清华工物系在新型加速器光源“稳态微聚束”研究中取得重大进展

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。《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》相关评论文章写道:“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。”该论文一经刊发,立即引起国内外学术界及产业界的高度关注。

图 1. SSMB 原理验证实验示意图(图片来源:《自然》)

图 2. SSMB 原理验证实验结果(图片来源:《自然》)

实验中,研究团队利用波长 1064 纳米的激光操控位于柏林的储存环 MLS 内的电子束,使电子束绕环一整圈(周长 48 米)后形成精细的微结构,也即微聚束。微聚束会在激光波长及其高次谐波上辐射出高强度的窄带宽相干光,实验通过探测该辐射验证微聚束的形成。微聚束的形成,证明了电子的光学相位能以短于激光波长的精度逐圈关联起来,使得电子可被稳态地束缚在激光形成的光学势井中,验证了 SSMB 的工作机理。实验示意如图 1 所示,部分实验结果如图 2 所示。

SSMB 概念由斯坦福大学教授、清华大学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。

有望为 EUV 光刻光源提供新技术路线 引发国际社会重点关注

“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。”唐传祥告诉记者。

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。

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。唐传祥说:“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。”

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。

攻关正当其时,彰显国际合作格局

清华 SSMB 团队从 2017 年 4 月开始 SSMB 原理验证实验的理论分析和数值模拟。当年 7 月 21 日,唐传祥与赵午在清华组织召开首届 SSMB 合作会议,牵头成立了国际 SSMB 研究组,联合中、德、美等国家的科研人员,开始推动包括 SSMB 原理验证实验在内的各项研究。经过四年攻关,SSMB 研究组取得了多项重要进展,成果领先世界。

“SSMB 采用激光来对电子进行聚束,相比同步辐射光源常用的微波,聚束系统的波长缩短了 5 到 6 个数量级。因此,要验证 SSMB 的原理,需要加速器对电子纵向位置(相位)逐圈变化有非常高的控制精度,而德国 PTB 的 MLS 储存环在这一方面最接近 SSMB 的实验需求。经过老师们的前期联系与沟通,德国的 HZB 及 PTB 两家机构积极加入研究团队,与我们开展合作研究。”全程参与赴德实验的清华大学工物系 2015 级博士生邓秀杰介绍说。

从 2017 年始,清华团队成员先后 8 次前往柏林,参与从实验准备到操作的各个环节,经过长时间的努力,实验于 2019 年 8 月 31 日取得成功。邓秀杰说:“SSMB 涉及的物理效应多,实验难度大,团队经历了多次失败的尝试,在实验过程中不断加深对物理问题和实际加速器运行的认识,直到最后将问题一一解决。无法进行现场实验的时候,我们也没有停止工作,会就之前采集的实验数据进行理论分析,定期召开工作会议,以及进行邮件或在线讨论等。”“此外,SSMB 实验团队是一个国际合作团队,从开始的磨合到逐渐熟悉理解再到渐入佳境,整个团队一致认为我们真正实现了‘1+1>>2’,大家对未来进一步的合作都充满了信心。”邓秀杰补充道。

破解“卡脖子”难题,清华勇担重担

“我国高校要勇挑重担,释放高校基础研究、科技创新潜力”,2020 年 9 月 22 日,习近平总书记在教育文化卫生体育领域专家代表座谈会上,对高校加强创新、突破关键核心技术寄予厚望。

清华大学传承弘扬“顶天、立地、树人”的清华科研传统,增强服务国家科技自立自强的责任感、使命感和紧迫感。深化科研体制机制改革,创新科研组织模式。加强“从 0 到1”的基础研究,加快关键核心技术特别是“卡脖子”问题攻关。

瞄准世界科技前沿,对症下药。此次清华大学工程物理系唐传祥研究组与国际合作团队在“稳态微聚束”(SSMB)这样一个有望解决关键领域、需要破解“卡脖子”课题的地方下大力气,在前瞻性、战略性领域持续加大关键核心技术攻关创新力度,着力增强自主创新能力,服务国家创新驱动发展战略。

目前,清华大学正积极支持和推动 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。

清华大学工物系唐传祥教授和 HZB 的Jörg Feikes 博士为本文通讯作者,清华大学工物系 2015 级博士生邓秀杰为第一作者。该研究得到了清华大学自主科研专项的支持。

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41586-021-03203-0

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