-我們從哪里來？又到哪里去？

2003年長春光機所：金春水博士的EUV光源裝置

故事再次回到20年前：

彼時，后來的科技部副部長、02專項光刻機工程指揮部總指揮曹健林教授仍是長春光機所研究員、博士生導(dǎo)師。曹健林教授的一位博士生金春水，也就是后來02專項“極紫外光刻關(guān)鍵技術(shù)研究”項目的負責人，于2003年發(fā)表的博士學(xué)位論文《極紫外投影光刻中若干關(guān)鍵技術(shù)研究》。

我們上次已經(jīng)聊過，金春水博士的EUV演示系統(tǒng)。然而在金春水的博士論文里的8個章節(jié)里，我并沒有看到有EUV光源這個核心系統(tǒng)的研究（圖1）。

我在2002年金春水博士的一篇中文論文中，看到了部分其實驗裝置的EUV光源描述：激光等離子體光源由脈沖輸出能量為1J、重復(fù)頻率為10Hz、脈沖寬度為10ns的1.06 um YAG激光器及聚光鏡和旋轉(zhuǎn)的金屬銅靶組成。

閱讀我前幾篇解讀系列文章的朋友們，現(xiàn)在應(yīng)該很了解了，ASML的EUV光源采用的是二氧化碳MOPA系統(tǒng)激發(fā)射流Sn液滴產(chǎn)生的250W以上光源。

而金春水博士采用的YAG激光器激發(fā)金屬銅靶是三十年前最早的Schwarzschild系統(tǒng)研究采用的設(shè)備，距離最新的EUV光源概念還很遠。

2004年：射流LPP-EUV方案橫空出世，EUV的春天即將來臨了

就在金春水博士為中國第一套EUV演示系統(tǒng)奮戰(zhàn)的時候，國外已經(jīng)如火如荼地開展了大量的EUV光源研究。

2004年初，瑞典皇家理工學(xué)院創(chuàng)造性地發(fā)明了射流激光等離子體LPP-EUV發(fā)射裝置，成功地將EUV的轉(zhuǎn)換效率提升到2.5%。而此前采用固體Sn靶的最高記錄只有1.6%。

在初期的研究中，瑞典皇家理工學(xué)院采用的仍然較為傳統(tǒng)的1064nm 的Nd:YAG激光，所以效率提升并不明顯。但正是這個射流LPP技術(shù)打開了EUV功率提升的大門。8年之后，ASML正是通過收購Cymer的LPP EUV技術(shù)，一舉打入EUV光源的市場。

2004年：日本Gigaphoton如獲至寶

日本光刻機光源供應(yīng)商Gigaphoton自2002年開始一頭鉆進了LPP方案，一直苦于其LPP轉(zhuǎn)化率太低。當2004年看到這篇射流LPP文章后，立即在當年搭建了自己的射流LPP系統(tǒng)（圖6,7,8）。

Gigaphoton采用早期的YAG激光MOPA系統(tǒng)，一戰(zhàn)而成功。至2005年，通過升級二氧化碳激光器MOPA系統(tǒng)，成功將EUV光源轉(zhuǎn)換效率提升到4%（圖9）。

Gigaphoton不斷改進射流系統(tǒng)性能，至2014年實現(xiàn)了100kHz，20微米液滴的控制（圖10）。

2005年：哈爾濱工業(yè)大學(xué)

在2004年的射流LPP方案出來之后，至今有一百多次的引用。我們在引文資料里，看到了主要的研究單位，除了ASML，瑞典皇家理工以及七八家日本單位里，也看到了哈爾濱工業(yè)大學(xué)（圖11）。

