国产光刻机工厂落地雄安？中国电子院澄清：这是北京高能同步辐射光源

国产光刻机工厂落地雄安？中国电子院澄清：这是北京高能同步辐射光源 近期，一则消息在各大视频平台广为传播，称清华大学EUV项目把ASML的光刻机巨大化，实现了光刻机国产化，并表示这个项目已经在雄安新区落地。对此，中国电子工程设计院有限公司发声，称该项目并非网传的国产 #光刻机 工厂，而是北京高能同步辐射光源项目（HEPS）

科学简单点：什么是 X 射线光源？

科学简单点：什么是 X 射线光源？ 在这段"科学 101：什么是 X 射线光"的视频中，科学家杰西卡-麦克切斯尼（Jessica McChesney）和吉尔伯托-法布里斯（Gilberto Fabbris）解释了什么是 X 射线光，以及他们如何在阿贡高级光子源（APS）使用 X 射线光。X 射线光是存在于电磁波谱中的高能量光。该光谱包括所有电磁波的范围，从能量最低的长波（调幅无线电波）到中间波（可见光），再到能量最高的短波（伽马射线）。阿贡的 APS 使用的是波长较短的 X 射线。较短的波长允许 X 射线穿过许多物质，这使得像杰西卡和吉尔伯托这样的科学家能够深入观察物体，发现有关材料结构和功能的新知识。APS 是世界上最强大的 X 射线光源之一，每年有来自世界各地的 5500 多名科学家利用这个巨大的研究设施测试新材料、制造更好的电池，并为人类面临的最大问题寻找解决方案。要做到所有这些，还需要一个强大的 X 射线光源。X 射线是一种光，但它并不是人们听到这个词时通常会想到的可见光。您可能对牙医用来拍摄牙齿内部照片的 X 光机并不陌生。先进光子源（APS）是美国能源部（DOE）科学办公室的用户设施，位于能源部阿贡国家实验室，它能产生类似的 X 射线光，但比 X 射线光亮十亿倍。这么亮的光能做什么？APS 的工作原理就像一台巨大的显微镜，但与可见光不同，X 射线具有穿透力，使科学家能够看到材料的深处。例如，X 射线束可以聚焦得很紧，科学家可以用它来"看"电池在使用过程中内部发生了什么，从而开发出更节能的电池。几十年来，APS 和世界各地的其他光源一直在改善我们的生活。为它们提供动力的技术粒子加速早在 20 世纪 20 年代就已出现。电磁波谱是各种电磁辐射的范围能量在传播过程中会扩散开来。太阳的温度比地球高得多，因此它发出的辐射能量较高，波长较短。资料来源：美国国家航空航天局APS 的核心是一个储藏环，周围约三分之二英里。它非常大，可以容纳一个棒球场。它的工作是以接近光速的速度，高精度地循环着被称为电子的粒子。电子每天在这个环上绕行数十亿次，在轨道的每一个弯曲处都会释放出耀眼的光芒。APS 将这些光发送到环周围的实验站，在那里进行不同类型的科学实验。APS 是一个国家用户设施，这意味着全世界的科学家都可以使用这一资源。科学家使用它不收取任何费用，但他们的数据必须公开发布。每年，来自世界各地的 5500 多名科学家利用 APS 研究各种各样的问题，从应对温室气体的新方法到加固道路和桥梁的新方法。自 20 世纪 90 年代建成以来，APS 一直是世界领先的 X 射线光源，而它的未来将变得更加光明。一次大规模的升级将取代目前的存储环，它所产生的 X 射线亮度将是现在的 500 倍，从而能够进行更多的实验和创新，改善我们的生活。与世界各地的其他光源一起，APS 将继续使科学家们能够让我们更健康、更安全，并增进我们对周围世界的了解。资料来源：阿贡国家实验室X 射线光源如何工作？先进光子源可以产生超亮的 X 射线束，为新发现照亮道路。先进光子源（APS）等强大的光源与牙医使用的 X 光机类似，只是它产生的光亮度要高出十亿倍。APS 的核心是一系列被称为加速器的机器，它们使用磁铁移动被称为电子的微小粒子。电子聚集在一起，沿着直线加速器直线运动。粒子积聚环可将成串的粒子更紧密地聚集在一起。助推器环在它们积累速度和能量的过程中使它们循环。然后，粒子被注入存储环。电子每天在这个环上绕行数十亿次。在轨道的每一个转弯处，它们都会释放出光子粒子形式的光。这些光子就是 X 射线光，它们被发送到环上的各个科研站。科学家们利用这种非常明亮的光线来观察材料的内部深处。相关文章:科学简单点：什么是超级计算？科学简单点：什么是人工智能？科学简单点：什么是量子力学？科学简单点：什么是水力发电？科学简单点：什么是核能？科学简单点：什么是气候复原力？科学简单点：什么是纳米科学？科学简单点：什么是暗物质和暗能量？ ... PC版： 手机版：

