Nguồn sáng là bước đột phá quan trọng trong công nghệ in thạch bản EUV.

Vào tháng 2 năm nay, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Tang Chuanxiang từ Khoa Vật lý Kỹ thuật tại Đại học Thanh Hoa, phối hợp với Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) và Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ở Đức, đã xuất bản một nghiên cứu bài nghiên cứu có tiêu đề “Trình diễn thực nghiệm cơ chế phân cụm vi mô ở trạng thái ổn định” trên tạp chí Nature.

Bài báo báo cáo xác nhận thử nghiệm đầu tiên về nguồn sáng máy gia tốc hạt mới có tên là "Microbunching trạng thái ổn định" (SSMB). Dựa trên nguyên lý SSMB, có thể thu được bức xạ kết hợp công suất cao, tốc độ lặp lại cao và băng thông hẹp bao phủ các bước sóng từ terahertz đến tia cực tím (EUV). Điều này có tiềm năng mang lại những cơ hội mới cho nghiên cứu khoa học về photon.

Các nhà phê bình của Nature đánh giá cao nghiên cứu này, nói rằng nó "thể hiện một phương pháp luận mới" và "chắc chắn sẽ tạo ra sự quan tâm đến lĩnh vực máy gia tốc hạt và bức xạ synchrotron". Một bài báo bình luận liên quan trên tạp chí Nature cho biết: "Thí nghiệm này chứng tỏ cách kết hợp các đặc điểm của hai loại nguồn sáng máy gia tốc chính, nguồn bức xạ synchrotron và laser điện tử tự do."

Ứng dụng trong tương lai của nguồn sáng SSMB được mong đợi trong các lĩnh vực như quang khắc EUV và quang phổ quang hóa phân giải góc. Sau khi xuất bản, bài viết này ngay lập tức thu hút được sự chú ý đáng kể từ cộng đồng học thuật và công nghiệp trong nước và quốc tế.

Trong thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã sử dụng tia laser có bước sóng 1064 nm để điều khiển chùm tia điện tử trong vòng lưu trữ MLS đặt tại Berlin. Sau khi hoàn thành một vòng quay hoàn toàn quanh vòng (với chu vi 48 mét), chùm tia điện tử hình thành nên một cấu trúc vi mô mịn, được gọi là microbunching. Microbunching tạo ra ánh sáng kết hợp cường độ cao, băng thông hẹp ở bước sóng laser và các sóng hài của nó. Sự hình thành cụm vi mô đã được xác minh bằng cách phát hiện bức xạ này.

Sự hình thành cụm vi mô chứng tỏ rằng pha quang học của các electron có thể tương quan với độ chính xác dưới bước sóng trên mỗi vòng quay, cho phép các electron bị giữ ổn định trong một thế năng quang học do tia laser tạo ra. Điều này xác nhận cơ chế hoạt động của SSMB. Bố trí thử nghiệm được minh họa trong Hình 1 và một số kết quả thử nghiệm được hiển thị trong Hình 2.

Khái niệm SSMB được đề xuất bởi Giáo sư Wu Zhao và nghiên cứu sinh tiến sĩ Daniel Ratner tại Đại học Stanford vào năm 2010. Wu Zhao đã liên tục thúc đẩy nghiên cứu và hợp tác quốc tế về SSMB. Năm 2017, Tang Chuanxiang và Wu Zhao đã khởi xướng thí nghiệm. Nhóm nghiên cứu của Tang Chuanxiang đã chủ trì phân tích lý thuyết và thiết kế vật lý của thí nghiệm, phát triển hệ thống laser để thử nghiệm, tiến hành thí nghiệm với các đơn vị cộng tác và hoàn thành việc phân tích dữ liệu và viết bài báo.

Nó được kỳ vọng sẽ cung cấp một lộ trình công nghệ mới cho các nguồn sáng in thạch bản EUV.

Một trong những ứng dụng tiềm năng của nguồn sáng SSMB là làm nguồn sáng cho các máy in thạch bản EUV trong tương lai, đó là lý do tại sao cộng đồng quốc tế rất quan tâm đến nghiên cứu SSMB tại Đại học Thanh Hoa.