哈工大的這8篇論文是（圖12，13）：

1，2005年：EUV光刻用氙氣放電等離子體輻射源

2，2008年：用于半導(dǎo)體制造的箍縮等離子體輻射的極端紫外源

3，2008年：Z箍縮放電等離子體中極端紫外輻射與氙氣流量的關(guān)系

4，2008年：錫靶高功率EUV光刻源

5，2008年：EUVL電源預(yù)/主脈沖電源的設(shè)計

6，2010年：以Xe為靶的毛細管放電極端紫外輻射的觀測與分析

7，2011年：以Xe為靶的毛細管放電對10~70 nm極端紫外輻射的觀測與分析

8，2013年：He/Ne/Ar對毛細管放電EUV發(fā)射和Xe等離子體的影響

然而，打開2005-2013年哈爾濱大學(xué)發(fā)表的8篇EUV光源相關(guān)的論文，我們可以驚奇地看到這8篇居然沒有一篇采用了射流LPP方案，而是全部聚焦于電驅(qū)動的DPP方案！

而看過我前面幾篇解讀文章的朋友，又可以驚奇地發(fā)現(xiàn)，這8年正是LPP光源實現(xiàn)了商業(yè)化節(jié)點的關(guān)鍵8年！Gigaphoton正是利用這一契機，一舉實現(xiàn)光源的突破，大步邁向了250W光源的目標而去（圖14）。

而這失去的EUV光源發(fā)展的黃金10年，中國產(chǎn)學(xué)研界到底發(fā)生了什么？我不得而知。

2011年：華中科學(xué)技術(shù)大學(xué)，LPP-EUV光源的蹣跚起步

與此同時，當長春光機所還苦于沒有光源，而哈爾濱工業(yè)大學(xué)正躊躇滿志地開發(fā)DPP光源之際，我們另一位主角登場了：華中科學(xué)技術(shù)大學(xué)。華中科技大學(xué)的目標所向，必是LPP光源。

我們在2012年的一篇論文中，可以看到華中科技大學(xué)的王新兵教授及學(xué)生吳濤發(fā)表了《基于脈沖CO2激光錫等離子體光刻光源的極紫外輻射光譜特性研究》（圖15）。

這篇論文中使用的是二氧化碳激光器激發(fā)固態(tài)Sn靶（圖16），是2004年射流方案發(fā)表之前，常用的一個EUV研發(fā)系統(tǒng)使用的方案，還未提及射流LPP的概念。

然而，在2011年的一篇碩士學(xué)位論文中，王新兵教授的碩士研究生王晶發(fā)表了其碩士學(xué)位論文：《激光等離子體極紫外光源液滴錫靶發(fā)生器的研究》（圖17）。

我們終于看到國產(chǎn)的射流發(fā)生器了。為了讓朋友們看得更清楚一點，我特地摘錄了所有重要的圖片（圖18-22）：包括圖21的液體Sn靶的容器和圖22的射流照片。文中提到，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作數(shù)小時。

工欲善其事，必先利其器，此后華中科技大學(xué)相繼于2013年發(fā)表了轉(zhuǎn)換效率最高達到1%的LPP數(shù)據(jù)，以及2014年發(fā)表了二氧化碳激光器和YAG激光器的激發(fā)射流Sn液滴的初步相關(guān)研究。但是我們也可以看到，此時完成的還僅僅是重現(xiàn)2004年瑞典皇家理工學(xué)院的部分工作（圖23,24），可能還沒有達到當時的指標。

值得一提的是，華中科技大學(xué)于2013年發(fā)表了《一種激光等離子體極紫外光源的液滴靶產(chǎn)生方法及其裝置》（圖25，專利號： ZL201310062528.7）。這可能是國內(nèi)比較早期的LPP-EUV光源的專利，我也會在我的解讀EUV光源專利系列里，再講一下這篇專利。

結(jié)語

如同前次一樣，閱讀轟轟烈烈的EUV技術(shù)資料歷史，我的內(nèi)心總是洶涌澎湃。這里談?wù)勎业母惺埽?/p>

1，瑞典皇家理工學(xué)院的射流LPP設(shè)計，看上去如此優(yōu)美、簡潔，卻蘊含著科技創(chuàng)新的智慧。（也許我只是因為知道了它帶來的技術(shù)變革，才會有這種想法吧）。

