新成果有望解決自主研發(fā)光刻機(jī)的“卡脖子”難題

澎湃新聞（www.thepaper.cn）從清華大學(xué)獲悉，2月25日，清華大學(xué)工程物理系教授唐傳祥研究組與來(lái)自亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心（HZB）以及德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）的合作團(tuán)隊(duì)在《自然》（Nature）上發(fā)表了題為《穩(wěn)態(tài)微聚束原理的實(shí)驗(yàn)演示》（Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching）的研究論文，報(bào)告了一種新型粒子加速器光源“穩(wěn)態(tài)微聚束”（Steady-state microbunching，SSMB）的首個(gè)原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

基于SSMB原理，能獲得高功率、高重頻、窄帶寬的相干輻射，波長(zhǎng)可覆蓋從太赫茲到極紫外（EUV）波段，有望為光子科學(xué)研究提供廣闊的新機(jī)遇。

在芯片制造的產(chǎn)業(yè)鏈中，光刻機(jī)是必不可少的精密設(shè)備，是集成電路芯片制造中最復(fù)雜和關(guān)鍵的工藝步驟?！拔覈?guó)EUV光刻機(jī)的自主研發(fā)還有很長(zhǎng)的路要走，基于SSMB的EUV光源有望解決自主研發(fā)光刻機(jī)中最核心的‘卡脖子’難題?！碧苽飨檎f(shuō)。

SSMB原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)示意圖。圖源《自然》

SSMB原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖源《自然》

光刻機(jī)是芯片制造中必不可少的精密設(shè)備

SSMB概念由斯坦福大學(xué)教授、清華杰出訪問(wèn)教授趙午與其博士生Daniel Ratner于2010年提出。趙午持續(xù)推動(dòng)SSMB的研究與國(guó)際合作。2017年，唐傳祥與趙午發(fā)起該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，唐傳祥研究組主導(dǎo)完成了實(shí)驗(yàn)的理論分析和物理設(shè)計(jì)，并開(kāi)發(fā)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的激光系統(tǒng)，與合作單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并完成了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與文章撰寫(xiě)。唐傳祥教授和HZB的J?rg Feikes博士為論文通訊作者，清華工物系2015級(jí)博士生鄧秀杰為論文第一作者。

“SSMB光源的潛在應(yīng)用之一是作為未來(lái)EUV光刻機(jī)的光源，這是國(guó)際社會(huì)高度關(guān)注清華大學(xué)SSMB研究的重要原因?！碧苽飨榻榻B。

在芯片制造的產(chǎn)業(yè)鏈中，光刻機(jī)是必不可少的精密設(shè)備，是集成電路芯片制造中最復(fù)雜和關(guān)鍵的工藝步驟。光刻機(jī)的曝光分辨率與波長(zhǎng)直接相關(guān)，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，光刻機(jī)光源的波長(zhǎng)不斷縮小，芯片工業(yè)界公認(rèn)的新一代主流光刻技術(shù)是采用波長(zhǎng)為13.5納米光源的EUV（極紫外光源）光刻。EUV光刻機(jī)工作相當(dāng)于用波長(zhǎng)只有頭發(fā)直徑一萬(wàn)分之一的極紫外光，在晶圓上“雕刻”電路，最后將讓指甲蓋大小的芯片包含上百億個(gè)晶體管，這種設(shè)備工藝展現(xiàn)了人類科技發(fā)展的頂級(jí)水平。荷蘭ASML公司是目前世界上唯一的EUV光刻機(jī)供應(yīng)商，每臺(tái)EUV光刻機(jī)售價(jià)超過(guò)1億美元。

新成果有望解決自主研發(fā)光刻機(jī)的“卡脖子”難題

唐傳祥介紹，大功率的EUV光源是EUV光刻機(jī)的核心基礎(chǔ)。目前ASML公司采用的是高能脈沖激光轟擊液態(tài)錫靶，形成等離子體然后產(chǎn)生波長(zhǎng)13.5納米的EUV光源，功率約250瓦。而隨著芯片工藝節(jié)點(diǎn)的不斷縮小，預(yù)計(jì)對(duì)EUV光源功率的要求將不斷提升，達(dá)到千瓦量級(jí)。

“簡(jiǎn)而言之，光刻機(jī)需要的EUV光，要求是波長(zhǎng)短，功率大?！碧苽飨檎f(shuō)，“大功率EUV光源的突破對(duì)于EUV光刻進(jìn)一步的應(yīng)用和發(fā)展至關(guān)重要。基于SSMB的EUV光源有望實(shí)現(xiàn)大的平均功率，并具備向更短波長(zhǎng)擴(kuò)展的潛力，為大功率EUV光源的突破提供全新的解決思路?！?/p>

唐傳祥指出，EUV光刻機(jī)的自主研發(fā)還有很長(zhǎng)的路要走，基于SSMB的EUV光源有望解決自主研發(fā)光刻機(jī)中最核心的“卡脖子”難題。這需要SSMB EUV光源的持續(xù)科技攻關(guān)，也需要上下游產(chǎn)業(yè)鏈的配合，才能獲得真正成功。

《自然》評(píng)閱人對(duì)該研究高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為 “展示了一種新的方法論”，“必將引起粒子加速器和同步輻射領(lǐng)域的興趣”?！蹲匀弧废嚓P(guān)評(píng)論文章寫(xiě)到“該實(shí)驗(yàn)展示了如何結(jié)合現(xiàn)有兩類主要加速器光源——同步輻射光源及自由電子激光——的特性。SSMB光源未來(lái)有望應(yīng)用于EUV光刻和角分辨光電子能譜學(xué)等領(lǐng)域。”

目前，清華正積極支持和推動(dòng)SSMB EUV光源在國(guó)家層面的立項(xiàng)工作。清華SSMB研究組已向國(guó)家發(fā)改委提交“穩(wěn)態(tài)微聚束極紫外光源研究裝置”的項(xiàng)目建議書(shū)，申報(bào)“十四五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。

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