替代EUV光刻的新方案公布

替代EUV光刻的新方案公布 但一种非常规替代方案正在酝酿之中。日本筑波高能加速器研究组织（KEK）的一组研究人员认为，如果利用粒子加速器的能量，EUV 光刻技术可能会更便宜、更快速、更高效。甚至在晶圆厂安装首批 EUV 机器之前，研究人员就看到了使用粒子加速器产生的强大光源（ 自由电子激光 (FEL:free-electron laser)）进行 EUV 光刻的可能性。然而，KEK 的科学家表示，并不是任何粒子加速器都可以做到这一点。他们声称，EUV 光刻的最佳候选方案是采用粒子加速器版本的再生制动（原文：They claim the best candidate for EUV lithography incorporates the particle-accelerator version of regenerative braking）。它被称为能量回收线性加速器（energy recovery linear accelerator），可以使自由电子激光经济地产生数十千瓦的 EUV 功率。这足以同时驱动不止一台而是多台下一代光刻机，从而降低先进芯片制造的成本。KEK 先进光源研究员 Norio Nakamura在参观该设施时告诉我：“FEL 光束的极高功率、较窄的光谱宽度以及其他特性使其非常适合用于未来的光刻技术。”直线加速器与激光等离子体当今的 EUV 系统仅由一家制造商制造， 即总部位于荷兰费尔德霍芬的ASML。当 ASML 于 2016 年推出第一代这种价值 1 亿美元以上的精密机器时，业界对它们的需求非常迫切。芯片制造商一直在尝试各种变通方法，以应对当时最先进的系统，即使用 193 纳米光的光刻技术。转向更短的 13.5 纳米波长是一场革命，它将减少芯片制造所需的步骤数量，并使摩尔定律在下一个十年继续有效。持续延迟的主要原因 是光源太暗。最终能够提供足够明亮的 EUV 光源的技术称为激光等离子体 (EUV-LPP)。它使用二氧化碳激光器每秒数千次将熔融的锡滴喷射成等离子体。等离子体发射出光子能量光谱，然后专用光学器件从光谱中捕获必要的 13.5 纳米波长，并将其引导通过一系列镜子。随后，EUV 光从图案化掩模上反射，然后投射到硅晶片上。KEK 的实验性紧凑型能量回收直线加速器利用电子返回过程中的大部分能量来加速一组新电子所有这些加起来就是一个高度复杂的过程。尽管它从耗电量高达千瓦的激光器开始，但反射到晶圆上的 EUV 光量只有几瓦。光线越暗，在硅片上可靠地曝光图案所需的时间就越长。如果没有足够的光子携带图案，EUV 的速度会不经济。而过分追求速度可能会导致代价高昂的错误。在刚机器刚推出时，功率水平足以每小时处理约 100 片晶圆。从那时起，ASML 已成功将当前系列机器的产量稳步提高到每小时约 200 片晶圆。ASML 目前的光源额定功率为 500 瓦。但 Nakamura 表示，未来需要更精细的图案，可能需要 1 千瓦或更高功率。ASML 表示，它有开发 1,000 瓦光源的路线图。但这可能很难实现，Nakamura 表示，他曾领导 KEK 的光束动力学和磁铁小组，退休后重新开始从事 EUV 项目。很难，但并非不可能。印第安纳州普渡大学极端环境下材料研究中心主任艾哈迈德·哈萨尼恩 (Ahmed Hassanein)表示，将光源功率翻倍“非常具有挑战性” 。但他指出，ASML 过去曾通过改进和优化光源和其他组件的综合方法实现了类似的高难度目标，他不排除重复这一做法的可能性。在自由电子激光器中，加速电子受到交变磁场的影响，导致它们波动并发射电磁辐射。辐射将电子聚集在一起，导致它们仅放大特定波长，从而产生激光束。但亮度并不是 ASML 在激光等离子源方面面临的唯一问题。“升级到更高的 EUV 功率时，存在许多挑战性问题，”Hassanein 说。他列举了几个问题，包括“污染、波长纯度和镜面收集系统的性能。”另一个问题是高昂的运营成本。