2，日本Gigaphoton極其敏銳地抓住了這一個瞬間，終有大成。

3，哈爾濱工業(yè)大學(xué)入場早，卻趕了晚集，的確令人唏噓。

4，華中科技大學(xué)的LPP研究為中國的EUV光源重新打開了一條路，雖然此時已經(jīng)過去了將近十年的EUV發(fā)展的黃金時間。

我們沒有理由去抱怨暫時的落后，也沒有理由去指責任何人。都是一樣的路，只是我們可能跑得慢了一點。下一個8年，又會發(fā)生什么激動人心的故事呢？哈爾濱工業(yè)大學(xué)和華中科技大學(xué)誰與爭鋒？又會有誰加入攻關(guān)隊伍？我們下次再聊！

參考1：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.1690874

參考2：https://www.gigaphoton.com/wp-content/uploads/pdf/EUVSourceSupplierupdateGigaphoton.pdf

參考3：https://www.gigaphoton.com/wp-content/uploads/2017/10/2017_Development-of-250W-EUV-light-source-for-HVM-lithography.pdf

參考4：https://www.doc88.com/p-9768750607764.html

參考5：https://www.doc88.com/p-9002053031144.html

參考6：http://tto.hust.edu.cn/info/1015/2358.htm

多人認為國產(chǎn)EUV光刻機鏡頭（下文統(tǒng)稱mirror）根本不是事兒，也有人說EVU光刻機的mirror不就是X射線反射鏡嗎？咱們國家同步輻射裝置早就有了！事實真相又如何呢？

我們還是同樣對德國蔡司、日本、及國內(nèi)的EUV光刻機反射式mirror進度做一下對比。在詳述mirror技術(shù)之前，我們先理清楚兩個基本概念：

1，28nm以上的DUV工藝與7nm以下的EUV工藝最大的區(qū)別就是光源波長：EUV的光源波長為13.5nm（接近X射線波段），DUV的光源波則是193nm。

2，DUV光源，采用的是透鏡；而EUV光源波長已經(jīng)接近X射線波段，采用的是反射鏡，與透鏡的結(jié)構(gòu)原理完全不一樣：通常是40層的Mo/Si多層膜結(jié)構(gòu)。

德國蔡司mirror

EUV反射鏡需要極高的表面平整度，在蔡司為ASML定制的EUV系統(tǒng)mirror表面粗糙度達到0.05nm。這是個什么概念呢？如果放大到類比于美國國土的面積，那么整個美國國土都是一個表面粗糙度小于0.4毫米的大平原（實際美國最高峰達到4421米）。

蔡司的反射鏡mirror工藝主要基于計算機控制修形方法 (computer controlled polishing,CCP)和離子束拋光(ion beam figuring, IBF)。在這一工藝路線中，離子束拋光的加工精度及加工分辨率最高，是該路線中至關(guān)重要的一環(huán)。離子束拋光是利用離子轟擊材料表面發(fā)生濺射實現(xiàn)原子級材料去除，是一種非接觸式的拋光方法，是當前各類高精度光學(xué)元件重要的終道修形手段。

在蔡司和ASML的資料中，我們可以看到蔡司的反射式Mirror在過去20年一直迭代優(yōu)化，其3400版本的精度可以達到將圖像從地球投影到月球上，誤差小于20厘米。而正是3400打開了ASML的7納米和5納米工藝的大門。而蔡司最新的5000鏡頭將為ASML打開2納米工藝的大門。

當然，粗糙度只是我們用來通俗的理解鏡面水平的最簡單的一個參數(shù)，實際上mirror還有非常多的參數(shù)，也就是說，工藝遠不止于調(diào)整粗糙度這么簡單，這個我們以后再詳細聊聊。

