清华大学在攻克这一光刻机核心难题方面取得突破

来源:半导体产业纵横发布时间:2023-09-151824浏览

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）综合光源，是EUV光刻技术突破的关键。今年2月，清华大学工物系教授唐传祥研究组与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）的合作团队在《自然》（Nature）上发表了题为《稳态微聚束原理的实验演示》（Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching）的研究论文。

该文报告了一种新型粒子加速器光源“稳态微聚束”（Steady-state microbunching，SSMB）的首个原理验证实验

基于SSMB原理，能获得高功率、高重频、窄带宽的相干辐射，波长可覆盖从太赫兹到极紫外（EUV）波段，有望为光子科学研究提供广阔的新机遇。

《自然》评阅人对该研究高度评价，认为 “展示了一种新的方法论”，“必将引起粒子加速器和同步辐射领域的兴趣”。《自然》相关评论文章写到“该实验展示了如何结合现有两类主要加速器光源——同步辐射光源及自由电子激光——的特性。

SSMB光源未来有望应用于EUV光刻和角分辨光电子能谱学等领域。”该论文一经刊发，立即引起国内外学术界及产业界的高度关注。

图1. SSMB原理验证实验示意图（来源：《自然》）

实验中，研究团队利用波长1064nm的激光操控位于柏林的储存环MLS内的电子束，使电子束绕环一整圈（周长48米）后形成精细的微结构，也即微聚束。微聚束会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，实验通过探测该辐射验证微聚束的形成。微聚束的形成，证明了电子的光学相位能以短于激光波长的精度逐圈关联起来，使得电子可被稳态地束缚在激光形成的光学势井中，验证了SSMB的工作机理。实验示意如图1所示，部分实验结果如图2所示。

图2. SSMB原理验证实验结果（来源：《自然》）

SSMB概念由斯坦福大学教授、清华大学杰出访问教授赵午与其博士生Daniel Ratner于2010年提出。赵午持续推动SSMB的研究与国际合作。2017年，唐传祥与赵午发起该项实验，唐传祥研究组主导完成了实验的理论分析和物理设计，并开发测试实验的激光系统，与合作单位进行实验，并完成了实验数据分析与文章撰写。

有望为EUV光刻光源提供新技术路线

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

在芯片制造的产业链中，光刻机是必不可少的精密设备，是集成电路芯片制造中最复杂和关键的工艺步骤。光刻机的曝光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缩小，芯片工业界公认的新一代主流光刻技术是采用波长为13.5nm光源的EUV光刻。EUV光刻机工作相当于用波长只有头发直径一万分之一的极紫外光，在晶圆上“雕刻”电路，最后将让指甲盖大小的芯片包含上百亿个晶体管，这种设备工艺展现了人类科技发展的顶级水平。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公司采用的是高能脉冲激光轰击液态锡靶，形成等离子体然后产生波长13.5nm的EUV光源，功率约250瓦。而随着芯片工艺节点的不断缩小，预计对EUV光源功率的要求将不断提升，达到千瓦量级。

“简而言之，光刻机需要的EUV光，要求是波长短，功率大。”唐传祥说。大功率EUV光源的突破对于EUV光刻进一步的应用和发展至关重要。唐传祥说：“基于SSMB的EUV光源有望实现大的平均功率，并具备向更短波长扩展的潜力，为大功率EUV光源的突破提供全新的解决思路。”

EUV光刻机的自主研发还有很长的路要走，基于SSMB的EUV光源有望解决自主研发光刻机中最核心的“卡脖子”难题。这需要SSMB EUV光源的持续科技攻关，也需要上下游产业链的配合，才能获得真正成功。

合作攻关

清华SSMB团队从2017年4月开始SSMB原理验证实验的理论分析和数值模拟。当年7月21日，唐传祥与赵午在清华组织召开首届SSMB合作会议，牵头成立了国际SSMB研究组，联合中、德、美等国家的科研人员，开始推动包括SSMB原理验证实验在内的各项研究。经过四年攻关，SSMB研究组取得了多项重要进展，成果领先世界。

“SSMB采用激光来对电子进行聚束，相比同步辐射光源常用的微波，聚束系统的波长缩短了5到6个数量级。因此，要验证SSMB的原理，需要加速器对电子纵向位置（相位）逐圈变化有非常高的控制精度，而德国PTB的MLS储存环在这一方面最接近SSMB的实验需求。经过老师们的前期联系与沟通，德国的HZB及PTB两家机构积极加入研究团队，与我们开展合作研究。”全程参与赴德实验的清华大学工物系2015级博士生邓秀杰介绍说。

从2017年始，清华团队成员先后8次前往柏林，参与从实验准备到操作的各个环节，经过长时间的努力，实验于2019年8月31日取得成功。邓秀杰说：“SSMB涉及的物理效应多，实验难度大，团队经历了多次失败的尝试，在实验过程中不断加深对物理问题和实际加速器运行的认识，直到最后将问题一一解决。无法进行现场实验的时候，我们也没有停止工作，会就之前采集的实验数据进行理论分析，定期召开工作会议，以及进行邮件或在线讨论等。” “此外，SSMB实验团队是一个国际合作团队，从开始的磨合到逐渐熟悉理解再到渐入佳境，整个团队一致认为我们真正实现了‘1+1>>2’，大家对未来进一步的合作都充满了信心。”

目前，清华大学正积极支持和推动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“稳态微聚束极紫外光源研究装置”的项目建议书，申报“十四五”国家重大科技基础设施。

除了SSMB，日本等国家也在研究使用能量回收型直线加速器（ERL）的FEL（自由电子激光）方案，这种方案的极限功率更高，最高可实现10kW的EUV光，更重要的是，这套方案的碳足迹更低。根据日本高能加速器研究机构给出的数据，FEL可以做到近LPP方案7分之一的耗电成本。不过与SSMB一样，这类光源也存在不少需要突破的技术难点，而且造价只会更高。

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