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清華大學(xué)在新型加速器光源“穩(wěn)態(tài)微聚束”研究中取得重大進展 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遇�！蹲匀弧吩u閱人對該研究高度評價，認為“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)評論文章寫道：“該實驗展示了如何結(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�！痹撜撐囊唤�(jīng)刊發(fā)，立即引起國內(nèi)外學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。  圖1. SSMB原理驗證實驗示意圖（圖片來源：《自然》）  圖2. SSMB原理驗證實驗結(jié)果（圖片來源：《自然》） 實驗中，研究團隊利用波長1064納米的激光操控位于柏林的儲存環(huán)MLS內(nèi)的電子束，使電子束繞環(huán)一整圈（周長48米）后形成精細的微結(jié)構(gòu)，也即微聚束。微聚束會在激光波長及其高次諧波上輻射出高強度的窄帶寬相干光，實驗通過探測該輻射驗證微聚束的形成。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的精度逐圈關(guān)聯(lián)起來，使得電子可被穩(wěn)態(tài)地束縛在激光形成的光學(xué)勢井中，驗證了SSMB的工作機理。實驗示意如圖1所示，部分實驗結(jié)果如圖2所示。 SSMB概念由斯坦福大學(xué)教授、清華大學(xué)杰出訪問教授趙午與其博士生Daniel Ratner于2010年提出。趙午持續(xù)推動SSMB的研究與國際合作。2017年，唐傳祥與趙午發(fā)起該項實驗，唐傳祥研究組主導(dǎo)完成了實驗的理論分析和物理設(shè)計，并開發(fā)測試實驗的激光系統(tǒng)，與合作單位進行實驗，并完成了實驗數(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)國際社會重點關(guān)注 “SSMB光源的潛在應(yīng)用之一是作為未來EUV光刻機的光源，這是國際社會高度關(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。光刻機的曝光分辨率與波長直接相關(guān)，半個多世紀以來，光刻機光源的波長不斷縮小，芯片工業(yè)界公認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光刻機工作相當于用波長只有頭發(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晶體管，這種設(shè)備工藝展現(xiàn)了人類科技發(fā)展的頂級水平。荷蘭ASML公司是目前世界上唯一的EUV光刻機供應(yīng)商，每臺EUV光刻機售價超過1億美元。 大功率的EUV光源是EUV光刻機的核心基礎(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)點的不斷縮小，預(yù)計對EUV光源功率的要求將不斷提升，達到千瓦量級。 “簡而言之，光刻機需要的EUV光，要求是波長短，功率大。”唐傳祥說。大功率EUV光源的突破對于EUV光刻進一步的應(yīng)用和發(fā)展至關(guān)重要。唐傳祥說：“基于SSMB的EUV光源有望實現(xiàn)大的平均功率，并具備向更短波長擴展的潛力，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)正當其時 彰顯國際合作格局 清華SSMB團隊從2017年4月開始SSMB原理驗證實驗的理論分析和數(shù)值模擬。當年7月21日，唐傳祥與趙午在清華組織召開首屆SSMB合作會議，牽頭成立了國際SSMB研究組，聯(lián)合中、德、美等國家的科研人員，開始推動包括SSMB原理驗證實驗在內(nèi)的各項研究。經(jīng)過四年攻關(guān)，SSMB研究組取得了多項重要進展，成果領(lǐng)先世界。 “SSMB采用激光來對電子進行聚束，相比同步輻射光源常用的微波，聚束系統(tǒng)的波長縮短了5到6個數(shù)量級。因此，要驗證SSMB的原理，需要加速器對電子縱向位置（相位）逐圈變化有非常高的控制精度，而德國PTB的MLS儲存環(huán)在這一方面最接近SSMB的實驗需求。經(jīng)過老師們的前期聯(lián)系與溝通，德國的HZB及PTB兩家機構(gòu)積極加入研究團隊，與我們開展合作研究�！比虆⑴c赴德實驗的清華大學(xué)工物系2015級博士生鄧秀杰介紹說。 從2017年始，清華團隊成員先后8次前往柏林，參與從實驗準備到操作的各個環(huán)節(jié)，經(jīng)過長時間的努力，實驗于2019年8月31日取得成功。鄧秀杰說：“SSMB涉及的物理效應(yīng)多，實驗難度大，團隊經(jīng)歷了多次失敗的嘗試，在實驗過程中不斷加深對物理問題和實際加速器運行的認識，直到最后將問題一一解決。無法進行現(xiàn)場實驗的時候，我們也沒有停止工作，會就之前采集的實驗數(shù)據(jù)進行理論分析，定期召開工作會議，以及進行郵件或在線討論等�！薄按送�，SSMB實驗團隊是一個國際合作團隊，從開始的磨合到逐漸熟悉理解再到漸入佳境，整個團隊一致認為我們真正實現(xiàn)了‘1+1>>2’，大家對未來進一步的合作都充滿了信心�！编囆憬苎a充道。 破解“卡脖子”難題 清華勇?lián)負?/b> |
