【消费电子实验室-2021/2/26】2月25日，清华大学工程物理系唐传祥研究组与合作团队在《自然》上发表研究论文《稳态微聚束原理的实验演示》，报告了一种新型粒子加速器光源“稳态微聚束”的首个原理验证实验。基于该原理，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波段，有望为光子科学研究提供广阔的新机遇。与之相关的极紫外光源有望解决自主研发光刻机中最核心的“卡脖子”难题。

稳态微聚束，英文为Steady-state microbunching，可缩写为SSMB。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内的电子束，使电子束绕环一整圈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。

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于2010年提出。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。

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。

大功率的EUV光源是EUV光刻机的核心基础。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。”

SSMB原理验证实验结果（图片来源：清华大学SSMB团队）

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。

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。“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逐圈变化有非常高的控制精度，而德国联邦物理技术研究院的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。

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。”

《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”。

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。