每經(jīng)編輯 王鑫

據(jù)清華大學(xué)官網(wǎng)消息，2月25日，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）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(zhǎng)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。《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”。《自然》相關(guān)評(píng)論文章寫道：“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(lái)有望應(yīng)用于EUV光刻和角分辨光電子能譜學(xué)等領(lǐng)域。”該論文一經(jīng)刊發(fā)，立即引起國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。

圖1. SSMB原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)示意圖（圖片來(lái)源：《自然》）

圖2. SSMB原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖片來(lái)源：《自然》）

實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)利用波長(zhǎng)1064納米的激光操控位于柏林的儲(chǔ)存環(huán)MLS內(nèi)的電子束，使電子束繞環(huán)一整圈（周長(zhǎng)48米）后形成精細(xì)的微結(jié)構(gòu)，也即微聚束。微聚束會(huì)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，實(shí)驗(yàn)通過(guò)探測(cè)該輻射驗(yàn)證微聚束的形成。微聚束的形成，證明了電子的光學(xué)相位能以短于激光波長(zhǎng)的精度逐圈關(guān)聯(lián)起來(lái)，使得電子可被穩(wěn)態(tài)地束縛在激光形成的光學(xué)勢(shì)井中，驗(yàn)證了SSMB的工作機(jī)理。實(shí)驗(yàn)示意如圖1所示，部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

SSMB概念由斯坦福大學(xué)教授、清華大學(xué)杰出訪問(wèn)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(guó)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(cè)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。

有望為EUV光刻光源提供新技術(shù)路線 引發(fā)國(guó)際社會(huì)重點(diǎn)關(guān)注

“SSMB光源的潛在應(yīng)用之一是作為未來(lái)EUV光刻機(jī)的光源，這是國(guó)際社會(huì)高度關(guān)注清華大學(xué)SSMB研究的重要原因。”唐傳祥告訴記者。

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(zhǎng)直接相關(guān)，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，光刻機(jī)光源的波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)只有頭發(fā)直徑一萬(wàn)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(guò)1億美元。

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(zhǎng)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(jiǎn)而言之，光刻機(jī)需要的EUV光，要求是波長(zhǎng)短，功率大。”唐傳祥說(shuō)。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。唐傳祥說(shuō)：“基于SSMB的EUV光源有望實(shí)現(xiàn)大的平均功率，并具備向更短波長(zhǎng)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。”

EUV光刻機(jī)的自主研發(fā)還有很長(zhǎng)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。

攻關(guān)正當(dāng)其時(shí) 彰顯國(guó)際合作格局

清華SSMB團(tuán)隊(duì)從2017年4月開始SSMB原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的理論分析和數(shù)值模擬。當(dāng)年7月21日，唐傳祥與趙午在清華組織召開首屆SSMB合作會(huì)議，牽頭成立了國(guó)際SSMB研究組，聯(lián)合中、德、美等國(guó)家的科研人員，開始推動(dòng)包括SSMB原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的各項(xiàng)研究。經(jīng)過(guò)四年攻關(guān)，SSMB研究組取得了多項(xiàng)重要進(jìn)展，成果領(lǐng)先世界。

“SSMB采用激光來(lái)對(duì)電子進(jìn)行聚束，相比同步輻射光源常用的微波，聚束系統(tǒng)的波長(zhǎng)縮短了5到6個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，要驗(yàn)證SSMB的原理，需要加速器對(duì)電子縱向位置（相位）逐圈變化有非常高的控制精度，而德國(guó)PTB的MLS儲(chǔ)存環(huán)在這一方面最接近SSMB的實(shí)驗(yàn)需求。經(jīng)過(guò)老師們的前期聯(lián)系與溝通，德國(guó)的HZB及PTB兩家機(jī)構(gòu)積極加入研究團(tuán)隊(duì)，與我們開展合作研究。”全程參與赴德實(shí)驗(yàn)的清華大學(xué)工物系2015級(jí)博士生鄧秀杰介紹說(shuō)。

從2017年始，清華團(tuán)隊(duì)成員先后8次前往柏林，參與從實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備到操作的各個(gè)環(huán)節(jié)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的努力，實(shí)驗(yàn)于2019年8月31日取得成功。鄧秀杰說(shuō)：“SSMB涉及的物理效應(yīng)多，實(shí)驗(yàn)難度大，團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了多次失敗的嘗試，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不斷加深對(duì)物理問(wèn)題和實(shí)際加速器運(yùn)行的認(rèn)識(shí)，直到最后將問(wèn)題一一解決。無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，我們也沒(méi)有停止工作，會(huì)就之前采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析，定期召開工作會(huì)議，以及進(jìn)行郵件或在線討論等。”“此外，SSMB實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)是一個(gè)國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)，從開始的磨合到逐漸熟悉理解再到漸入佳境，整個(gè)團(tuán)隊(duì)一致認(rèn)為我們真正實(shí)現(xiàn)了‘1+1>>2’，大家對(duì)未來(lái)進(jìn)一步的合作都充滿了信心。”鄧秀杰補(bǔ)充道。

破解“卡脖子”難題 清華勇?lián)負(fù)?dān)

清華大學(xué)傳承弘揚(yáng)“頂天、立地、樹人”的清華科研傳統(tǒng)，增強(qiáng)服務(wù)國(guó)家科技自立自強(qiáng)的責(zé)任感、使命感和緊迫感。深化科研體制機(jī)制改革，創(chuàng)新科研組織模式。加強(qiáng)“從0到1”的基礎(chǔ)研究，加快關(guān)鍵核心技術(shù)特別是“卡脖子”問(wèn)題攻關(guān)。

瞄準(zhǔn)世界科技前沿，對(duì)癥下藥。此次清華大學(xué)工程物理系唐傳祥研究組與國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)在“穩(wěn)態(tài)微聚束”（SSMB）這樣一個(gè)有望解決關(guān)鍵領(lǐng)域、需要破解“卡脖子”課題的地方下大力氣，在前瞻性、戰(zhàn)略性領(lǐng)域持續(xù)加大關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)創(chuàng)新力度，著力增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，服務(wù)國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略。

目前，清華大學(xué)正積極支持和推動(dòng)SSMB EUV光源在國(guó)家層面的立項(xiàng)工作。清華SSMB研究組已向國(guó)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(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。

清華大學(xué)工物系唐傳祥教授和HZB的Jörg Feikes博士為本文通訊作者，清華大學(xué)工物系2015級(jí)博士生鄧秀杰為第一作者。該研究得到了清華大學(xué)自主科研專項(xiàng)的支持。

封面圖片來(lái)源：攝圖網(wǎng)