SSMB现在火出了圈,说一下个人的看法。很多人都提到过同步辐射路线的光刻(包括各类自由电子激光)上世纪90年代开始就有研究。但最后美国、日本各自经评估后均放弃了这一路线。至于原因有很多,当时最主要的有两条,一是在特定波段无法达到足够的平均功率,而是光电转换效率太低。当然还有很多其他相对次要的问题。
在当时同步辐射装置大体分为三类,一是储存环光源,二是直线型自由电子激光(FEL),三是能量回收型(ERL)自由电子激光。首先pass掉的是储存环光源,因为这种光源从原理上就无法用于光刻,由于储存环产生的同步辐射都是连续谱辐射,无论是二级铁还是各种类型的插入磁铁元件,它们在全空间范围内都会产生巨量的类似白光的连续谱辐射,其中有效波段的能量微乎其微,因此根本无法用于光刻。
而自由电子激光通过对电子束团在运动方向上进行密度分布的调制,能够将辐射功率集中在某一特定波段,从而显著的提高了辐射产生的效率。但问题是这种直线型加速器驱动的光源,电子在产生完辐射后只能直接丢掉,而相对论速度的电子自身能量都在MeV两级以上,产生的辐射仅是自身能量的千分之1以下,这又造成了极大的效率损失,更严重的是由于直线加速器驱动的电子束流都是单次通过,受限于高频加速系统的能力,电子流强比储存环光源要低很多,一样无法达到光刻的要求。当然,直线型FEL在不断发展的过程中所诞生的一些新技术,特别是对于束流纵向分布进行人工调控的技术最后开花结果,在储存环光源上焕发了新生,这个后面再讲。
ERL的诞生就是为了解决直线型FEL电子能量损失的问题,它通过跑到型电子轨迹设计,使得电子可在装置中运行一周,并通过特殊的加速相位设计使得跑完一圈辐射过的电子在加速腔中减速并将能量传递给后一圈需要加速的电子,最后再丢掉。相比传统FEL,ERL+FEL极大的提高了能量利用效率又保持了FEL辐射效率高的特点。但它依然无法解决电子流强上不去的问题。对于光刻特别是EUV光刻所要求的250W平均辐射功率,实现起来非常困难。
前面提到了直线型FEL再后来依然在不断演化,早先的FEL完全依靠电子束流和自己产生的光在一个路线上跑,彼此互相影响最后实现电子束密度分布的自组织聚束。这样虽然运行稳定性好,但需要很长的直线段,机器都很大。后来人们想着能不能通过人为增加外部种子激光或设计一些特殊的外部磁场结构加快电子束的聚束,这样就诞生了一些诸如HHG、HGHG、EEHG、PEHG等等的磁结构单元,将电子束聚束的长度极大的缩短。直到有一天,人们突然发现,这么短的聚束结构似乎也能放到原先早已淡出视线的储存环上,而储存环在电子束能量利用与电子流强上天然就具有明显的优势,SSMB的概念就应运而生。从它的名字就能看出端倪steady state microbunching,稳态微聚束。就是要在储存环上实现稳定的超短长度电子束。现在看来这也确实是同步辐射装置距离EUV光刻最近的一个尝试。
然而原理可行并不等于容易实现,更不等于一定能做成。这里面依然存在非常多的问题。其中最重要的一个是储存环的运行模式与传统FEL之前存在着巨大的区别。无论是直线FEL还是ERL+FEL,电子束在装置中都是单次通过的,而在环中电子要反复不停的绕圈跑,这对于机器运行的稳定性是非常巨大的变化,相当于以前只考虑电子跑个几十米几百米范围稳定就行了,现在需要考虑的是电子在能够横穿半个太阳系的距离内运动都是稳定的。。以前的储存环光源通过周期性磁聚焦结构可以勉强做到这点,现在凭空加上这些完全没在环上用过的、破坏周期结构又完全改变电子纵向动力学特点的东西,这个环能跑成什么样,真的没人知道。要知道环上那一大堆共振、电子集体效应、不稳定性哪一个都是电子寿命的杀手,保不齐一个原本有几个小时的电子束流寿命直接掉到几秒,到时候你注入都注不过来,要知道光刻的供光稳定性要求那可是以年为单位的。
现在SSMB的研究只能说是刚刚摆脱纯模拟进入了实验阶段,目前为止也仅仅是证实了在储存环上,电子微聚束结构能够在一圈之后保持住。至于1000圈、10000圈乃至几秒的时间范围内能不能依然保持的住都还没有实验结果,后续实现连续束流运行并逐步提高流强更是极度艰巨复杂的任务,这里面的问题已经没法在科普范围内解释清楚了。总之这些实验无论单拎出来哪一个都是一场成败参半的冒险。可以说,这才是真正的科研,当然也意为着它离工业化应用的距离还很遥远,以至于距离都没法准确的估计。
最后说些题外话,中国现在其实已经走到了这样一个阶段,技术领域所面对的问题大部分已不再是过去那种追赶时代所面对的有现成试卷可抄的确定性问题。大部分问题不是对方把答案捂住了就是对方也不知道答案。那这个时候对于整个社会也要转变一种认知,就是我们不再仅仅是做工程,而是真真正正的做科研。科研规律与工程规律之间有着巨大的不同,干劲与金钱并不能显著推动进展,甚至有时会因忽视了科研规律而起到反效果,科研真正需要的是专注与耐心,需要细水长流的投入与稳定单纯的环境,更需要对探索试错的包容与坚持。