这个光源的波长能成为EUV光刻机新的光源技术

芯片，自去年以来已经成为备受关注的话题。中国内陆的芯片厂商之所以无法生产出较为精密的芯片，是因为没有极紫外（extreme ultraviolet, EUV）光刻机。EUV光刻机拥有生产7nm以下芯片的制造工艺，但被荷兰的ASML公司所垄断。 就在几天前，清华大学团队联合德国的研究机构实验证实了「稳态微聚束」(steady-state microbunching, SSMB)光源。这个光源的波长可以从太赫兹覆盖到极紫外波段，或许能成为EUV光刻机新的光源技术。 该论文以《稳态微聚束原理的实验演示》（Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching）为题于2月25日发表在《自然》（Nature）杂志上，该实验由清华大学工程物理系教授唐传祥研究组与来自亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心（HZB）以及德国联邦物理技术研究院（PTB）合作完成。

在大型粒子加速器中，电子被加速到近乎光速后会发出具有特殊性质的光脉冲。在基于存储环的同步辐射源加速器中，电子束在环中运行数十亿圈后会在偏转磁体中产生快速连续的光脉冲；在自由电子激光器(FELs)中，电子束被线性加速后会发出一束类似激光的超亮闪光。 现在，中德团队已经证明了同步辐射源加速器还可以产生脉冲模式。这种模式结合了两种系统的优点：这些短而强的微束电子产生的辐射脉冲像FELs光源一样具有类似激光的特性，但它们也可以像同步加速器光源一样彼此紧跟着排列。 微束化可实现高峰值功率，稳态可实现高重复性速率，两种功能相结合就有了SSMB的构想。大约十年前，斯坦福大学著名的加速器理论家、清华大学杰出访问教授赵午（Alexander Chao）和他的博士生Daniel Ratner提出并命名了这个想法。 SSMB工作原理就是利用一定波长的激光操控位于储存环MLS内的电子束，使电子束绕环一整圈后形成精细的微结构，也即微聚束。然后，微聚束在激光波长及其高次谐波上辐射出高强度的窄带宽相干光。

图示：SSMB构想（来源：euvlitho.com） 想法很简单，但验证起来就不是那么简单了。清华大学的年轻物理学家邓秀杰在他的博士论文中从理论上对这些想法进行了验证。2017年，赵午教授与HZB的加速器物理学家建立了联系，得以操作计量光源(Major League Soccer, MLS)。MLS是世界上第一个为了在「低alpha模式」运行而优化设计的光源。在这种模式下，电子束可以大大缩短。 十多年来，研究人员一直在不断开发这种特殊的操作方式。HZB的加速器物理学家Jörg Feikes表示：「SSMB团队中的理论组已经定义了物理边界条件，以便在准备阶段就能实现机器的最佳性能。这使我们能够用MLS生成新的机器状态，并与邓秀杰一起对其进行充分地调整，直至能够探测到我们要寻找的脉冲模式。」

图示：SSMB原理理论（来源：论文） HZB和PTB的研究人员使用了一种与MLS中的电子束在时间和空间上有着精确耦合的光学激光器，改变了电子束的能量。「这会导致毫米级电子束在存储环中旋转一圈后分裂成微束(只有1 μm长)，然后发出的相干光脉冲像激光一样放大彼此，」Jörg Feikes解释道。「相干辐射的经验检测绝非易事，但我们PTB的同事成功地开发了一种创新的光学检测单元。」 研究组利用波长1064纳米的激光操控储存环中的电子束，使电子束绕环一整圈后形成微聚束，并辐射出高强度的相干光。HZB的加速器专家Markus Ries表示:「基于这项研究结果，我们现在能够从经验中确认满足MLS中SSMB原理的物理条件。」

图示：实验结果（来源：论文） 那么，SSMB又能为EUV光刻机带来什么呢？ PTB主任Mathias Richter教授说：「未来SSMB源的亮点在于，它们产生的类似激光的辐射也超出了可见光的光谱范围，在EUV范围内。」 在芯片制造领域，芯片的制程工艺和光刻机的曝光分辨率有着密切的关系，而光刻机的曝光分辨率又和光源的波长息息相关。EUV光刻机光源的功率越高，芯片刻录速度就越快。光源波长越短，芯片工艺的纳米数可以做到越小。「简而言之，光刻机需要的EUV光，要求是波长短，功率大。」唐传祥教授说。 而基于SSMB技术的光源拥有高功率、高重频、窄带宽的特点。Ries强调:「在最后阶段，SSMB源可以提供一种新特性的辐射：脉冲强烈、集中、窄带。可以说，它结合了同步光和FEL脉冲的优点。」另外，SSMB技术还因为使用了存储环技术而具有稳定性高和成本较低的优势。 Feikes补充说:「这种辐射可适用于工业应用。第一个基于SSMB光源的专用EUV光刻机将会建在北京附近，已经处于规划阶段。」

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