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清华提出震撼世人的EUV光刻厂方案,一文汇总有关信息和论文

人工智能学家 2023-09-16 17:36 Posted on 广东
来  源:综合自铁军哥、平原公子、海内人物

转  自:电子技术应用ChinaAET

是说芯语”已陪伴您1703天

EUV(Extreme Ultraviolet)光刻机是制造芯片的关键设备之一,它的光源技术一直是制约其商业化应用的重要因素,成为中国EUV光刻机发展的瓶颈问题。

EUV光源技术具有极苛刻的要求,需要使用波长仅为13.5纳米的极紫外光源,极紫外光源需要高功率激光与某种材料相互作用,需要解决材料的选择、激光能量的控制等一系列技术问题,且要求具有足够的稳定性和强度,涉及到物理、光学、材料等多个领域的交叉,技术难度非常大。

可谁也没想到,这个难题最近好像要被清华大学的“工厂化EUV光刻机技术”打破了!直接把光刻机做成固定基础设施,在没有能力小型化的时候,用体积换取精密制造,实现同样功能。

不追求单项技术的先进性,追求总体设计的合理性高效性,以总体设计负责对各个系统的技术协调。这次突破再次印证了钱学森在工程控制论中提出的思想。


与ASML公司追求EUV光刻机小型化不同,网传的设计方案打破了思维定势,跳出圈子来考虑光刻机问题,令人耳目一新。他们建造了一个巨大的光源,并围绕其建设不同制程的芯片加工车间,关键技术之一是一个长200米、宽20米,输出功率10K瓦的环形同步辐射装置作为光刻机的光源。该装置利用激光控制电子束的多次发射,在通道中通过频率叠加和粒子偏振频率的控制,筛选出需要的极紫外线,并在合适的位置输出光源。



中国是芯片的生产大国和消费大国,无需像ASML一样顾虑小型化方便运输,直接划一大块地建厂,动用千瓦级SSMB-EUV光源,带多个光刻厂,实现高端芯片的自产自销,这一打破思维障壁的方案无疑震撼了所有人。


2022年,清华大学研究核物理的唐传祥教授在《科学时报》上发表过一篇论文,名字叫做《稳态微聚束加速器光源》,现在看起来真是意料之外,但又情理之中。


论文中讲的——稳态微聚束(steady-state micro-bunching),简称“ SSMB”,用它造的光刻机,就叫“SSMB-EUV”光刻机。
这个原理说得朴素一点,就是用高能加速器对电子加速,让后让它穿过交替变化的磁场(震荡腔),它会左右震荡,产生高频率、短波长的电磁波,甚至是可见光,如果把电子加速到接近光速,那么就会产生更短波长的光,甚至是X光。我们把电子抱成极小的纳米级别的“电子团”,让每一个电子团中的电子震荡发出的电磁波都在同相。让nm级别的电子团一串一串通过加速器,进入震荡腔,每一团都左右震荡,就能在各个位置得到功率很大的相干光。
首先利用高重频微波电子枪产生一串电子束,长度百纳秒量级;产生的电子束将在一段直线加速腔中被加速到约400 MeV,此时的电子束是脉冲分布的,间隔为加速所用微波的周期(约10 cm);之后将这些电子束团注入到展束环中对束团进行纵向的拉伸, 使电流分布由梳状得到展平, 得到在纵向上均匀分布的准连续束团;后将该束团从展束环引出,注入到SSMB主环中进行储存,在主环中,电子束由于激光调制器的聚束作用并在量子激发和辐射阻尼平衡下保持微聚束状态,束长在数十纳米量级;该微聚束在辐射段被进一步压缩到3 nm左右, 实现波长13.5 nm的强相干辐射,从而输出千瓦量级的EUV光。

