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清华团队为EUV光刻机发展提供新思路

2021/03/01  字体:[ ] 点击:

标题:清华大学团队论文登Nature,为EUV光刻机发展提供新思路 

 

芯东西(公众号:aichip001)

编译 | 高歌

编辑 | 云鹏

芯东西2月25日消息,昨天,清华大学的一项研究登上最新一期国际顶刊《自然(Nature)》。该研究描述了一种新型光源整合技术,首次展示了同步辐射光源与自由电子激光这两种主要加速器光源结合后的特性,或可用于实现大功率EUV光源。

清华大学的SSMB研究组已经对该技术研究了将近四年。目前,清华大学正积极推动SSMB EUV光源在国家层面的立项工作。清华SSMB研究组已向国家发改委提交了“稳态微聚束极紫外光源研究装置”的项目建议书,申报了“十四五”国家重大科技基础设施。

本篇论文名为《稳态微聚束原理的实验演示(Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching)》,除清华大学唐传祥研究组外,还有亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心(HZB)及德国联邦物理技术研究院(PTB)参与研究。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03203-0

一、SSMB技术:整合两种光源优势,或能用于改良EUV光源

该论文报告了一种新型粒子加速器光源稳态微束(SSMB)的首个原理验证实验,展示了同步辐射光源与自由电子激光这两种主要加速器光源结合后的特性。

该技术之所以被关注,是因为SSMB可能被用作未来大功率EUV技术的光源。

《自然》写到,尽管和其他一些改善辐射特性的研究相比,唐传祥团队的方案有着相当大的技术难度,但是其原理验证实验指出了一条高功率、高亮度、小带宽光源的技术道路,远远胜过了当前的同步加速器。

▲SSMB原理验证的实验示意图(来源:《自然》)

在芯片制造产业中,光刻机是其中必不可少的一环。光刻机的曝光分辨率与波长直接相关,如今最先进的光刻技术是采用波长为13.5纳米光源的EUV(极紫外光源)光刻。荷兰ASML公司是目前世界上唯一的EUV光刻机供应商,每台EUV光刻机售价超过1亿美元。

大功率的EUV光源是EUV光刻机的核心基础。目前ASML光刻机的功率约250W,随着芯片工艺节点的不断缩小,EUV光源的功率要求也将不断提升,预计未来需要达到千瓦级,简单来说就是要求光源波长短、功率大。

唐传祥称,基于SSMB的EUV光源有望实现其功率要求,还具备向更短波长扩展的潜力,为大功率EUV光源提供了新的突破思路。

当前主要的两种加速器光源是同步辐射光源与自由电子激光。同步加速器的光源平均功率较高,单位时间内产生的光子数目较多,但是带宽较高。自由电子激光器所发出的光脉冲,则具备带宽小、亮度高的优点,其亮度比同步加速器高100亿倍,功率相比同步加速器却比较小。

两种光源各有利弊,而SSMB技术就是一种弥补两种光源差距、整合其优点的技术方案。

二、通过激光脉冲使电子微束化,增加电子束功率

在实验中,唐传祥团队使用同步加速器发射、加速电子束,当电子穿过波荡器时发射一个激光脉冲,使同步加速器中的电子束在发出辐射之前变为微束。波荡器是一种是电子横向振荡的仪器,激光脉冲则可以使不同的粒子具有不同的能量。

▲微束电子的相干辐射示意图(来源:《自然》)

之前的微束绕过机器时,因为高能电子在磁场中偏转较小,从而其走过的路径更长,使高能电子向后滑动。

当电子完成加速器的转弯后,这种纵向滑移使粒子微束化,就得到了类似于自由电子激光性质的粒子,其微束间隔大约等于入射激光脉冲波长。

唐传祥团队将如此得到的光源微束与柏林的同步加速器上的电子束辐射进行了对比。

因为相干辐射功率会更大,在使用带通滤波器的设备去除残留的非相干辐射后,唐传祥团队检测到了来自微束的清晰信号,证明通过上述实验步骤使得同步电子束发生了相干辐射。

唐传祥团队通过研究发现,相干电子束的辐射功率与电子束电荷平方成正比关系,完成了在粒子加速器中生成高功率、小带宽光脉冲的关键步骤。

▲SSMB原理验证实验的结果示意图(来源:《自然》)

三、SSMB技术投入使用仍有难点,多种光源技术相互竞争

不过这项研究距离实用仍旧有三个很难用实验解决的问题。

首先,高能电子的纵向滑移会在许多转弯中降低微束化。

其次,为了使光源能够以千瓦级大功率稳态辐射,在激光腔室的反射镜中,入射激光脉冲必须与电子束转角达成同步。

最后,如果不使用反馈回路控制,电子束中粒子之间的集体相互作用也会降低辐射的功率和亮度。

除此之外,其他类型的光源,如储存环自由电子激光器和能量回收型直线加速器等也在开发,SSMB技术想要实用可能还需要面对多种技术的竞争。

结语:SSMB技术仍有待市场验证

EUV技术是当今芯片先进制程的关键一环,目前针对EUV光刻技术领域,全球共有40多个国家参与了研发。华为的芯片断供事件在某种程度上证明了,我国芯片供应链中晶圆代工、EUV等环节自主制造能力较差。

而这次清华大学科研团队SSMB光源的进展,有可能弥补我国EUV技术的不足,从而提升整个芯片产业链的自主生产能力。但是SSMB技术当前仍要面对其他加速器光源技术的竞争,也需要产业链的上下游厂商的配合。对于清华大学SSMB研发团队来说,他们的工作才刚刚开始。

来源:Nature、清华大学《清华工物系在新型加速器光源“稳态微聚束”研究中取得重大进展》

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