芯片，自去年以來(lái)已經(jīng)成為備受關(guān)注的話題。中國(guó)內(nèi)陸的芯片廠商之所以無(wú)法生產(chǎn)出較為精密的芯片，是因?yàn)闆](méi)有極紫外（extreme ultraviolet, EUV）光刻機(jī)。EUV光刻機(jī)擁有生產(chǎn)7nm以下芯片的制造工藝，但被荷蘭的ASML公司所壟斷。 就在幾天前，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合德國(guó)的研究機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了「穩(wěn)態(tài)微聚束」(steady-state microbunching, SSMB)光源。這個(gè)光源的波長(zhǎng)可以從太赫茲覆蓋到極紫外波段，或許能成為EUV光刻機(jī)新的光源技術(shù)。 該論文以《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）為題于2月25日發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上，該實(shí)驗(yàn)由清華大學(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）合作完成。

在大型粒子加速器中，電子被加速到近乎光速后會(huì)發(fā)出具有特殊性質(zhì)的光脈沖。在基于存儲(chǔ)環(huán)的同步輻射源加速器中，電子束在環(huán)中運(yùn)行數(shù)十億圈后會(huì)在偏轉(zhuǎn)磁體中產(chǎn)生快速連續(xù)的光脈沖；在自由電子激光器(FELs)中，電子束被線性加速后會(huì)發(fā)出一束類似激光的超亮閃光。 現(xiàn)在，中德團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明了同步輻射源加速器還可以產(chǎn)生脈沖模式。這種模式結(jié)合了兩種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：這些短而強(qiáng)的微束電子產(chǎn)生的輻射脈沖像FELs光源一樣具有類似激光的特性，但它們也可以像同步加速器光源一樣彼此緊跟著排列。 微束化可實(shí)現(xiàn)高峰值功率，穩(wěn)態(tài)可實(shí)現(xiàn)高重復(fù)性速率，兩種功能相結(jié)合就有了SSMB的構(gòu)想。大約十年前，斯坦福大學(xué)著名的加速器理論家、清華大學(xué)杰出訪問(wèn)教授趙午（Alexander Chao）和他的博士生Daniel Ratner提出并命名了這個(gè)想法。 SSMB工作原理就是利用一定波長(zhǎng)的激光操控位于儲(chǔ)存環(huán)MLS內(nèi)的電子束，使電子束繞環(huán)一整圈后形成精細(xì)的微結(jié)構(gòu)，也即微聚束。然后，微聚束在激光波長(zhǎng)及其高次諧波上輻射出高強(qiáng)度的窄帶寬相干光。

圖示：SSMB構(gòu)想（來(lái)源：euvlitho.com） 想法很簡(jiǎn)單，但驗(yàn)證起來(lái)就不是那么簡(jiǎn)單了。清華大學(xué)的年輕物理學(xué)家鄧秀杰在他的博士論文中從理論上對(duì)這些想法進(jìn)行了驗(yàn)證。2017年，趙午教授與HZB的加速器物理學(xué)家建立了聯(lián)系，得以操作計(jì)量光源(Major League Soccer, MLS)。MLS是世界上第一個(gè)為了在「低alpha模式」運(yùn)行而優(yōu)化設(shè)計(jì)的光源。在這種模式下，電子束可以大大縮短。 十多年來(lái)，研究人員一直在不斷開(kāi)發(fā)這種特殊的操作方式。HZB的加速器物理學(xué)家J?rg Feikes表示：「SSMB團(tuán)隊(duì)中的理論組已經(jīng)定義了物理邊界條件，以便在準(zhǔn)備階段就能實(shí)現(xiàn)機(jī)器的最佳性能。這使我們能夠用MLS生成新的機(jī)器狀態(tài)，并與鄧秀杰一起對(duì)其進(jìn)行充分地調(diào)整，直至能夠探測(cè)到我們要尋找的脈沖模式。」

圖示：SSMB原理理論（來(lái)源：論文） HZB和PTB的研究人員使用了一種與MLS中的電子束在時(shí)間和空間上有著精確耦合的光學(xué)激光器，改變了電子束的能量。「這會(huì)導(dǎo)致毫米級(jí)電子束在存儲(chǔ)環(huán)中旋轉(zhuǎn)一圈后分裂成微束(只有1 μm長(zhǎng))，然后發(fā)出的相干光脈沖像激光一樣放大彼此，」J?rg Feikes解釋道。「相干輻射的經(jīng)驗(yàn)檢測(cè)絕非易事，但我們PTB的同事成功地開(kāi)發(fā)了一種創(chuàng)新的光學(xué)檢測(cè)單元。」 研究組利用波長(zhǎng)1064納米的激光操控儲(chǔ)存環(huán)中的電子束，使電子束繞環(huán)一整圈后形成微聚束，并輻射出高強(qiáng)度的相干光。HZB的加速器專家Markus Ries表示:「基于這項(xiàng)研究結(jié)果，我們現(xiàn)在能夠從經(jīng)驗(yàn)中確認(rèn)滿足MLS中SSMB原理的物理?xiàng)l件。」

圖示：實(shí)驗(yàn)結(jié)果（來(lái)源：論文） 那么，SSMB又能為EUV光刻機(jī)帶來(lái)什么呢？ PTB主任Mathias Richter教授說(shuō)：「未來(lái)SSMB源的亮點(diǎn)在于，它們產(chǎn)生的類似激光的輻射也超出了可見(jiàn)光的光譜范圍，在EUV范圍內(nèi)。」 在芯片制造領(lǐng)域，芯片的制程工藝和光刻機(jī)的曝光分辨率有著密切的關(guān)系，而光刻機(jī)的曝光分辨率又和光源的波長(zhǎng)息息相關(guān)。EUV光刻機(jī)光源的功率越高，芯片刻錄速度就越快。光源波長(zhǎng)越短，芯片工藝的納米數(shù)可以做到越小。「簡(jiǎn)而言之，光刻機(jī)需要的EUV光，要求是波長(zhǎng)短，功率大。」唐傳祥教授說(shuō)。 而基于SSMB技術(shù)的光源擁有高功率、高重頻、窄帶寬的特點(diǎn)。Ries強(qiáng)調(diào):「在最后階段，SSMB源可以提供一種新特性的輻射：脈沖強(qiáng)烈、集中、窄帶。可以說(shuō)，它結(jié)合了同步光和FEL脈沖的優(yōu)點(diǎn)。」另外，SSMB技術(shù)還因?yàn)槭褂昧舜鎯?chǔ)環(huán)技術(shù)而具有穩(wěn)定性高和成本較低的優(yōu)勢(shì)。 Feikes補(bǔ)充說(shuō):「這種輻射可適用于工業(yè)應(yīng)用。第一個(gè)基于SSMB光源的專用EUV光刻機(jī)將會(huì)建在北京附近，已經(jīng)處于規(guī)劃階段。」

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