如要要在電磁波譜上選出在當(dāng)下、在未來最亮眼的一抹顏色，那一定就是極紫外光(EUV)。在這種特別短波光譜范圍內(nèi)的 EUV 光的幫助下，有可能生產(chǎn)出比以往更小、更強(qiáng)大的芯片。但進(jìn)一步的研究面臨一個(gè)問題：使用類激光的 EUV 光的實(shí)驗(yàn)通常只能在昂貴的大型研究設(shè)施中進(jìn)行。

現(xiàn)在，弗里德里希席勒大學(xué)的科學(xué)家 Robert Klas 開發(fā)了一種緊湊型的極紫外激光模塊，有助于以更為經(jīng)濟(jì)的方式產(chǎn)生 EUV 光，這為半導(dǎo)體制造和顯微鏡方面的潛在應(yīng)用帶來了更多的可能。Klas 也因此榮獲了“雨果·蓋革獎(jiǎng)”。

Robert Klas 在他的博士論文中開發(fā)了一種用于產(chǎn)生類似激光的 EUV 光的緊湊型模塊。到目前為止，產(chǎn)生這樣的 EUV 光需要依靠同步輻射，而 Klas 現(xiàn)在提出了一種新的有效的方法，在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)大小的設(shè)施中產(chǎn)生類激光的 EUV 光。Klas 的博士論文基于耶拿弗里德里希席勒大學(xué)、耶拿亥姆霍茲研究所和弗勞恩霍夫應(yīng)用光學(xué)與精密工程研究所合作，提供了迄今為止實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上最強(qiáng)大的類激光的 EUV 源，平均功率為 10 毫瓦—這比他開始攻讀博士學(xué)位時(shí)最先進(jìn)的同類系統(tǒng)功率高出 100倍。

Robert Klas 獲“2023雨果·蓋革獎(jiǎng)”

在他的工作中，Klas 在解決激光光學(xué)中的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。一個(gè)重要的原理是，波長(zhǎng)越短，產(chǎn)生激光輻射就越困難。在他的研究波長(zhǎng)范圍是 10 到 50nm。1nm 相當(dāng)于 1mm 的百萬(wàn)分之一。簡(jiǎn)而言之，極紫外光極難像激光那樣直接產(chǎn)生。

為了解決這個(gè)問題，Klas 使用了高功率超短脈沖光纖激光器，通過高諧波產(chǎn)生將他們轉(zhuǎn)換成 EUV 光。為此，Klas 將高功率激光聚焦在惰性氣體中。在這個(gè)過程中，電子在幾百阿秒內(nèi)被加速。一個(gè)阿秒是一百萬(wàn)億分之一秒，Klas 用一個(gè)比較來說明這個(gè)數(shù)量級(jí)：“一阿秒之于一秒，就像一秒之于我們的世界年齡?！痹谶@個(gè)難以想象的短時(shí)間內(nèi)電子被加速，隨后與母離子重新結(jié)合而產(chǎn)生寶貴的 EUV 光。

主要的挑戰(zhàn)是如何相干地疊加釋放的輻射，也就是說，如何控制它，使其在 EUV 光譜中所謂的波峰疊加起來，最終可以被束成一束激光。通過正確選擇激光參數(shù)和氣體密度，Klas 成功地以高效的方式產(chǎn)生了具有類似激光參數(shù)的 EUV 輻射。與高功率激光器相結(jié)合，EUV 的性能顯著提高。

使用高功率超短脈沖激光器

由 Robert Klas 開發(fā)的實(shí)驗(yàn)室級(jí) EUV 光源

Klas 相信，他的工作將極大地促進(jìn) EUV 光的進(jìn)一步研究和應(yīng)用：“未來，我的博士論文成果有望推動(dòng)芯片的能量和存儲(chǔ)效率以及生物學(xué)和醫(yī)學(xué)許多關(guān)鍵領(lǐng)域的發(fā)展?！?/span>Klas 已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上測(cè)試了他的新型 EUV 源的第一個(gè)潛在應(yīng)用。他已經(jīng)將注意力轉(zhuǎn)向無透鏡顯微鏡，特別是在幾納米范圍內(nèi)的成像。

 “在曝光波長(zhǎng)為 13.5nm 的情況下，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 18nm 的分辨率，”相比之下，傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的分辨率僅略低于 500nm?！霸谝粋€(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè) 100 x 100mm 的視場(chǎng)。這意味著我們可以在一張圖片中覆蓋一個(gè)足球場(chǎng)的大小，并在其中找到一枚硬幣。

使用基于 EUV 的顯微鏡，可以生成正在研究的樣品的彩色圖像。通過這種方式，研究人員可以觀察細(xì)胞內(nèi)部，并區(qū)分不同元素或不同物質(zhì)的比例，如碳、脂質(zhì)等?！霸谌绱烁叩姆直媛氏?，這將是一件新鮮事，” Klas 強(qiáng)調(diào)，“利用我們的技術(shù)，我們可以用它來推進(jìn)未來的生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究，希望能研究不同類型的病毒。在某種程度上，我們還希望能夠使用這種方法對(duì)直徑約為 2nm 的 DNA 進(jìn)行成像。”