目前EUV光源有四种实现模式——LPP、SR、SRF-FEL、以及SSMB。

目前荷兰最先进的光刻机,使用的就是LPP模式,通过一台功率大于20 kW的CO2气体激光器轰击液态锡形成等离子体,从而产生13.5 nm的EUV光。然后不断优化,在中间焦点处实现350 W左右的EUV光功率......技术比较成熟,也已经商业化,但它的光功率上限为500 W左右, 基本上走到了头,难以支撑下一代光刻技术的进一步发展。

SSMB-EUV光源,因为微聚束辐射的强相干特性以及储存环内电子束的高回旋频率特性,所以可提供高平均功率、窄带宽的相干辐射,波段可覆盖从太赫兹到软X射线。

它有很多优点:1、高平均功率,SSMB储存环支持安装多条EUV光束线;2、窄带宽与高准直性;3、高稳定性的连续波输出;4、辐射清洁;5、可拓展性,SSMB原理上容易往更短波长拓展, 为下一代采用波长6.xnm的Blue-X光刻技术留有可能。


SSMB-EUV可以做成一个大环,上面有很多EUV光源束线,同时让好几个光刻机开工。整个“光刻工厂中”,一切设备都围绕这个光源来设计。

唐传祥教授的研究组与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)上还发表过一篇题为“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。论文链接和摘要如下,有兴趣的小伙伴可以付费下载:
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03203-0
粒子加速器作为光子源的使用促进了科学技术的进步。目前,这种源的主力是基于存储环的同步辐射设备和基于线性加速器的自由电子激光器。同步辐射设施输送具有高重复率但相对较低功率的光子,这是由于它们的时间不相干性质。自由电子激光器产生具有高峰值亮度的辐射,但其重复率受到驱动源的限制。稳态微聚束(steady-state micro-bunching,SSMB)机制已被提出用于在从太赫兹到极紫外的波长范围内产生高重复、高功率辐射。这是通过在稳态逐圈基础上使用微聚束实现的电子存储环中辐射的多粒子相干增强来实现的。揭示SSMB作为未来光子源潜力的关键一步是在真实机器中演示其机制。在这里,我们报告了SSMB机制的实验演示。我们证明,存储在准等时环中的电子束可以产生亚微米微聚束和相干辐射,在1064纳米波长的激光引起能量调制后旋转一周。我们的结果验证了电子的光学相位可以以亚激光波长的精度逐圈关联。在这种相位相关性的基础上,我们预计SSMB将通过应用与电子依次相互作用的锁相激光器来实现。该演示代表着实现基于SSMB的高重复、高功率光子源的一个里程碑。
对应的,物理学报上也有一篇题为“稳态微聚束加速器光源”特邀综述,作者同为唐传祥教授,摘要如下:
稳态微聚束(steady-state micro-bunching,SSMB)原理采用激光操控储存环中的电子,可形成具有精微纵向/时间结构的电子束团,即微聚束。通过有机结合微聚束辐射的强相干特性以及储存环内电子束的高回旋频率特性,SSMB光源可提供高平均功率、窄带宽的相干辐射,波段可覆盖从太赫兹到软X射线,具有巨大的科学及产业应用前景。本文在对现有加速器光源—同步辐射光源和自由电子激光简要介绍的基础上,对SSMB的概念及潜力、原理验证实验进展、核心物理及关键技术挑战、清华SSMB-EUV光源方案及其对科学研究和芯片光刻潜在的变革性影响进行总结论述。所综述的工作是在我国自己创新性工作基础上进行的, 对于国内读者了解该领域的工作及发展具有一定的帮助。
最后附上唐传祥教授题为《Development of SSMB EUV Light Source at THU》的汇报PPT。

目录。
同步辐射功率。
基于SRF直线加速器和ERL的高重复率FEL。
稳态微聚束。
SSMB的独特之处。

SSMB协会。
SSMB PoP阶段。
高功率EUV辐射方案。
设计的两种SSMB方案:混合和LSF。
混合和LSF方案的EUV辐射。
SSMB-EUV存储环的混合设计。
关键技术-OEC。
总结。
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国产EUV光刻机近况
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