该光源是EUV光刻技术的关键突破。

今年2月，清华大学工程物理系唐传祥教授课题组与柏林亥姆霍兹材料与能源中心（HZB）、德国联邦物理技术中心（PTB）合作，发表了在《自然》杂志上发表题为“稳态微聚束机制的实验演示”的研究论文。

该论文报告了一种名为“稳态微聚束”（SSMB）的新型粒子加速器光源的首次实验验证。基于SSMB原理，可以获得高功率、高重复率、窄带宽的相干辐射，覆盖从太赫兹到极紫外（EUV）的波长范围。这有可能为光子科学研究提供广泛的新机会。

《自然》杂志的审稿人高度赞扬了这项研究，称其“展示了一种新的方法论”，“无疑将引起人们对粒子加速器和同步辐射领域的兴趣”。 《自然》杂志相关评论文章称，“这个实验演示了如何结合两种主要类型的加速器光源、同步加速器辐射源和自由电子激光器的特性。”

SSMB光源的未来应用预计在EUV光刻和角分辨光电子能谱等领域。该论文发表后立即引起国内外学术界和工业界的高度关注。

在实验中，研究小组使用波长为1064纳米的激光来操纵位于柏林的存储环MLS中的电子束。在绕环（周长 48 米）完成一整圈后，电子束形成了精细的微观结构，称为微聚束。微聚束在激光波长及其谐波下产生高强度、窄带宽的相干光。通过检测这种辐射来验证微聚束的形成。

微聚束的形成表明，电子的光学相位可以与每次旋转的亚波长精度相关，从而使电子能够稳定地捕获在激光产生的光学势阱中。这验证了SSMB的工作机制。实验设置如图 1 所示，部分实验结果如图 2 所示。

SSMB的概念是由斯坦福大学吴钊教授和他的博士生Daniel Ratner于2010年提出的。吴钊一直在不断推动SSMB的研究和国际合作。 2017年，唐传祥和吴钊发起了这项实验。唐传祥课题组主导了实验的理论分析和物理设计，研制了测试用激光系统，并与合作单位进行了实验，并完成了数据分析和论文写作。

有望为EUV光刻光源提供一条新的技术途径。

SSMB光源的潜在应用之一是作为未来EUV光刻机的光源，这也是国际社会高度关注清华大学SSMB研究的原因。

在半导体制造行业中，光刻机是必不可少的精密设备，也是集成电路芯片制造过程中最复杂、最关键的一步。光刻机的分辨率与波长直接相关。半个多世纪以来，光刻机光源的波长不断减小。芯片行业公认的下一代主流光刻技术是波长为13.5nm的EUV光刻技术。 EUV光刻的工作原理是使用波长仅为头发直径万分之一的极紫外光将电路“蚀刻”到晶圆上，最终使指甲盖大小的芯片能够包含数十亿个晶体管。这一工艺流程展示了人类科技发展的尖端水平。总部位于荷兰的ASML公司是目前唯一的EUV光刻机供应商，每台机器售价超过100亿美元。

高功率 EUV 光源是 EUV 光刻机的基石。目前，ASML采用高能脉冲激光轰击液态锡靶材，产生等离子体并产生波长为13.5nm的EUV光，功率约为250瓦。随着芯片制造节点不断缩小，预计EUV光源的功率需求将会增加，达到千瓦级。

“简而言之，光刻机所需的EUV光需要具有短波长和高功率。”唐传祥说。高功率EUV光源的突破对于EUV光刻技术的进一步应用和发展至关重要。唐传祥表示：“基于SSMB的EUV光源有望实现高平均功率，并具有波长延伸至更短波长的潜力，为高功率EUV光源的突破提供新的解决方案。”

EUV光刻机自主研发还有很长的路要走，基于SSMB的EUV光源有望解决光刻机自主研发最关键的瓶颈。这需要中小型企业EUV光源的不断技术突破以及全产业链的合作才能取得真正的成功。

协同研发

清华大学SSMB团队于2017年21月开始进行SSMB原理验证实验的理论分析和数值模拟。同年XNUMX月XNUMX日，唐传祥和赵武在清华大学组织了首次SSMB协作会议，并由此成立了清华大学SSMB团队。国际SSMB研究小组。来自中国、德国、美国等国家的研究人员联手推进包括SSMB原理验证实验在内的各种研究项目。经过四年的努力，SSMB研究组取得了重大进展，取得了世界领先的成果。

“SSMB采用激光聚焦电子，与同步加速器光源常用的微波相比，聚焦系统的波长缩短了5到6个数量级。因此，要验证SSMB的原理，加速器需要具有非常高的德国PTB的MLS存储环对电子每转的纵向位置（相位）的控制精度最接近SSMB的实验要求。经过我们教授的初步接触和沟通，德国HZB和PTB机构积极加入。 “我们很高兴与研究团队合作，并与我们合作。”在德国参与实验的清华大学工程物理系博士生邓秀杰说。

自2017年以来，清华团队成员已八次访问柏林，参与了实验准备和运行的各个阶段。经过长时间的努力，实验于31年2019月1日获得成功。邓秀杰表示：“SSMB涉及多种物理效应，技术难度大。团队经历了多次失败的尝试，不断加深对物理问题的理解和加速器实际操作实验过程中，直到每个问题都无法解决时，我们才停止工作，对之前收集的实验数据进行理论分析，定期召开工作会议，并进行电子邮件或在线讨论。” “此外，SSMB实验团队是一个国际化的协作团队，从最初的适应到彼此逐渐熟悉和了解，整个团队都认为我们真正做到了‘1+2>>XNUMX’，大家对进一步的合作充满信心将来。”

目前，清华大学正在积极支持和推进SSMB EUV光源国家项目。清华大学中科院课题组已向国家发改委提交了“稳态微集束极紫外光源研究装置”项目建议书，并申请了“十四五”重大科技基础设施建设年度计划。

除了SSMB之外，日本等国家也在研究在自由电子激光（FEL）方案中使用能量回收直线加速器（ERL）。该方案可以实现更高的峰值功率，最大可达10kW EUV光，更重要的是，它具有更低的碳足迹。根据日本高能加速器研究组织的数据，FEL的能耗成本约为LPP方案的七分之一。不过，与SSMB类似，此类光源也面临着各种需要克服的技术挑战，而且成本也会更高。