-我们从哪里来？又到哪里去？

2003年长春光机所：金春水博士的EUV光源装置

故事再次回到20年前：

彼时，后来的科技部副部长、02专项光刻机工程指挥部总指挥曹健林教授仍是长春光机所研究员、博士生导师。曹健林教授的一位博士生金春水，也就是后来02专项“极紫外光刻关键技术研究”项目的负责人，于2003年发表的博士学位论文《极紫外投影光刻中若干关键技术研究》。

我们上次已经聊过，金春水博士的EUV演示系统。然而在金春水的博士论文里的8个章节里，我并没有看到有EUV光源这个核心系统的研究（图1）。

我在2002年金春水博士的一篇中文论文中，看到了部分其实验装置的EUV光源描述：激光等离子体光源由脉冲输出能量为1J、重复频率为10Hz、脉冲宽度为10ns的1.06 um YAG激光器及聚光镜和旋转的金属铜靶组成。

阅读我前几篇解读系列文章的朋友们，现在应该很了解了，ASML的EUV光源采用的是二氧化碳MOPA系统激发射流Sn液滴产生的250W以上光源。

而金春水博士采用的YAG激光器激发金属铜靶是三十年前最早的Schwarzschild系统研究采用的设备，距离最新的EUV光源概念还很远。

2004年：射流LPP-EUV方案横空出世，EUV的春天即将来临了

就在金春水博士为中国第一套EUV演示系统奋战的时候，国外已经如火如荼地开展了大量的EUV光源研究。

2004年初，瑞典皇家理工学院创造性地发明了射流激光等离子体LPP-EUV发射装置，成功地将EUV的转换效率提升到2.5%。而此前采用固体Sn靶的最高记录只有1.6%。

在初期的研究中，瑞典皇家理工学院采用的仍然较为传统的1064nm 的Nd:YAG激光，所以效率提升并不明显。但正是这个射流LPP技术打开了EUV功率提升的大门。8年之后，ASML正是通过收购Cymer的LPP EUV技术，一举打入EUV光源的市场。

2004年：日本Gigaphoton如获至宝

日本光刻机光源供应商Gigaphoton自2002年开始一头钻进了LPP方案，一直苦于其LPP转化率太低。当2004年看到这篇射流LPP文章后，立即在当年搭建了自己的射流LPP系统（图6,7,8）。

Gigaphoton采用早期的YAG激光MOPA系统，一战而成功。至2005年，通过升级二氧化碳激光器MOPA系统，成功将EUV光源转换效率提升到4%（图9）。

Gigaphoton不断改进射流系统性能，至2014年实现了100kHz，20微米液滴的控制（图10）。

2005年：哈尔滨工业大学

在2004年的射流LPP方案出来之后，至今有一百多次的引用。我们在引文资料里，看到了主要的研究单位，除了ASML，瑞典皇家理工以及七八家日本单位里，也看到了哈尔滨工业大学（图11）。

哈工大的这8篇论文是（图12，13）：

1，2005年：EUV光刻用氙气放电等离子体辐射源

2，2008年：用于半导体制造的箍缩等离子体辐射的极端紫外源

3，2008年：Z箍缩放电等离子体中极端紫外辐射与氙气流量的关系

4，2008年：锡靶高功率EUV光刻源

5，2008年：EUVL电源预/主脉冲电源的设计

6，2010年：以Xe为靶的毛细管放电极端紫外辐射的观测与分析

7，2011年：以Xe为靶的毛细管放电对10~70 nm极端紫外辐射的观测与分析

8，2013年：He/Ne/Ar对毛细管放电EUV发射和Xe等离子体的影响

然而，打开2005-2013年哈尔滨大学发表的8篇EUV光源相关的论文，我们可以惊奇地看到这8篇居然没有一篇采用了射流LPP方案，而是全部聚焦于电驱动的DPP方案！

而看过我前面几篇解读文章的朋友，又可以惊奇地发现，这8年正是LPP光源实现了商业化节点的关键8年！Gigaphoton正是利用这一契机，一举实现光源的突破，大步迈向了250W光源的目标而去（图14）。

而这失去的EUV光源发展的黄金10年，中国产学研界到底发生了什么？我不得而知。

2011年：华中科学技术大学，LPP-EUV光源的蹒跚起步

与此同时，当长春光机所还苦于没有光源，而哈尔滨工业大学正踌躇满志地开发DPP光源之际，我们另一位主角登场了：华中科学技术大学。华中科技大学的目标所向，必是LPP光源。

