該光源是EUV光刻技術的關鍵突破。

今年2月，清華大學工程物理系唐傳祥教授主題組與柏林亥姆霍茲材料與能源中心（HZB）、德國聯邦物理技術中心（PTB）合作，發表了在《自然》雜誌上發表題為“穩態微聚束機制的實驗演示”的研究論文。

該論文報告了一種名為「穩態微聚束」（SSMB）的新型粒子加速器光源的首次實驗驗證。基於SSMB原理，可以獲得高功率、高重複率、窄頻寬的相干輻射，涵蓋從太赫茲到極紫外線（EUV）的波長範圍。這有可能為光子科學研究提供廣泛的新機會。

《自然》雜誌的審查員高度讚揚了這項研究，稱其“展示了一種新的方法論”，“無疑將引起人們對粒子加速器和同步輻射領域的興趣”。 《自然》雜誌相關評論文章稱，“這個實驗演示瞭如何結合兩種主要類型的加速器光源、同步加速器輻射源和自由電子激光器的特性。”

SSMB光源的未來應用預計在EUV微影和角分辨光電子能譜等領域。該論文發表後立即引起國內外學術界和工業界的高度關注。

在實驗中，研究小組使用波長為1064奈米的雷射來操縱位於柏林的儲存環MLS中的電子束。在繞環（週長 48 公尺）完成一整圈後，電子束形成了精細的微觀結構，稱為微聚束。微聚束在雷射波長及其諧波下產生高強度、窄頻寬的相干光。透過檢測這種輻射來驗證微聚束的形成。

微聚束的形成表明，電子的光學相位可以與每次旋轉的亞波長精度相關，從而使電子能夠穩定地捕獲在雷射產生的光學勢阱中。這驗證了SSMB的工作機制。實驗設置如圖 1 所示，部分實驗結果如圖 2 所示。

SSMB的概念是由史丹佛大學吳鑷教授和他的博士生Daniel Ratner於2010年提出的。 2017年，唐傳祥和吳鑷發起了這項實驗。唐傳祥課題組主導了實驗的理論分析和物理設計，開發了測試用雷射系統，並與合作單位進行了實驗，並完成了數據分析和論文寫作。

可望為EUV光刻光源提供一條新的技術途徑。

SSMB光源的潛在應用之一是作為未來EUV光刻機的光源，這也是國際社會高度關注清華大學SSMB研究的原因。

在半導體製造業中，光刻機是必備的精密設備，也是積體電路晶片製造過程中最複雜、最關鍵的一步。光刻機的分辨率與波長直接相關。半個多世紀以來，光刻機光源的波長不斷減少。晶片產業公認的下一代主流光刻技術是波長13.5nm的EUV光刻技術。 EUV光刻的工作原理是使用波長僅為頭髮直徑萬分之一的極紫外光將電路「蝕刻」到晶圓上，最終使指甲蓋大小的晶片能夠包含數十億個電晶體。這項工藝流程展示了人類科技發展的尖端水平。總部位於荷蘭的ASML公司是目前唯一的EUV光刻機供應商，每台機器售價超過100億美元。

高功率 EUV 光源是 EUV 微影機的基石。目前，ASML採用高能量脈衝雷射轟擊液態錫靶材，產生等離子體並產生波長為13.5nm的EUV光，功率約250瓦。隨著晶片製造節點不斷縮小，預計EUV光源的功率需求將會增加，達到千瓦級。

「簡而言之，光刻機所需的EUV光需要具有短波長和高功率。」唐傳祥說。高功率EUV光源的突破對於EUV微影技術的進一步應用與發展至關重要。唐傳祥表示：“基於SSMB的EUV光源有望實現高平均功率，並具有波長延伸至更短波長的潛力，為高功率EUV光源的突破提供新的解決方案。”

EUV光刻機自主研發還有很長的路要走，基於SSMB的EUV光源有望解決光刻機自主研發最關鍵的瓶頸。這需要中小型企業EUV光源的持續技術突破以及全產業鏈的合作才能取得真正的成功。

合作研發

清華大學SSMB團隊於2017年21月開始進行SSMB原理驗證實驗的理論分析與數值模擬。 SSMB團隊。來自中國、德國、美國等國家的研究人員聯手推動包括SSMB原理驗證實驗在內的各種研究計畫。經過四年的努力，SSMB研究小組取得了重大進展，並取得了世界領先的成果。

「SSMB採用雷射聚焦電子，與同步加速器光源常用的微波相比，聚焦系統的波長縮短了5到6個數量級。因此，要驗證SSMB的原理，加速器需要具有非常高的德國PTB的MLS存儲環對電子每轉的縱向位置（相位）的控制精度最接近SSMB的實驗要求。 」在德國參與實驗的清華大學工程物理系博士生鄧秀傑說。

自2017年以來，清華團隊成員已八次訪問柏林，參與了實驗準備和運作的各個階段。經過長時間的努力，實驗於31年2019月1日獲得成功。在實際操作實驗過程中，直到每個問題都無法解決時，我們才停止工作，對之前收集的實驗數據進行理論分析，定期召開工作會議，並進行電子郵件或在線討論。 「此外，SSMB實驗團隊是一個國際化的協作團隊，從最初的適應到彼此逐漸熟悉和了解，整個團隊都認為我們真正做到了‘1+2>>XNUMX’，大家對進一步的合作充滿信心將來。

目前，清華大學正在積極支持和推進SSMB EUV光源國家計畫。清華大學中科院課題組已向國家發改委提交了「穩態微集束極紫外光源研究裝置」計畫建議書，並申請了「十四五」重大科技基礎設施建設年度計畫。

除了SSMB之外，日本等國家也正在研究在自由電子雷射（FEL）方案中使用能量回收直線加速器（ERL）。此方案可實現更高的峰值功率，最大可達10kW EUV光，更重要的是，它具有更低的碳足跡。根據日本高能量加速器研究組織的數據，FEL的能耗成本約為LPP方案的七分之一。不過，與SSMB類似，此類光源也面臨各種需要克服的技術挑戰，而且成本也會更高。