Nature：清华唐传祥团队成功进行“稳态微聚束”首个原理验证实验

2021-03-01 学术头条

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图片来源｜视频《为什么欧美能造出EUV光刻机？国产EUV设备何时出现？》（作者｜爱较真的戴老师）

导读

2021年2月25日，由清华大学唐传祥教授课题组与德国柏林亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心（Helmholtz-Zentrum Berlin，HZB）以及德国联邦物理技术研究院（Physikalisch-Technische Bundesanstalt，PTB）的合作团队联合完成的研究文章“稳态微聚束原理的实验演示”（Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching）在《自然》（Nature）杂志上发表，文章通讯作者为清华大学工物系唐传祥教授和HZB的Jörg Feikes博士，一作为清华大学工物系2015级博士生邓秀杰。文中报道了该合作团队利用PTB的计量光源（Metrology Light Source，MLS）及相关实验设备，成功完成了世界首次“稳态微聚束”（steady-state microbunching，SSMB）的原理验证实验，提出了一种新型的粒子加速器光子源。该光子源能够产生高重复频率、高功率的辐射，波长范围能够达到太赫兹尺度到极紫外，有望成为新的EUV光刻机光源。

作者简介

张陈翔，清华大学微纳电子系2019级硕士生，导师为王喆垚教授，研究方向为MEMS

背景介绍

粒子加速器作为光子源在科学研究和工程应用中都有着重要的地位。目前这类光子源主要有两种形式：一种是基于存储环（storage ring）的 同步加速器辐射装置（synchrotron radiation facilities），这种装置产生的光子由于时间上不相干，因此具有较高的重复频率，但功率较低；另一种是基于线性加速器（linear accelerator）的 自由电子激光器（free-electron lasers，FEL），它能够产生具有高峰值亮度的辐射，但由于每个电子束只被使用了一次，因此其重复频率受到驱动源的限制。

为了结合两种光子源的优点，产生高重复频率、高功率、窄线宽的辐射，在2010年，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 Rantner提出了“ 稳态微聚束”，即SSMB。在2017年，唐传祥教授与赵午教授共同发起该项试验，旨在验证SSMB的原理。

实验装置

由于非相干辐射的强度与辐射源数量成正比，而相干辐射强度与辐射源数量的平方成正比，因此为了产生高功率的辐射，需要产生电子束相干辐射，这就要求粒子必须成束或者亚成束。SSMB就是通过操纵存储环中的粒子动力学，使电子束长度在微米或更短的范围内，从而产生 高度相干的电子束辐射。

图1｜SSMB验证实验装置示意图（图源｜Nature）

实验装置如图1所示。波长λ _l=1,064nm的水平偏振激光脉冲（半峰全宽 FWHM≈10ns，能量约50mJ）被发射到周期λ _u=0.125m总长4m的平面波荡器（planar undulator）中，在这里与计量光源MLS存储环中存储的电子束（能量E ₀=250 MeV）共传播。在传播过程中，由于波荡器间隙满足共振条件，激光-电子能量交换能够最大程度进行，使得电子束产生正弦能量调制图案。在周长为48m的准同步存储环中旋转一圈后，电子向同步相聚集，最终形成微束（micro bunching）。来自电子束的波荡器辐射之后通过二向色镜分离为基波和二次谐波，信号则主要集中在二次谐波上。在光电探测器前插入一个窄带通滤波器（中心波长532nm，带宽3nm FWHM），即可拾取到由微束产生的窄带相干辐射。

实验结果

图2｜不同情况下产生的波动辐射波形图（图源｜Nature）

主要实验结果如图2所示。左半图和右半图分别对应2次和40次连续激光照射的结果。其中a和b是没有激光加入的情况下MLS存储环中电子绕行一圈的辐射情况，对应非相干辐射并反映了均匀的束填充图案。在加入激光后，中间五个尖峰出现加强，如图2c和2d所示，表明微束的形成以及激光调制束的相干辐射的产生。图2e和2f是加入窄带通滤波器后的结果，进一步证实了辐射加强是微束产生的窄带相干辐射。

