清华团队新成果:有望解决光刻机自主研发难题

从清华大学获悉，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。

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。

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。“我国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。”唐传祥说。

SSMB原理验证实验示意图。 图源《自然》

SSMB原理验证实验结果。 图源《自然》

光刻机是芯片制造中必不可少的精密设备

SSMB概念由斯坦福大学教授、清华杰出访问教授赵午与其博士生Daniel Ratner于2010年提出。赵午持续推动SSMB的研究与国际合作。2017年，唐传祥与赵午发起该项实验，唐传祥研究组主导完成了实验的理论分析和物理设计，并开发测试实验的激光系统，与合作单位进行实验，并完成了实验数据分析与文章撰写。唐传祥教授和HZB的J?rg Feikes博士为论文通讯作者，清华工物系2015级博士生邓秀杰为论文第一作者。

“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。”唐传祥介绍。

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。

新成果有望解决自主研发光刻机的“卡脖子”难题

唐传祥介绍，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。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。

《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》相关评论文章写到“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。”

目前，清华正积极支持和推动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。