三年前，美國開始對中國高端芯片產(chan) 業(ye) 進行絞殺的時候，半導體(ti) 行業(ye) 最樂(le) 觀的人，都覺得國產(chan) 光刻機的誕生起碼需要10年時間。

華為(wei) 發布mate 60 pro後不久，ASML CEO溫寧克接受媒體(ti) 采訪時坦言，中國有14億(yi) 人，而且聰明人很多。他們(men) 能想到我們(men) 未想到的解決(jue) 方案，出口管製隻會(hui) 迫使他們(men) 提升創新能力。他們(men) 做事更努力、更專(zhuan) 注、更快，我們(men) 太自以為(wei) 是了。作為(wei) 這個(ge) 星球上唯一的EUV光刻機廠家，ASML已經聽到了中國EUV光刻機不斷逼近的震撼腳步聲。

眾(zhong) 所周知，EUV光刻技術是一個(ge) 極其龐大、卻又無比精妙的係統工程。EUV光刻機共有三大核心技術，分別為(wei) EUV光源係統，高精度弧形反射鏡係統、超高精度真空雙工件台。其中EUV光源又是核心中的核心。

光刻機光源每一代進步都是個(ge) 難題，最早是汞燈產(chan) 生的UV 436 g-line和365nm i-line，接著是DUV 248nm KrF和193nm ArF準分子激光光源。

雖然早在1960年美國科學家梅曼就發明了第一台激光器，不到一年中國首台激光器在中科院長春光機所由王之江等人研製成功，但是激光由於(yu) 受到放大介質的限製，很難向短波長的紫外和X射線的波段推進。

不過，科學家從(cong) 理論上預測了紫外波段激光的可能性，激光發明的那一年，德國物理學家豪特曼就提出了準分子束縛－自由電子躍遷產(chan) 生增益的理論，即以準分子為(wei) 激活介質實現激光振蕩。

10年後的1970年，第一束準分子激光如約而至，蘇聯諾貝爾物理學獎獲得者尼古拉·巴索夫在莫斯科物理研究所，使用電子束激發氙氣二聚體(ti) ，產(chan) 生的準分子激光波長為(wei) 172nm。

DUV光刻機的193 nm ArF準分子激光單光子能量為(wei) 6.4eV, 能夠誘導化學反應，有效打斷材料組織中的化學鍵，從(cong) 而對材料實現光解切割，避免了紅外波段激光加工中的熱效應，具有“冷加工”的優(you) 良特點。

美國人率先把準分子激光工程實用化。三名“不務正業(ye) ”的IBM的科學家嚐試在火雞骨頭、頭發上刻蝕圖案後，IBM於(yu) 1982年成功將準分子激光技術應用在半導體(ti) 光刻工藝中。浸沒式光刻之父，台積電研發六騎士之一的光學博士林本堅，正是在IBM參與(yu) DUV準分子激光光刻技術的研發，並獲得10屆IBM傑出發明獎，1個(ge) 傑出貢獻獎。

而兩(liang) 名畢業(ye) 於(yu) 美國加州大學聖地亞(ya) 哥分校的激光光學博士卻碰到了準分子激光研究的陷阱。阿金斯和桑德斯特羅姆，正在HLX國防科技公司研究把準分子激光用於(yu) 令人興(xing) 奮的潛艇與(yu) 衛星的通信，6年研究僅(jin) 證明準分子激光無法穿透大氣層來承載通信。他們(men) 隻好把注意力轉向了IBM開創的準分子激光芯片製造領域。1986年，他們(men) 倆(lia) 創業(ye) 成立了Cymer公司。

業(ye) 內(nei) 很看好DUV準分子激光，但是對EUV則充滿了懷疑，即便是美國最頂級的勞倫(lun) 斯利弗莫爾國家實驗室都沒有底氣麵對質疑。IBM等公司直接跳過EUV波段，從(cong) 1981年就開始著手更超前的1-10nm波段軟x光射線的研究。事實上IBM認為(wei) 軟X射線比DUV準分子激光更有前景，配備的資源也更多。當時全世界最頂尖的科學家耗時11年搭建了十幾道係統,耗費了大量的科研經費,最終的結論是軟x光射線無法應用於(yu) 下一代的光刻技術,根本的原因還是軟x光射線的成像係統的像場和波前誤差不如預期。而關(guan) 於(yu) 這點，林本堅似乎有先見之明。某天IBM在軟X射線研究取了重大進展，負責人給每人一件T恤，寫(xie) 著X ray works，即X光有用以資慶賀，林本堅竟在下麵加了幾個(ge) 字，成了‘X ray works - for the dentists’，即X光可用，是在牙醫診所，還用磁鐵掛在他辦公桌後麵的檔案櫃上，昭告所有路過的同事。

