清华大学团队新成果发表:有望解决光刻机自主研发难题

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IT之家 2 月 25 日消息 据清华大学官网消息,2 月 25 日,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)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,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。

图 1. SSMB 原理验证实验示意图(图片来源:《自然》)

图 2. SSMB 原理验证实验结果(图片来源:《自然》)

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》相关评论文章写道:“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。”

“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。”唐传祥告诉记者。

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 13.5 纳米光源的 EUV(极紫外光源)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。

IT之家了解到,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 13.5 纳米的 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。”

唐传祥指出,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。

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。

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41586-021-03203-0

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