日本JECT公司的X射線mirror

JTEC公司提供最大長度為1米的X光反射鏡，其形狀誤差為±1nm，粗糙度可加工至優(yōu)于 0.1 nm。例如，如果在東京和大阪之間鋪設(shè)一條鐵路500公里，這相當于±0.5毫米的高度差。JTEC不僅可以提供平坦的形狀，而且可以提供自由曲面，如橢圓曲面、圓柱形曲面、環(huán)面曲面和橢球曲面。

JTEC公司的同步輻射光源X射線反射鏡被全球有40多個主流的同步輻射光源采用，主要分布在日本、美國和歐洲。中國的上海同步輻射光源、北京同步輻射光源、臺灣新竹同步輻射光源均采用的是JTEC反射鏡。

值得一提的是，JTEC的核心技術(shù)來自日本大阪大學(xué)的技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，而大阪大學(xué)在該X射線mirror領(lǐng)域有著50年的積累。JETC核心技術(shù)路線有別于德國蔡司，其核心是：等離子體化學(xué)氣相粗拋和彈性粒子發(fā)射精修。該工藝路線全程為非接觸式加工，化學(xué)作用為主，是日本針對 X 射線反射鏡所研制并獨有的，在全球光學(xué)元件制造中獨樹一幟。

粗拋光階段利用等離子體化學(xué)氣相拋光(plasma chemical vaporization machining，PVCM)，同時完成表面的拋亮以及對空間波長在 5 mm 以上的面形誤差的修整；在面形精修階段，采用彈性粒子發(fā)射拋光(EEM)，逐步提升加工分辨率和加工精度，實現(xiàn)超光滑表面的制備的同時，對 0.3 mm 以上的面形誤差進行原子級別的修整。

從技術(shù)水平和技術(shù)路線而言，日本的反射式mirror不在德國蔡司之下。

國內(nèi)反射式mirror研發(fā)進度

國內(nèi)的反射式mirror資料相對比較少，商業(yè)化的更難覓蹤跡。我注意到有兩條十年前的報道，分別來自上海光機所、長春光機所。早期國內(nèi)的研究是把13.5nm作為軟X射線波段來統(tǒng)一命名的，所以實際上這兩個工作都涉及的是EUV反射鏡。也就是說我們國內(nèi)早期是有這部分的非常基礎(chǔ)的研究工作。但是，這些研究都是非常基礎(chǔ)的試驗階段的測試，并沒有見到產(chǎn)業(yè)化的實例。

而最新能查到的資料中，是2020年中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所(簡稱光電所)報道采用圍繞離子束展開的平滑、超光滑和面形精修的工藝流程，平面異形壓彎鏡可加工口徑達到 1.26 m，為國內(nèi)目前最長的同步輻射反射鏡，并在與中國科學(xué)院高能物理研究所合作中，實現(xiàn) 200 mm 口徑內(nèi)平面鏡加工粗糙度優(yōu)于 0.3 nm。從資料來看，光電所在大口徑光學(xué)鏡頭上積累了很多年的經(jīng)驗，但是在反射式mirror研究上也是比較基礎(chǔ)的，可能不超過蔡司20年前的水平。

在調(diào)研中，很遺憾沒有能查到國內(nèi)在軟X射線/EUV反射式mirror的實質(zhì)性的商業(yè)化案例，一些國內(nèi)的EUV發(fā)射鏡經(jīng)銷商基本上代理的是國外品牌。

綜上所述，EUV反射式mirror是一個龐大的系統(tǒng)性工程，從德國蔡司和日本JTEC的成功來看，有兩個要素值得我們關(guān)注：

1，長達幾十年的技術(shù)積累；

2，密切結(jié)合商業(yè)化場景，無論是發(fā)展了同步輻射光源mirror，還是高精度光刻系統(tǒng)mirror，都是長達20年以上的與工業(yè)界完美結(jié)合、同步發(fā)展起來的，而不是在研究所里閉門造車而成。