業(ye) 界隻好放棄軟X光射線，退而求其次回到EUV波段。因為(wei) 有了軟X光射線失敗的經驗，1993年到1996年僅(jin) 花了3年就初步論證了13.5nm EUV應用於(yu) 下一代光刻機的可行性。因為(wei) 幾乎所有材料對波長短於(yu) 100 nm的光都有強烈的吸收，故EUV光刻機不能采用透射式光學係統，隻能采用反射式光學係統。又因為(wei) EUV波長與(yu) 晶格參數接近，很容易發生衍射，反射率也很低，最終的反射方案是采用多層鍍膜的Mo-Si布拉格反射器，研究表明其對13.5nm波長的反射率最高，達到了70%，因此下一代光刻機最終采用波長13.5nn附近0.27nn帶寬的EUV光源。

選擇13.5nm這個(ge) 數字，從(cong) 1981年到1996年花費了整整15年之久。

很快整個(ge) 行業(ye) 就圍繞EUV運轉起來，1997年英特爾和美國政府牽頭成立EUV LLC聯盟，該聯盟匯聚了美國頂尖的研究資源和芯片巨頭，包括勞倫(lun) 斯利弗莫爾實驗室、勞倫(lun) 斯伯克利實驗室、桑迪亞(ya) 國家實驗室三大國家實驗室，聯合IBM、AMD、摩托羅拉等科技巨頭，集中數百位頂尖科學家，共同研究EUV光刻技術，共享研究成果。美國政府擔心尖端技術落入外國公司，並且有意打擊日本半導體(ti) 產(chan) 業(ye) ，所以反對日本光刻巨頭尼康的加入，規模尚小的ASML做出在美國建立工廠和研發基地等多項讓步後才成功加入EUV聯盟，而台積電當時還是不起眼的小代工廠，也沒有被接納加入。不過考慮到ASML和台積電本來就有間接持股關(guan) 係，未來的台積電在EUV領域舉(ju) 足輕重也不為(wei) 怪。

在完成了EUV光源的可行性論證後,從(cong) 1996年到2011年,又一個(ge) 15年,業(ye) 界才完成13.5nm EUV光源的實用工程化。

EUV實用化工程化的苗頭初現，並依托商業(ye) 上已經成功的DUV光刻機，ASML就啟動了極具進攻性的商業(ye) 競爭(zheng) 策略。2012年ASML主動提出了客戶聯合投資計劃，拿出23%的股份籌集了53億(yi) 歐元的投資，英特爾認購了15%、台積電認購5%，三星認購了3%。拿到錢後，當年ASML立即斥資 26億(yi) 美金收購了完整經曆過DUV和EUV光源變遷的Cymer，另外入股或者綁定德國蔡司，通快等EUV光源核心技術公司的獨家供貨權。日本的佳能和尼康光刻機最終和EUV絕緣，Cymer也成為(wei) 目前世界上唯一的商業(ye) 化EUV光源提供商。

由於(yu) 13.5nm的EUV易被吸收，損耗極高，而且EUV沒有DUV那種低成本的浸沒式精度提升方案，光學係統的孔徑也做不大，所以別看193nm和13.5nm這兩(liang) 個(ge) 光源波長相差了15倍，EUV光刻僅(jin) 提升了3倍不到的精度，而且伴隨精度的提升，是對EUV光源功率的極為(wei) 苛刻的要求。為(wei) 了在 60% 的典型掃描儀(yi) 占空比下實現每小時100 片晶圓的吞吐量，晶圓上的功率應大於(yu) 約 550 mW，這意味著 EUV 源功率在IF中間焦點處功率大於(yu) 200W。相比之下，DUV 193nm光源的功率為(wei) 90 W。看起來兩(liang) 者似乎差別沒有那麽(me) 大，但為(wei) 了產(chan) 生200W的EUV，卻需要功率相當於(yu) 戰術激光武器的40KW脈衝(chong) 激光來激發。

那麽(me) 如何產(chan) 生高功率密度的13.5nm的光源呢？

產(chan) 生13.5 nm EUV的首選方法是高電荷離子的等離子體(ti) 發射。三種最有希望的候選元素是 鋰、錫和氙，它們(men) 都具有在所需帶寬內(nei) 具有強共振躍遷的離子。由於(yu) 多種原因，鋰基和氙基等離子體(ti) 源獲得的轉換效率遠遠落後於(yu) 錫基等離子體(ti) 。在確定了錫作為(wei) 電離材料後，實現電離的方法也出現了2個(ge) 主要分支，即LPP激光等離子體(ti) 和DPP放電等離子體(ti) 。