我们在2012年的一篇论文中，可以看到华中科技大学的王新兵教授及学生吴涛发表了《基于脉冲CO2激光锡等离子体光刻光源的极紫外辐射光谱特性研究》（图15）。

这篇论文中使用的是二氧化碳激光器激发固态Sn靶（图16），是2004年射流方案发表之前，常用的一个EUV研发系统使用的方案，还未提及射流LPP的概念。

然而，在2011年的一篇硕士学位论文中，王新兵教授的硕士研究生王晶发表了其硕士学位论文：《激光等离子体极紫外光源液滴锡靶发生器的研究》（图17）。

我们终于看到国产的射流发生器了。为了让朋友们看得更清楚一点，我特地摘录了所有重要的图片（图18-22）：包括图21的液体Sn靶的容器和图22的射流照片。文中提到，该系统可以稳定工作数小时。

工欲善其事，必先利其器，此后华中科技大学相继于2013年发表了转换效率最高达到1%的LPP数据，以及2014年发表了二氧化碳激光器和YAG激光器的激发射流Sn液滴的初步相关研究。但是我们也可以看到，此时完成的还仅仅是重现2004年瑞典皇家理工学院的部分工作（图23,24），可能还没有达到当时的指标。

值得一提的是，华中科技大学于2013年发表了《一种激光等离子体极紫外光源的液滴靶产生方法及其装置》（图25，专利号： ZL201310062528.7）。这可能是国内比较早期的LPP-EUV光源的专利，我也会在我的解读EUV光源专利系列里，再讲一下这篇专利。

结语

如同前次一样，阅读轰轰烈烈的EUV技术资料历史，我的内心总是汹涌澎湃。这里谈谈我的感受：

1，瑞典皇家理工学院的射流LPP设计，看上去如此优美、简洁，却蕴含着科技创新的智慧。（也许我只是因为知道了它带来的技术变革，才会有这种想法吧）。

2，日本Gigaphoton极其敏锐地抓住了这一个瞬间，终有大成。

3，哈尔滨工业大学入场早，却赶了晚集，的确令人唏嘘。

4，华中科技大学的LPP研究为中国的EUV光源重新打开了一条路，虽然此时已经过去了将近十年的EUV发展的黄金时间。

我们没有理由去抱怨暂时的落后，也没有理由去指责任何人。都是一样的路，只是我们可能跑得慢了一点。下一个8年，又会发生什么激动人心的故事呢？哈尔滨工业大学和华中科技大学谁与争锋？又会有谁加入攻关队伍？我们下次再聊！

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

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

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

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

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

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

多人认为国产EUV光刻机镜头（下文统称mirror）根本不是事儿，也有人说EVU光刻机的mirror不就是X射线反射镜吗？咱们国家同步辐射装置早就有了！事实真相又如何呢？

我们还是同样对德国蔡司、日本、及国内的EUV光刻机反射式mirror进度做一下对比。在详述mirror技术之前，我们先理清楚两个基本概念：

1，28nm以上的DUV工艺与7nm以下的EUV工艺最大的区别就是光源波长：EUV的光源波长为13.5nm（接近X射线波段），DUV的光源波则是193nm。

2，DUV光源，采用的是透镜；而EUV光源波长已经接近X射线波段，采用的是反射镜，与透镜的结构原理完全不一样：通常是40层的Mo/Si多层膜结构。

德国蔡司mirror

EUV反射镜需要极高的表面平整度，在蔡司为ASML定制的EUV系统mirror表面粗糙度达到0.05nm。这是个什么概念呢？如果放大到类比于美国国土的面积，那么整个美国国土都是一个表面粗糙度小于0.4毫米的大平原（实际美国最高峰达到4421米）。

蔡司的反射镜mirror工艺主要基于计算机控制修形方法 (computer controlled polishing,CCP)和离子束抛光(ion beam figuring, IBF)。在这一工艺路线中，离子束抛光的加工精度及加工分辨率最高，是该路线中至关重要的一环。离子束抛光是利用离子轰击材料表面发生溅射实现原子级材料去除，是一种非接触式的抛光方法，是当前各类高精度光学元件重要的终道修形手段。

在蔡司和ASML的资料中，我们可以看到蔡司的反射式Mirror在过去20年一直迭代优化，其3400版本的精度可以达到将图像从地球投影到月球上，误差小于20厘米。而正是3400打开了ASML的7纳米和5纳米工艺的大门。而蔡司最新的5000镜头将为ASML打开2纳米工艺的大门。

当然，粗糙度只是我们用来通俗的理解镜面水平的最简单的一个参数，实际上mirror还有非常多的参数，也就是说，工艺远不止于调整粗糙度这么简单，这个我们以后再详细聊聊。