Trong ngành sản xuất chất bán dẫn, máy in thạch bản là một thiết bị có độ chính xác thiết yếu và là bước phức tạp và quan trọng nhất trong quy trình sản xuất chip mạch tích hợp. Độ phân giải của máy in thạch bản liên quan trực tiếp đến bước sóng. Trong hơn nửa thế kỷ, bước sóng của nguồn sáng cho máy in thạch bản liên tục bị giảm đi. Công nghệ in thạch bản chính thống thế hệ tiếp theo được công nhận trong ngành công nghiệp chip là in thạch bản EUV với bước sóng 13.5nm. Kỹ thuật in thạch bản EUV hoạt động bằng cách sử dụng ánh sáng cực tím có bước sóng chỉ bằng 100/XNUMX nghìn đường kính của sợi tóc để "khắc" mạch lên các tấm bán dẫn, cuối cùng cho phép các con chip có kích thước bằng móng tay có thể chứa hàng tỷ bóng bán dẫn. Quá trình công nghệ này thể hiện trình độ phát triển công nghệ tiên tiến của con người. ASML, một công ty có trụ sở tại Hà Lan, hiện là nhà cung cấp duy nhất máy in thạch bản EUV và mỗi máy có giá trên XNUMX triệu USD.

Nguồn sáng EUV công suất cao là nền tảng của máy in thạch bản EUV. Hiện tại, ASML sử dụng tia laser xung năng lượng cao để bắn phá mục tiêu thiếc lỏng, tạo ra plasma và phát ra ánh sáng EUV có bước sóng 13.5nm, công suất khoảng 250 watt. Khi các nút chế tạo chip tiếp tục thu hẹp, dự kiến ​​nhu cầu về năng lượng trong các nguồn sáng EUV sẽ tăng lên, đạt đến mức kilowatt.

Tang Chuanxiang cho biết: “Tóm lại, ánh sáng EUV mà máy in thạch bản yêu cầu phải có bước sóng ngắn và công suất cao”. Sự đột phá của nguồn sáng EUV công suất cao là rất quan trọng cho các ứng dụng và phát triển tiếp theo của kỹ thuật in thạch bản EUV. Tang Chuanxiang cho biết: "Các nguồn sáng EUV dựa trên SSMB dự kiến ​​sẽ đạt được công suất trung bình cao và có khả năng mở rộng bước sóng thành các bước sóng ngắn hơn nữa, mang đến một giải pháp mới cho bước đột phá của các nguồn sáng EUV công suất cao".

Vẫn còn một chặng đường dài phía trước trong sự phát triển độc lập của máy in thạch bản EUV và nguồn sáng EUV dựa trên SSMB dự kiến ​​sẽ giải quyết được nút thắt quan trọng nhất trong quá trình phát triển độc lập của máy in thạch bản. Điều này đòi hỏi những đột phá công nghệ liên tục về nguồn sáng SSMB EUV và sự hợp tác trong toàn bộ chuỗi ngành để đạt được thành công thực sự.

Hợp tác nghiên cứu và phát triển

Nhóm SSMB tại Đại học Thanh Hoa đã bắt đầu phân tích lý thuyết và mô phỏng số của các thí nghiệm xác minh nguyên tắc SSMB vào tháng 2017 năm 21. Vào ngày XNUMX tháng XNUMX cùng năm, Tang Chuanxiang và Zhao Wu đã tổ chức cuộc họp hợp tác SSMB đầu tiên tại Đại học Thanh Hoa, dẫn đến việc thành lập nhóm nghiên cứu SSMB quốc tế. Các nhà nghiên cứu từ Trung Quốc, Đức, Hoa Kỳ và các quốc gia khác đã hợp tác để thúc đẩy các dự án nghiên cứu khác nhau, bao gồm các thí nghiệm xác minh nguyên tắc SSMB. Sau bốn năm làm việc chăm chỉ, nhóm nghiên cứu SSMB đã đạt được tiến bộ đáng kể và đạt được kết quả dẫn đầu thế giới.