回到文章開頭提到的兩個問題，我的意見是：

1，我們國家在EUV反射式mirror上幾乎還是需要從起步開始，路漫漫其修遠，是個大事兒。

2，我們國家同步輻射光源盡管已經(jīng)發(fā)展了30多年，但同步輻射反射式mirror仍需進口，也是個大事兒。

注：本文在資料調(diào)查過程有可能存在遺漏或解讀錯誤之處，敬請指正。

參考1：https://www.euvlitho.com/2018/P22.pdf

參考2：https://www.j-tec.co.jp/english/optical/high-precision-x-ray-mirror/

參考3：http://2fm.opticsjournal.net/Articles/Abstract/gdgc/47/8/200205.cshtml

幾天，關(guān)于光刻的迷惑性傳言又來了。

事情圍繞 EUV而起，傳聞?wù)邔⑵浒b的“有鼻子有眼”，大概意思就是有總比沒有強。發(fā)酵愈深，傳聞愈懸。

這也引發(fā)EEworld壇友的激辯，這種方案就好比1000米精度的狙擊槍，我們做出999米的槍管子，并且一個光刻工廠什么長度的光都有。雖然想象力豐富，但仍然難辨真假。（如果有任何其它想法與工程師溝通，可移步EEWorld原貼進行討論：http://bbs.eeworld.com.cn/thread-1256513-1-1.html）

這種方案會是繞開ASML的關(guān)鍵嗎？

電子工程世界（ID:EEworldbbs）丨出品

EUV，在歷史中勝出

為什么EUV光刻這么被大家所關(guān)注？對一顆芯片來說，光刻是制造過程中最重要、最復(fù)雜也最昂貴的工藝步驟，其成本占總生產(chǎn)成本30%以上，占據(jù)將近50%的生產(chǎn)周期。

不止如此，卡中國脖子的設(shè)備有很多，但光刻機是國產(chǎn)化率一直成長最慢的一個。

對芯片來說，5nm以后就必須使用EUV光刻機。這是因為，當金屬間距縮小到30nm以下（對應(yīng)工藝節(jié)點超越5nm），光刻機的分辨率就不夠用了。

從公式“光刻機分辨率=k1*λ/NA”中，可以得知，NA越大，光刻機分辨率就越高，制程就越先進。但NA孔徑并沒有那樣容易提升，所以光刻機就選擇了改變光源，用13.5nm的EUV光源取代193nm的DUV光源，就能大幅提升光刻機分辨率。不止如此，EUV還能能夠減少工藝步驟，提升良率。

EUV難在哪里？根據(jù)ASML官方信息，一臺EUV光刻系統(tǒng)，包括激光器、物鏡、光路系統(tǒng)、測試臺、曝光臺以及測量設(shè)備、減震裝置等多個部件，每個部件要求都極高，十分精密，且需要完美地配合，制造難度極高：

• 包含100000個零件，重約180噸；
• 需要40個貨運集裝箱，通過20多輛卡車和3架貨機運輸；
• EUV系統(tǒng)中使用的反射鏡需要非常平整，如果被放大成德國那么大，最大的凸起不到1毫米高；
• 通過發(fā)射高能激光至熔融錫滴上產(chǎn)生EUV光——這個過程每秒達50000次；
• EUV系統(tǒng)可以精確地控制光束，以至于相當于從地球上照出手電筒并擊中放置在月球上的 50歐分硬幣；
• EUV系統(tǒng)包含一個重達7600公斤的大型真空室。

那么，不用EUV行嗎？

除了EUV，也不是沒有其它技術(shù)，全世界對光刻的研究一直都很積極，已經(jīng)足足有將近60年歷史，光刻技術(shù)也遠比想象中要多。

雖然EUV并非通向先進制程的唯一之路，但只是都沒那么好，或者太貴了，EUV仍然是現(xiàn)在最主要的方向。

對芯片行業(yè)來說，理想的光刻機技術(shù)應(yīng)該是成本較低、通量高、特征尺寸小、材料和基材獨立的。

而現(xiàn)在除了光學(xué)光刻，大部分光刻技術(shù)都不能滿足大規(guī)模生產(chǎn)需求，直寫光刻這種技術(shù)，一般又大多做掩模版或定制化芯片。

