalga boyuna sahip EUV litografidir. EUV litografi, devreleri levhalar üzerine "kazmak" için saç çapının yalnızca on binde biri kadar bir dalga boyuna sahip aşırı ultraviyole ışık kullanarak çalışır ve sonuçta tırnak büyüklüğündeki çiplerin milyarlarca transistör içermesini sağlar. Bu teknolojik süreç, insanın teknolojik gelişiminin en ileri düzeyini sergiliyor. Hollanda merkezli bir şirket olan ASML, şu anda EUV litografi makinelerinin tek tedarikçisidir ve her makinenin fiyatı 100 milyon doların üzerindedir.

Yüksek güçlü EUV ışık kaynağı EUV litografi makinelerinin temel taşıdır. Şu anda ASML, sıvı kalay hedefini bombalamak için yüksek enerjili darbeli lazer kullanıyor, plazma oluşturuyor ve yaklaşık 13.5 watt gücünde 250 nm dalga boyunda EUV ışığı üretiyor. Çip üretim düğümleri küçülmeye devam ettikçe EUV ışık kaynaklarındaki güç talebinin artarak kilovat seviyesine ulaşması bekleniyor.

Tang Chuanxiang, "Kısacası, litografi makinelerinin ihtiyaç duyduğu EUV ışığının kısa dalga boyuna ve yüksek güce sahip olması gerekiyor" dedi. Yüksek güçlü EUV ışık kaynaklarının atılımı, EUV litografinin daha ileri uygulamaları ve geliştirilmesi için çok önemlidir. Tang Chuanxiang şunları söyledi: "SSMB tabanlı EUV ışık kaynaklarının yüksek ortalama güce ulaşması ve dalga boyunu daha kısa dalga boylarına kadar genişletme potansiyeline sahip olması, yüksek güçlü EUV ışık kaynaklarının çığır açıcı özelliği için yeni bir çözüm sunması bekleniyor."

EUV litografi makinelerinin bağımsız olarak geliştirilmesinde hala gidilecek uzun bir yol var ve SSMB tabanlı EUV ışık kaynaklarının, litografi makinelerinin bağımsız olarak geliştirilmesindeki en kritik darboğazı ele alması bekleniyor. Bu, gerçek başarıya ulaşmak için SSMB EUV ışık kaynaklarında sürekli teknolojik atılımları ve tüm endüstri zinciri boyunca işbirliğini gerektirir.

İşbirlikçi araştırma ve geliştirme

Tsinghua Üniversitesi'ndeki SSMB ekibi, SSMB prensip doğrulama deneylerinin teorik analizine ve sayısal simülasyonuna Nisan 2017'de başladı. Aynı yılın 21 Temmuz'unda Tang Chuanxiang ve Zhao Wu, Tsinghua Üniversitesi'nde ilk SSMB işbirliği toplantısını düzenledi ve bu toplantının kurulmasına yol açtı. uluslararası SSMB araştırma grubu. Çin, Almanya, ABD ve diğer ülkelerden araştırmacılar, SSMB prensip doğrulama deneyleri de dahil olmak üzere çeşitli araştırma projelerini desteklemek için güçlerini birleştirdi. SSMB araştırma grubu, dört yıllık sıkı çalışmanın ardından önemli ilerleme kaydetti ve dünyaya öncülük eden sonuçlara ulaştı.

"SSMB, elektronları odaklamak için lazerler kullanıyor; bu da, senkrotron ışık kaynaklarında yaygın olarak kullanılan mikrodalgaya kıyasla, odaklama sisteminin dalga boyunu 5 ila 6 büyüklük sırası kadar kısaltıyor. Bu nedenle, SSMB ilkesini doğrulamak için hızlandırıcının çok yüksek olması gerekiyor. Almanya'daki PTB'deki MLS depolama halkası, profesörlerimiz arasındaki ilk temaslar ve iletişimlerden sonra, Almanya'daki HZB ve PTB kurumları aktif olarak katıldı. Almanya'daki deneylere katılan Tsinghua Üniversitesi Mühendislik Fiziği Bölümü'nden doktora öğrencisi Deng Xiujie, araştırma ekibinin bizimle işbirliği yaptığını söyledi.

2017'den bu yana Tsinghua ekibinin üyeleri Berlin'i sekiz kez ziyaret ederek deney hazırlığı ve operasyonunun çeşitli aşamalarına katıldı. Uzun bir çaba döneminin ardından deney 31 Ağustos 2019'da başarılı oldu. Deng Xiujie şunları söyledi: "SSMB birden fazla fiziksel etki içeriyor ve teknolojik olarak zorlu. Ekip, fiziksel problemler ve pratik hızlandırıcı operasyonları konusundaki anlayışlarını sürekli olarak derinleştirmeden önce birçok başarısız girişimde bulundu. Deney sırasında her sorun çözülene kadar, yerinde deneyler mümkün olmadığında çalışmayı bırakmadık, daha önce topladığımız deneysel veriler üzerinde teorik analizler yaptık, düzenli çalışma toplantıları düzenledik ve e-posta veya çevrimiçi tartışmalara katıldık." "Ayrıca, SSMB deney ekibi uluslararası bir işbirliği ekibidir. İlk adaptasyondan birbirini yavaş yavaş tanımaya ve anlamaya kadar tüm ekip gerçekten '1+1>>2'yi başardığımıza inanıyor. Herkes daha fazla işbirliğine güveniyor gelecekte."

Şu anda Tsinghua Üniversitesi, SSMB EUV ışık kaynağının ulusal projesini aktif olarak desteklemekte ve tanıtmaktadır. Tsinghua'daki SSMB araştırma grubu, Ulusal Kalkınma ve Reform Komisyonu'na (NDRC) "Kararlı Durum Mikro Gruplu Aşırı Ultraviyole Işık Kaynağı Araştırma Tesisi" için bir proje teklifi sundu ve 14. Beşinci'nin ana bilimsel ve teknolojik altyapısı için başvuruda bulundu. Yıl Planı.

SSMB'ye ek olarak Japonya gibi ülkeler de Enerji Geri Kazanım Linakının (ERL) Serbest Elektron Lazer (FEL) planlarında kullanımını araştırıyor. Bu plan, maksimum 10 kW EUV ışığıyla daha yüksek tepe güce ulaşabilir ve daha da önemlisi, daha düşük bir karbon ayak izine sahiptir. Japonya'daki Yüksek Enerji Hızlandırıcı Araştırma Organizasyonu'nun verilerine göre FEL'in enerji tüketim maliyeti, LPP planının yaklaşık yedide biri kadar olabiliyor. Ancak SSMB'ye benzer şekilde bu tür ışık kaynağı da aşılması gereken çeşitli teknik zorluklarla karşı karşıyadır ve maliyeti de daha yüksek olacaktır.