这些系统每分钟消耗约 600 升氢气，其中大部分用于防止锡和其他污染物进入光学元件和晶圆。（不过，回收可以降低这一数字。）但最终，运营成本还是取决于电力消耗。弗吉尼亚州托马斯·杰斐逊国家加速器设施最近退休的高级研究员斯蒂芬·本森(Stephen Benson) 估计，整个 EUV-LPP 系统的电光转换效率可能不到 0.1%。他说，像 KEK 正在开发的这种自由电子激光器，其效率可能是前者的 10 到 100 倍。能量回收直线加速器KEK 正在开发的系统通过将电子加速到相对论速度，然后以特定方式偏离其运动来产生光。中村解释说，这个过程始于电子枪将电子束注入一根数米长的低温冷却管。在这个管子里，超导体发出射频 (RF) 信号，驱动电子越来越快地移动。然后电子旋转 180 度，进入一个叫做波荡器的结构，这是一系列方向相反的磁铁。（KEK 系统目前有两个。）波荡器迫使高速电子沿正弦路径运动，这种运动导致电子发光。在线性加速器中，注入的电子从射频场获得能量。通常，电子随后会进入自由电子激光器，并立即被处理到束流收集器中。但在能量恢复线性加速器 (ERL) 中，电子会回到射频场，并将其能量借给新注入的电子，然后再进入束流收集器。（文后附详细说明）接下来发生的现象称为自放大自发辐射（SASE：self-amplified spontaneous emissions）。光与电子相互作用，减慢一些电子的速度，加快另一些电子的速度，因此它们聚集成“微束”（microbunches），即沿波荡器路径周期性出现的密度峰值。现在结构化的电子束只放大与这些微束周期同相的光，从而产生相干的激光束。正是在这一点上，KEK 的紧凑型能量回收直线加速器 (cERL：compact energy recovery linac) 与传统直线加速器驱动的激光器有所不同。通常，耗尽的电子束是通过将粒子转移到所谓的束流 收集器中来处理的。但在 cERL 中，电子首先循环回到 RF 加速器。这束电子现在与刚开始旅程的新注入电子处于相反的相位。结果是耗尽的电子将大部分能量转移到新束流中，从而增强其能量。一旦原始电子的部分能量以这种方式耗尽，它们就会被转移到束流收集器中。“直线加速器中的加速能量被回收，与普通直线加速器相比，被丢弃的光束功率大幅降低，”中村向我解释道，而另一间屋子的科学家正在操作激光器。他说，重复使用电子的能量意味着，在同样的电量下，系统可以通过加速器发送更多的电流，并且可以更频繁地发射激光器。其他专家也同意这一观点。能量回收直线加速器的效率提高可以降低成本，“这是使用 EUV 激光产生等离子体的主要考虑因素”，Hassanein 说道。EUV 能量回收直线加速器KEK 紧凑型能量回收直线加速器最初于 2011 年至 2013 年间建造，旨在向该机构物理和材料科学部门的研究人员展示其作为同步辐射源的潜力。但研究人员对计划中的系统并不满意，因为它的性能目标低于一些基于存储环的同步加速器（巨大的圆形加速器，可保持电子束以恒定的动能移动）所能达到的水平。因此，KEK 研究人员开始寻找更合适的应用。在与当时拥有闪存芯片部门的东芝等日本科技公司交谈后，研究人员进行了初步研究，证实使用紧凑型能量回收直线加速器可以实现千瓦级光源。因此，EUV 自由电子激光器项目诞生了。2019 年和 2020 年，研究人员修改了现有的实验加速器，开始了 EUV 光之旅。该系统被安置在一个全混凝土房间内，以保护研究人员免受运行时产生的强烈电磁辐射。房间长约 60 米，宽约 20 米，大部分空间被复杂的设备、管道和电缆所占据，这些设备、管道和电缆沿着房间两侧蜿蜒而行，形成一条细长的赛道。该加速器目前还无法产生 EUV 波长。借助 17 兆电子伏特的电子束能量，研究人员能够以 20 微米红外光爆发的形式产生 SASE 辐射。早期测试结果于 2023 年 4 月发表在《日本应用物理学杂志》上。下一步工作正在进... PC版： 手机版：