DPP方案是把錫塗覆在電極兩(liang) 端，加高壓，這樣兩(liang) 極之間會(hui) 產(chan) 生等離子體(ti) ，並且會(hui) 發生箍縮效應，產(chan) 生自發輻射，從(cong) 而發出極紫外光。DPP方案將電能直接轉化為(wei) 等離子體(ti) 能，光源結構簡單，又由於(yu) 容易建造大功率電源係統，最終EUV輸出功率理論上是容易提升。但仍有許多關(guan) 鍵問題需要解決(jue) ，比如錫碎屑與(yu) 光學係統的隔離、重頻放電條件下光源穩定性、增大光源輸出角等。

LPP方案的基本原理是用強激光脈衝(chong) 轟擊錫液滴，金屬錫中的自由電子吸收脈衝(chong) 能量並轉移給晶格振動，從(cong) 而破壞金屬鍵使得金屬錫被打成等離子體(ti) ，其中含有大量高度電離的、溫度達十萬(wan) 攝氏度的錫離子，根據玻爾茲(zi) 曼因子估算，足以使錫離子占據極紫外量級的高能激發態。

Cymer的LPP整體(ti) 方案顯得十分魔幻。首先選中了德國通快公司的極高功率CO2紅外激光，其波長是10.6um，最適合錫等離子體(ti) 通過逆韌致輻射吸收效應，吸收大量激光的能量，從(cong) 而有助於(yu) 升溫並電離。其次采用預脈衝(chong) 激光技術顯著提高EUV光源轉換效率。錫液滴的直徑為(wei) 20微米，而主脈衝(chong) 二氧化碳激光器光斑直徑至少為(wei) 幾百微米，為(wei) 了解決(jue) 液滴尺寸和激光光斑尺寸的不匹配問題，先用小功率預脈衝(chong) 激光照射錫液滴使其升溫膨脹，受光麵積變大。緊接著主脈衝(chong) 激光再次精確轟擊這個(ge) 餅狀的錫滴將其形成等離子體(ti) ，並產(chan) 生EUV輻射。為(wei) 了保證光源的連續性，1秒鍾需要精確“狙擊”5萬(wan) 個(ge) 20微米的錫液滴。這樣很容易將激發轉換效率從(cong) 1%提升到5%，也就是將EUV光源功率增加5倍。如果單純提升紅外激光器的功率，意味著要將40千瓦的紅外激光平均功率提升到200千瓦，那幾乎是不可能的任務。

Cymer自己並沒有高功率二氧化碳激光器，其合作夥(huo) 伴德國通快基於(yu) 其二氧化碳激光技術定製了一套獨一無二的激光放大器。其核心組件包括高功率種子模塊、高功率放大鏈路、光束傳(chuan) 輸係統、光學平台FFA等。在五個(ge) 放大階段中，該設備可提升一個(ge) 較弱的激光脈衝(chong) 超過10000次，輸出的激光脈衝(chong) 超過40千瓦的平均脈衝(chong) 功率，脈衝(chong) 峰值功率可以高達幾兆瓦。

雖然得到了極紫外線，但它是向四周散射的，還必須想辦法把它們(men) 收集匯聚到一起，才可以對晶圓進行光刻。要匯聚極紫外線，隻能借助於(yu) 分布式布拉格反射器。它的原理其實並不複雜，光線在經過特殊設計的反射介質時，如果其波長恰好為(wei) 1/4波長，那麽(me) 介質的兩(liang) 麵反射光恰好相差1/2波長，則發生相消幹涉，實際上增強了反射光。通過設計不同反射介質的組合，可以單獨加強針對某一波段的光線的反射率，起到光譜純化效果。

ASML光刻機中的布拉格反射器由蔡司研發，采用矽和鉬作為(wei) 主要原料，超過40層介質層，每層的厚度隻有不到4納米，而鍍膜的精度誤差不超過0.05納米，鍍膜技術由德國弗勞恩霍夫應用光學與(yu) 精密機械研究所提供。通過精確控製介質的厚度和組合，原本四散射出的極紫外線就可以集合起來，匯聚為(wei) 一束強的光線用於(yu) 生產(chan) 。

所以Cymer的EUV方案是整合了蔡司的無以倫(lun) 比的光學反射鏡、弗勞恩霍夫光機所的精確的鍍膜、通快的超高功率二氧化碳激光這三家德國公司的先進技術。2020年，這三家公司因為(wei) EUV光源技術獲得德國未來獎。