日本JECT公司的X射线mirror

JTEC公司提供最大长度为1米的X光反射镜，其形状误差为±1nm，粗糙度可加工至优于 0.1 nm。例如，如果在东京和大阪之间铺设一条铁路500公里，这相当于±0.5毫米的高度差。JTEC不仅可以提供平坦的形状，而且可以提供自由曲面，如椭圆曲面、圆柱形曲面、环面曲面和椭球曲面。

JTEC公司的同步辐射光源X射线反射镜被全球有40多个主流的同步辐射光源采用，主要分布在日本、美国和欧洲。中国的上海同步辐射光源、北京同步辐射光源、台湾新竹同步辐射光源均采用的是JTEC反射镜。

值得一提的是，JTEC的核心技术来自日本大阪大学的技术成果转化，而大阪大学在该X射线mirror领域有着50年的积累。JETC核心技术路线有别于德国蔡司，其核心是：等离子体化学气相粗抛和弹性粒子发射精修。该工艺路线全程为非接触式加工，化学作用为主，是日本针对 X 射线反射镜所研制并独有的，在全球光学元件制造中独树一帜。

粗抛光阶段利用等离子体化学气相抛光(plasma chemical vaporization machining，PVCM)，同时完成表面的抛亮以及对空间波长在 5 mm 以上的面形误差的修整；在面形精修阶段，采用弹性粒子发射抛光(EEM)，逐步提升加工分辨率和加工精度，实现超光滑表面的制备的同时，对 0.3 mm 以上的面形误差进行原子级别的修整。

从技术水平和技术路线而言，日本的反射式mirror不在德国蔡司之下。

国内反射式mirror研发进度

国内的反射式mirror资料相对比较少，商业化的更难觅踪迹。我注意到有两条十年前的报道，分别来自上海光机所、长春光机所。早期国内的研究是把13.5nm作为软X射线波段来统一命名的，所以实际上这两个工作都涉及的是EUV反射镜。也就是说我们国内早期是有这部分的非常基础的研究工作。但是，这些研究都是非常基础的试验阶段的测试，并没有见到产业化的实例。

而最新能查到的资料中，是2020年中国科学院光电技术研究所(简称光电所)报道采用围绕离子束展开的平滑、超光滑和面形精修的工艺流程，平面异形压弯镜可加工口径达到 1.26 m，为国内目前最长的同步辐射反射镜，并在与中国科学院高能物理研究所合作中，实现 200 mm 口径内平面镜加工粗糙度优于 0.3 nm。从资料来看，光电所在大口径光学镜头上积累了很多年的经验，但是在反射式mirror研究上也是比较基础的，可能不超过蔡司20年前的水平。

在调研中，很遗憾没有能查到国内在软X射线/EUV反射式mirror的实质性的商业化案例，一些国内的EUV发射镜经销商基本上代理的是国外品牌。

综上所述，EUV反射式mirror是一个庞大的系统性工程，从德国蔡司和日本JTEC的成功来看，有两个要素值得我们关注：

1，长达几十年的技术积累；

2，密切结合商业化场景，无论是发展了同步辐射光源mirror，还是高精度光刻系统mirror，都是长达20年以上的与工业界完美结合、同步发展起来的，而不是在研究所里闭门造车而成。

回到文章开头提到的两个问题，我的意见是：

1，我们国家在EUV反射式mirror上几乎还是需要从起步开始，路漫漫其修远，是个大事儿。

2，我们国家同步辐射光源尽管已经发展了30多年，但同步辐射反射式mirror仍需进口，也是个大事儿。

注：本文在资料调查过程有可能存在遗漏或解读错误之处，敬请指正。

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

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

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

几天，关于光刻的迷惑性传言又来了。

事情围绕 EUV而起，传闻者将其包装的“有鼻子有眼”，大概意思就是有总比没有强。发酵愈深，传闻愈悬。

这也引发EEworld坛友的激辩，这种方案就好比1000米精度的狙击枪，我们做出999米的枪管子，并且一个光刻工厂什么长度的光都有。虽然想象力丰富，但仍然难辨真假。（如果有任何其它想法与工程师沟通，可移步EEWorld原贴进行讨论：http://bbs.eeworld.com.cn/thread-1256513-1-1.html）