斯坦福仅半毫米长的微型加速器有望为医学和物理学突破带来巨大飞跃

斯坦福仅半毫米长的微型加速器有望为医学和物理学突破带来巨大飞跃 鞋盒大小的加速器示意图。电子源和分束器/注入器馈入亚相对论 DLA（本文中描述的设备），将电子加速到 1MeV 的能量。这些电子通过二氧化硅波导驱动的相对论DLA进一步加速，最后通过一个减压器产生相干自由电子辐射。资料来源：摩尔基金会/佩顿-布罗德斯研究人员已经证明，硅介质激光加速器（DLA）现在既能加速电子，又能约束电子，形成一束聚焦的高能电子束。佩顿-布罗德斯（Payton Broaddus）说："如果电子是微型汽车，这就好比我们第一次掌握了方向盘，并把脚放在油门上。"将加速器的能力从"英里"进化到"微米"加速器产生的高能粒子束可以让物理学家研究材料的性质，制造用于医疗应用的聚焦探针，以及识别构成宇宙中所有物质的基本构件。最早的高能粒子加速器开发于 20 世纪 30 年代，可以放在桌面上。但研究更先进的物理学需要更高的粒子能量，因此科学家们需要建造更大的系统。(位于斯坦福大学校园内的SLAC 国家加速器实验室最初的直线加速器隧道于 1966 年投入使用，全长近 2 英里）。这些系统使粒子物理学的众多发现成为可能，而布罗德斯的动力则是建造一种微型直线加速器，它的性能最终可以与体积是其一千倍以上的机器相媲美，而成本却只是后者的一小部分。这也将为医学领域带来新的应用，比如可以将这种设备安装在一个小型探针上，然后将电子束精确地射向肿瘤。"我们有能力用更便宜、更小巧的设备完全取代其他所有粒子加速器。"Edward L. Ginzton实验室主任、工程学院Robert L. and Audrey S. Hancock教授、该论文的资深作者Olav Solgaard说，得益于纳米级制造和激光技术的进步，这一愿景越来越有可能实现。传统的射频加速器由铜腔组成，铜腔中注入无线电波，为粒子提供能量。这些脉冲会加热金属，因此空腔需要以较低的能量和脉冲速率运行，以散热并避免熔化。但是，玻璃和硅结构可以承受激光器发出的更高能量脉冲而不会发热，因此它们的功率更大，体积也更小。大约 10 年前，斯坦福大学的研究人员开始试验用这些材料制成的纳米级结构。2013 年，论文合著者、小威廉-R-凯南名誉教授罗伯特-拜尔领导的研究小组证明，这种纳米结构的激光器可以在不加热的情况下产生更强的能量，同时体积也更小。凯南名誉教授罗伯特-拜尔（Robert Byer）领导的研究小组在 2013 年证明，一种带有脉冲红外光的微型玻璃加速器成功地加速了电子。这些成果促使该项目被戈登和贝蒂-摩尔基金会（Gordon and Betty Moore Foundation）在"芯片上的加速器"（ACHIP）国际合作项目中采纳，以制造鞋盒大小的兆电子伏加速器。但是，这种首个"芯片级加速器"仍有一些问题需要解决。正如布罗德斯所说，里面的电子就像行驶在没有方向盘的狭窄道路上的汽车。它们可以迅速加速，但也很容易撞墙。半毫米长的介质激光加速器的扫描电子显微照片，电子在其中穿行并加速。标为黑色的单元是纵向聚焦和横向散焦单元（LFTD），而白色的单元是纵向散焦和横向聚焦单元（LDTF），它们使电子保持在轨道上。(图片来源：Broaddus, P., Egenolf, T., Black, D. S., Murillo, M., Woodahl, C., Miao, Y., ... Solgaard, O. (2024).亚相对论交变相聚焦介质激光加速器。物理评论快报》，132，085001。doi:10.1103/PhysRevLett.132.085001)用激光引导电子现在，斯坦福大学的这组研究人员已经成功证明，他们也可以在纳米尺度上引导电子。为此，他们在真空系统中建立了一个带有亚微米通道的硅结构。他们将电子注入一端，并从两侧用定形激光脉冲照射该结构，该激光脉冲可提供踢动能。激光场周期性地在聚焦和散焦特性之间转换，从而将电子聚集在一起，防止它们偏离轨道。这一连串的加速、散焦和聚焦作用在电子上的距离几乎达到了1毫米。这听起来似乎不远，但这些带电粒子却获得了相当大的能量，获得了 23.7 千电子伏特的能量，比它们的起始能量高出约 25%。研究小组在其微型加速器原型中所能达到的加速度与传统的铜加速器不相上下，布罗德德斯补充说，更高的加速度是有可能实现的。虽然这是向前迈出的重要一步，但在将这些小型加速器用于工业、医学和研究领域之前，还有更多工作要做。迄今为止，研究小组引导电子的能力仅限于二维；要使加速器的长度足够长，以获得更大的能量增益，还需要三维电子约束。电子接力赛位于德国埃尔兰根的弗里德里希-亚历山大大学（Friedrich Alexander University，FAU）的一个姊妹研究小组最近展示了一个类似的装置，该装置使用单激光器，起始能量更低。布罗德斯说，它和斯坦福大学的设备最终将成为一种电子接力赛的一部分。这个未来的中继器将有三名队友：FAU 的设备将接收低能量电子，并对其进行初始加速，然后将其送入类似于布罗德斯正在开发的设备中。电子的最后一步将是一个由玻璃制成的加速器，就像拜尔开发的那样。与硅相比，玻璃能承受更大的激光冲击，从而使加速器能进一步激发电子并将其推向光速。索尔加德相信，这种微型加速器最终将在高能物理领域发挥作用，就像它的大型加速器一样，探索构成宇宙的基本物质。他说："我们还有很长很长的路要走。但他仍然很乐观，并补充说，"我们已经迈出了最初的几步"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：