“SSMB sử dụng tia laser để tập trung các electron, giúp rút ngắn bước sóng của hệ thống lấy nét từ 5 đến 6 bậc độ lớn so với vi sóng thường dùng trong các nguồn sáng synchrotron. Vì vậy, để kiểm chứng nguyên lý của SSMB, máy gia tốc cần phải có công suất rất cao. kiểm soát độ chính xác theo vị trí dọc (pha) của các electron trong mỗi vòng quay. Vòng lưu trữ MLS tại PTB ở Đức là gần nhất với các yêu cầu thử nghiệm của SSMB sau những liên hệ và liên lạc ban đầu giữa các giáo sư của chúng tôi, các tổ chức HZB và PTB ở Đức đã tích cực tham gia. nhóm nghiên cứu và cộng tác với chúng tôi", Deng Xiujie, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Khoa Vật lý Kỹ thuật tại Đại học Thanh Hoa, người tham gia thí nghiệm ở Đức, cho biết.

Kể từ năm 2017, các thành viên của nhóm Thanh Hoa đã đến thăm Berlin 31 lần, tham gia vào nhiều giai đoạn chuẩn bị và vận hành thí nghiệm khác nhau. Sau một thời gian dài nỗ lực, thí nghiệm đã thành công vào ngày 2019 tháng 1 năm 1. Deng Xiujie cho biết: "SSMB liên quan đến nhiều hiệu ứng vật lý và thách thức về mặt công nghệ. Nhóm đã trải qua một số lần thử thất bại trước khi liên tục hiểu sâu hơn về các vấn đề vật lý và hoạt động thực tế của máy gia tốc trong quá trình thử nghiệm, cho đến khi từng vấn đề được giải quyết. Khi không thể thử nghiệm tại chỗ, chúng tôi không ngừng làm việc. Chúng tôi đã tiến hành phân tích lý thuyết trên dữ liệu thử nghiệm đã thu thập trước đó, tổ chức các cuộc họp làm việc thường xuyên và tham gia vào các cuộc thảo luận qua email hoặc trực tuyến. "Ngoài ra, nhóm thử nghiệm SSMB là nhóm hợp tác quốc tế. Từ sự thích nghi ban đầu cho đến dần dần làm quen và hiểu nhau, cả nhóm tin rằng chúng ta đã thực sự đạt được '2+XNUMX>>XNUMX'. Mọi người đều tin tưởng vào sự hợp tác hơn nữa trong tương lai."

Hiện tại, Đại học Thanh Hoa đang tích cực hỗ trợ và thúc đẩy dự án quốc gia về nguồn sáng SSMB EUV. Nhóm nghiên cứu SSMB tại Tsinghua đã đệ trình đề xuất dự án về "Cơ sở nghiên cứu nguồn ánh sáng cực tím cực nhỏ trạng thái ổn định" tới Ủy ban Cải cách và Phát triển Quốc gia (NDRC) và áp dụng cho cơ sở hạ tầng khoa học và công nghệ chính của 14-XNUMX. Kế hoạch năm.

Ngoài SSMB, các nước như Nhật Bản cũng đang nghiên cứu sử dụng Energy Recovery Linac (ERL) trong các chương trình Laser điện tử tự do (FEL). Sơ đồ này có thể đạt được công suất cực đại cao hơn, với ánh sáng EUV tối đa 10 kW và quan trọng hơn là nó có lượng khí thải carbon thấp hơn. Theo dữ liệu từ Tổ chức Nghiên cứu Máy gia tốc Năng lượng Cao ở Nhật Bản, chi phí tiêu thụ năng lượng của FEL có thể xấp xỉ XNUMX/XNUMX so với chương trình LPP. Tuy nhiên, tương tự như SSMB, loại nguồn sáng này cũng gặp phải nhiều thách thức kỹ thuật cần phải vượt qua và chi phí cũng sẽ cao hơn.