收集EUV還隻是開始，麻煩還在後頭。激光照射錫滴形成的碎屑如果沉積在鍍膜鏡麵上，將會(hui) 導致EUV收集鏡的反射率降低。即便是沉積的錫厚度隻有1 nm，即隻有幾個(ge) 原子層，收集鏡的反射率降低也將達到10%，而衰減10%就需要更換昂貴的收集鏡了。Cymer通過氫氣氣流來“燒掉”沉積的錫碎屑，錫通過與(yu) 氫氣反應生成氣體(ti) SnH4並被排出。然而這個(ge) 過程產(chan) 生的微量遊離氫離子會(hui) 逐漸滲透進入收集鏡的反射多層鍍膜，並在多層鍍膜內(nei) 部緩慢聚合成氫氣，將會(hui) 導致多層鍍膜內(nei) 產(chan) 生氣泡而被剝離，所以必須發明一種特殊的保護層覆蓋在多層鍍膜的頂部。

為(wei) 了安裝EUV光源這樣精密的設備，對空氣潔淨度的要求也是極高的。在美國航空航天署組裝詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的無塵房間，其清潔度達到了CleanRoom ISO 7，也就是每立方米的空氣中，大於(yu) 0.5微米的微粒數量不得超過35.2萬(wan) 個(ge) 。但是，ASML廠房的清潔度必須達到ISO 1，也就是說，每立方米空氣中，小於(yu) 0.1微米的微粒數量不得大於(yu) 10個(ge) ，大於(yu) 該尺寸的微粒不得存在。

在預脈衝(chong) 技術的推動下，ASML的EUV光源功率在過去十年保持了線性增長。第一代EUV驗證機型NXE3100光刻機曝光功率僅(jin) 有10W左右，其產(chan) 能僅(jin) 為(wei) 8-10片晶圓/小時。2018年Cymer將功率提升到250W，NXE3400B光刻機的產(chan) 能是155片/小時，而NXE3400C的產(chan) 能提高到170片/小時。通過采用新的1微米激光預脈衝(chong) ，ASML已經實現閉環600W，開環700W的創紀錄的EUV功率！LPP EUV光源在未來3-5年很可能突破千瓦級大關(guan) ，直指1nm芯片節點。

中國的EUV光源一方麵可以跳過沒有頭緒的漫長理論摸索，另一方麵可以基於(yu) 最新的技術進展來直接開展實用工程化研究，大幅度縮短了進程。

公開信息顯示，哈爾濱工業(ye) 大學負責的DPP-EUV光源已經達到實用化的120W的水平，這相當不容易。雖然DPP整體(ti) 方案看似比LPP簡單得多，但當年Cymer無法提升功率隻好放棄DPP轉向LPP。2023年4月13日下午，中國科學院院士、中國科學院前院長白春禮到長春光機所調研了EUV光源，相信這是結合哈工大DPP EUV光源和長春光機所的高精度弧形反射鏡係統的EUV光源工程樣機。DPP方案可以避開當前LLP-EUV的專(zhuan) 利壁壘，同時與(yu) 未來的加速器光源方案有一定的繼承性。

關(guan) 於(yu) EUV反射收集鏡，中國出乎意料的有技術底蘊。早在2015年，中國長春光機所就已經研發出了EUV高精度弧形反射鏡係統，多層鍍膜麵形誤差小於(yu) 0.1nm，隻是鍍膜設備采購自海外，被禁售製裁導致鍍膜裝置無法生產(chan) 。2021年7月，中科院旗下中科科美成功研發出鍍膜精度控製在0.1nm以內(nei) 的直線式勞埃透鏡鍍膜裝置及納米聚焦鏡鍍膜裝置，已經可以滿足了EUV反射收集鏡的要求，未來將鍍膜精度繼續提升到0.05納米也完全有可能。

中科院上海光機所則負責LPP方案的攻關(guan) ，據當前公開的研究進展情況，LPP EUV光源IF功率達到了188W，轉換效率為(wei) 3.7%，同樣也能夠進入實用化，而且專(zhuan) 門設置的磁鏡裝置可以產(chan) 生非均勻磁場對等離子體(ti) 進行約束，從(cong) 而抑製錫碎屑對光學元件造成的汙染。但LPP EUV所需的脈衝(chong) 大功率二氧化碳激光器，我國長期處於(yu) 落後局麵。20KW以上二氧化碳激光器隻有美國和日本的幾家企業(ye) 能夠生產(chan) ，且依據瓦森納協定對中國禁售。所以LPP方案雖然ASML已經充分驗證，看似路徑明確，但對中國來說待攻關(guan) 的技術點多，專(zhuan) 利壁壘深厚，挑戰反而更大。即使成功，也不過是亦步亦趨跟隨ASML，很難做到超越。