图3｜微束产生的相干波状起伏辐射对束电荷的二次依赖性（图源｜Nature）

除此之外，该课题组还研究了微束产生的相干辐射能量和束电荷的关系。如图3所示，蓝点为实验数据，红色曲线表示两个变量的二次拟合。从图中也可以看出，该辐射强度与束电荷的平方成正比，符合相干辐射的特点，从另一个侧面印证了电子束相干辐射的产生。

应用前景

在文章中，作者针对这种新型光源提出了多种应用场景，例如凝聚态物理中的角度分辨光发射光谱法，或者用于研究材料的非线性现象和动力学特性，以及产生具有确定相位关系的超短（亚飞秒到亚秒）光子脉冲和脉冲序列，用于阿秒物理学的研究等。除此之外，最值得一提的，是它在 EUV光刻技术中作为EUV辐射源的应用。

图4 步进式光刻示意图

在集成电路生产过程中，为了形成各种各样的结构，需要对硅片进行多次图形化，这就需要用到光刻技术。图4所示是目前芯片生产中最常用的光刻技术——步进式光刻（stepper）的示意图。在光刻之前，首先在硅片上涂覆一层光刻胶，这种化学物质在受到光照时会发生交联或者解交联，从而改变其溶解特性。之后光源发射的光通过掩膜版（mask）照射到硅片上，掩膜板上提前做有图案，配合光刻胶的不同种类，图案可以是透光或者不透光的。经过光源照射，硅片上的光刻胶图案与非图案部分溶解性变得不同，经由显影液显影后，就将掩膜板上的图形转移到了光刻板上。

由于集成电路的线宽不断减小，目前集成电路生产领域使用的曝光方法基本都是基于投影曝光的stepper式光刻。这种曝光方法能够将掩膜板上较大的图案缩小转移到硅片上，降低了掩膜版的制作难度。这种曝光方式的最小分辨距离2b _min=kλ/NA 与光的波长成正比，与数值孔径成反比。在数值孔径很难继续增大的情况下，为了制作更小线宽的芯片，就需要通过 减小光的波长来进一步减小最小分辨距离，增大分辨率。在芯片线宽降低到7nm的今天，包括之后的5nm、3nm制程，所需光的波长已经进入 极紫外（EUV）范围。

由于光刻机生产需要多项技术的支持，生产难度大、成本高，目前能够生产光刻机的厂家寥寥无几，其中无一家中国公司；而能生产EUV光刻机的厂家更是只有荷兰的ASML一家。由于其在集成电路生产领域的重要性，光刻机更是被列为中国的卡脖子技术之一。要攻克西方对中国集成电路制造业的封锁，光刻机技术首当其冲。目前ASML的EUV光刻机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13.5纳米的EUV光源，功率约250瓦。在线宽不断缩小的事实下，所需要的光源功率会进一步提高。而唐传祥课题组提出的基于SSMB的新型光源，由于其能够产生高重复频率、高功率的EUV辐射，有望成为下一代EUV光刻机的光源选择。这项研究可能会为解决中国光刻机卡脖子难题做出不可磨灭的贡献。

但不得不提的是，光刻机生产中光源只是其中一个难题。包括稳定的机械结构、可靠的光路设计等多个问题都需要解决。唐传祥团队的SSMB光源研究为我们带来了一线希望，但真正解决国产光刻机卡脖子问题，还需要更多研究人员乃至整个集成电路产业链的上下游付出更多的努力。

参考文献

[1] Deng, X., Chao, A., Feikes, J. et al. Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching. Nature 590, 576–579 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03203-0

[2] 清华大学新闻“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”.

https://news.tsinghua.edu.cn/info/1003/84911.htm