光學(xué)光刻等于是經(jīng)過歷史層層篩選，最終勝出的技術(shù)，并從紫外光刻技術(shù)（UV）、深紫外光刻技術(shù)（DUV）和極紫外光刻技術(shù)（EUV）不斷向前延伸，其波長也從436nm、365nm、248nm，不斷向193nm、13.5nm不斷延伸。

每個制程技術(shù)節(jié)點用什么光刻技術(shù)，IEEE一直都有所規(guī)劃，并且已經(jīng)持續(xù)數(shù)十年，它就是國際器件與系統(tǒng)路線圖（IRDS）。

根據(jù)路線圖規(guī)劃，極紫外光刻（EUV）、導(dǎo)向自組裝（DSA）和納米壓印光刻（NIL）是下一代納米制程節(jié)點的技術(shù)候選方案。不過，納米壓印光刻（NIL）目前還不能大規(guī)模生產(chǎn)，只是多用于一些小規(guī)模的芯片定制或是做掩模版。

成果轉(zhuǎn)化，沒那么簡單

那么， 我們該如何看待這件事呢？

首先，這項論文成果，一定是劃時代的，我們相信國產(chǎn)的力量正在變強。但相應(yīng)的，外界“添油加醋”的小道消息，并不可信，也可以說就是謠言。

這種方案并不是不可能，但又有一種破罐子破摔的感覺，正是這種模糊感，讓人感覺傳聞都是真的。

美國心理學(xué)家阿爾波特和波茲曼（Allport & Postman）曾在上個世紀40年代提出傳言傳播公式，即“傳言傳播機會=個人關(guān)注程度×事件證據(jù)模糊性“。也就是說，事件不確定性和滿足人們好奇心是關(guān)鍵，對于真相遠沒有對自我立場、觀點佐證的需求重要，因此人們只愿意相信自己想要相信的東西。

對于市場信息，我們需要理性看待：

一方面，要考慮到技術(shù)實用化的問題。世界上，有著許多新型路線寫在論文之中，就比如量子計算、類腦計算，這些技術(shù)很好，砸大錢也不是不能實現(xiàn)，但缺乏商業(yè)實用化，所以連英特爾都只是說我們在研究，但正式推出要等到有市場。投資機構(gòu)不會盲目投錢，不會毫無理由地盲目投大錢。一切總歸要講商業(yè)邏輯，路要一步一個腳印地走。

另一方面，要考慮到技術(shù)實現(xiàn)的問題。光刻機不僅是吞金獸，還是吞電獸、吞水獸，這么大的機器要用多少電、用多少水、廢水怎么處理都是要看考慮的問題；光有一個EUV光源還不代表技術(shù)突破，掩模版、光刻膠、光刻系統(tǒng)建設(shè)都是需要考慮的問題；百般周折，最終生產(chǎn)良率和生產(chǎn)效率如何，如果不及預(yù)期，冒著風險造出這樣的機器，實用嗎？

EEworld論壇上，工程師認為，感覺是一種方向，不過得考慮實用性，能做4nm但是產(chǎn)量慢，那沒啥意義呀，有工程師表示，俗話說，不看廣告，看療效。現(xiàn)在還說不好，只能等過段時間再說。

在自媒體，我們每天都在突破光刻技術(shù)，每天都讓世界為之顫抖。我們相信未來一定會更好，但也沒必要有了來之不易的論文成果，就大吹特吹，不考慮現(xiàn)實問題。時間從來不語，卻會給出你想要的答案。

參考文獻

[1] EEworld論壇：這兩天沸沸揚揚的“光刻廠”是不是真的啊？.http://bbs.eeworld.com.cn/thread-1256513-1-1.html

[2] IEEE：International Roadmap For Devices And Systems 2021

[3] Medium：https://medium.com/@ASMLcompany/a-backgrounder-on-extreme-ultraviolet-euv-lithography-a5fccb8e99f4;