廣東(dong) 智能機器研究院與(yu) 華中科技大學，在嚐試采用分時高功率光纖激光器射擊液態錫靶，繞開超高功率、超高重頻二氧化碳激光器這個(ge) 路線，400路光纖激光器和分時束照射裝置理論上可以實現數倍於(yu) ASML LPP的光源轉換效率。

最後一個(ge) 方案則是路線最為(wei) 創新、最為(wei) 顛覆性的加速器光源SSMB-EUV，即穩態微聚束極紫外光源路線，由清華大學主導。

加速器光源主要包括基於(yu) 電子儲(chu) 存環的同步輻射SR和基於(yu) 電子直線加速器自由電子激光FEL兩(liang) 種。我們(men) 知道EUV光刻對光源的有4方麵要求：高平均功率，這樣曝光速度快，利於(yu) 提高生產(chan) 效率；高亮度，可以降低對光刻膠的敏感度要求；高純度，就是頻帶比較窄，有利於(yu) 提高分辨率；短波長，同樣有利於(yu) 提高分辨率。

SR光源的功率、亮度都很好，比LPP/DPP光源強得多，但它產(chan) 生的是一個(ge) 頻率範圍較大的連續光譜，需要配合濾光器得到合適的窄帶光源。問題是“寬帶”濾成“窄帶”必然損失大量的光能，部分抵消了功率高的優(you) 點。

而FEL亮度更高，可以比SR還高10個(ge) 量級，純度也非常高，還能做到波長連續可調。但麻煩的是脈衝(chong) 重複頻率比較低，這樣平均功率就降得很厲害。

SSMB光源把SR和FEL結合起來了，可以得到高功率、高亮度、高重頻、窄帶寬的光源，而且波長可調，別說EUV，就是下一代波長約6 nm的Blue-X光源都能達到，而且不需要SR的濾光器或LPP/DPP的多反射光譜純化裝置。顯然，就性能來講是非常適合進行EUV光刻的。

隻是加速器光源最大的弱點是非常昂貴，而SSMB貴上加貴，另外體(ti) 積也太大，適合建設為(wei) 國家級的EUV光源研究和生產(chan) 的基礎設施。

我國的加速器光源的基礎建設完全是國際水平。同步輻射上海光源於(yu) 2004年2月立項，於(yu) 2009年4月完成調試並向用戶開放。自由電子激光大連相幹光源於(yu) 2012年初正式啟動，2016年9月24日首次出光。而世界上亮度最高的第四代同步輻射光源，懷柔科學城的國家重大科技基礎設施，高能同步輻射光源HEPS於(yu) 2019年6月啟動建設，中科院高能所承擔，建設周期6.5年，與(yu) 我國現有的光源形成能區互補。由清華大學主導的SSMB，已經在雄安選址開工建設1千瓦級SSMB-EUV光源，投資在10億(yi) 量級。

當然，SSMB技術進展不可能趕上首台國產(chan) EUV光刻機，盡快達成實用工程化還得指望上海光機所的LPP-EUV或者哈工大的DPP-EUV。

顯然EUV光刻關(guan) 鍵技術備受社會(hui) 關(guan) 注，有聲音認為(wei) 隻要我們(men) 能夠自己製造出一台EUV光刻機，國內(nei) 半導體(ti) 產(chan) 業(ye) 發展問題就基本解決(jue) ，但事實並非如此。EUV光刻機隻不過是中國半導體(ti) 產(chan) 業(ye) 發展路上需要解決(jue) 的問題的一個(ge) 縮影，重要的，但絕非唯一的問題。作為(wei) 全新的芯片前沿工藝體(ti) 係，其研發是一個(ge) 龐大的原始創新工程，需要光學、數學、物理學、微電子學、材料學與(yu) 精密機械以及控製等多學科交叉的、大縱深的開創性研究；科學家必須在光源、結構、器件、工藝及檢測等領域解決(jue) 一係列核心科學問題，並闡釋許多新機製和新機理。以中國科學院為(wei) 代表的國家戰略科技力量，需要以雄厚的前沿科研積累、高水平的研發大平台和權責清晰的組織規則，形成強大的平台吸引力和合作凝聚力，激發產(chan) 業(ye) 合作夥(huo) 伴的創新熱情與(yu) 潛能。

還是那句話：尊重規律，保持敬畏，充滿信心，黎明一定會(hui) 到來。