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自亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心（HZB）以及德國聯(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。“我國EUV光刻機(jī)的自主研發(fā)還有很長的路要走，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。”唐傳祥說。

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)，并開發(fā)測試實(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。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EUV光刻機(jī)的光源，這是國際社會(huì)高度關(guān)注清華大學(xué)SSMB研究的重要原因。”唐傳祥介紹。

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直接相關(guān)，半個(gè)多世紀(jì)以來，光刻機(jī)光源的波長不斷縮小，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)于用波長只有頭發(fā)直徑一萬分之一的極紫外光，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)。

“簡而言之，光刻機(jī)需要的EUV光，要求是波長短，功率大。”唐傳祥說，“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?；赟SMB的EUV光源有望實(shí)現(xiàn)大的平均功率，并具備向更短波長擴(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光源在國家層面的立項(xiàng)工作。清華SSMB研究組已向國家發(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，申報(bào)“十四五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。

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