这种方案会是绕开ASML的关键吗？

电子工程世界（ID:EEworldbbs）丨出品

EUV，在历史中胜出

为什么EUV光刻这么被大家所关注？对一颗芯片来说，光刻是制造过程中最重要、最复杂也最昂贵的工艺步骤，其成本占总生产成本30%以上，占据将近50%的生产周期。

不止如此，卡中国脖子的设备有很多，但光刻机是国产化率一直成长最慢的一个。

对芯片来说，5nm以后就必须使用EUV光刻机。这是因为，当金属间距缩小到30nm以下（对应工艺节点超越5nm），光刻机的分辨率就不够用了。

从公式“光刻机分辨率=k1*λ/NA”中，可以得知，NA越大，光刻机分辨率就越高，制程就越先进。但NA孔径并没有那样容易提升，所以光刻机就选择了改变光源，用13.5nm的EUV光源取代193nm的DUV光源，就能大幅提升光刻机分辨率。不止如此，EUV还能能够减少工艺步骤，提升良率。

EUV难在哪里？根据ASML官方信息，一台EUV光刻系统，包括激光器、物镜、光路系统、测试台、曝光台以及测量设备、减震装置等多个部件，每个部件要求都极高，十分精密，且需要完美地配合，制造难度极高：

• 包含100000个零件，重约180吨；
• 需要40个货运集装箱，通过20多辆卡车和3架货机运输；
• EUV系统中使用的反射镜需要非常平整，如果被放大成德国那么大，最大的凸起不到1毫米高；
• 通过发射高能激光至熔融锡滴上产生EUV光——这个过程每秒达50000次；
• EUV系统可以精确地控制光束，以至于相当于从地球上照出手电筒并击中放置在月球上的 50欧分硬币；
• EUV系统包含一个重达7600公斤的大型真空室。

那么，不用EUV行吗？

除了EUV，也不是没有其它技术，全世界对光刻的研究一直都很积极，已经足足有将近60年历史，光刻技术也远比想象中要多。

虽然EUV并非通向先进制程的唯一之路，但只是都没那么好，或者太贵了，EUV仍然是现在最主要的方向。

对芯片行业来说，理想的光刻机技术应该是成本较低、通量高、特征尺寸小、材料和基材独立的。

而现在除了光学光刻，大部分光刻技术都不能满足大规模生产需求，直写光刻这种技术，一般又大多做掩模版或定制化芯片。

光学光刻等于是经过历史层层筛选，最终胜出的技术，并从紫外光刻技术（UV）、深紫外光刻技术（DUV）和极紫外光刻技术（EUV）不断向前延伸，其波长也从436nm、365nm、248nm，不断向193nm、13.5nm不断延伸。

每个制程技术节点用什么光刻技术，IEEE一直都有所规划，并且已经持续数十年，它就是国际器件与系统路线图（IRDS）。

根据路线图规划，极紫外光刻（EUV）、导向自组装（DSA）和纳米压印光刻（NIL）是下一代纳米制程节点的技术候选方案。不过，纳米压印光刻（NIL）目前还不能大规模生产，只是多用于一些小规模的芯片定制或是做掩模版。

成果转化，没那么简单

那么， 我们该如何看待这件事呢？

首先，这项论文成果，一定是划时代的，我们相信国产的力量正在变强。但相应的，外界“添油加醋”的小道消息，并不可信，也可以说就是谣言。

这种方案并不是不可能，但又有一种破罐子破摔的感觉，正是这种模糊感，让人感觉传闻都是真的。

美国心理学家阿尔波特和波兹曼（Allport & Postman）曾在上个世纪40年代提出传言传播公式，即“传言传播机会=个人关注程度×事件证据模糊性“。也就是说，事件不确定性和满足人们好奇心是关键，对于真相远没有对自我立场、观点佐证的需求重要，因此人们只愿意相信自己想要相信的东西。

对于市场信息，我们需要理性看待：

一方面，要考虑到技术实用化的问题。世界上，有着许多新型路线写在论文之中，就比如量子计算、类脑计算，这些技术很好，砸大钱也不是不能实现，但缺乏商业实用化，所以连英特尔都只是说我们在研究，但正式推出要等到有市场。投资机构不会盲目投钱，不会毫无理由地盲目投大钱。一切总归要讲商业逻辑，路要一步一个脚印地走。

另一方面，要考虑到技术实现的问题。光刻机不仅是吞金兽，还是吞电兽、吞水兽，这么大的机器要用多少电、用多少水、废水怎么处理都是要看考虑的问题；光有一个EUV光源还不代表技术突破，掩模版、光刻胶、光刻系统建设都是需要考虑的问题；百般周折，最终生产良率和生产效率如何，如果不及预期，冒着风险造出这样的机器，实用吗？

EEworld论坛上，工程师认为，感觉是一种方向，不过得考虑实用性，能做4nm但是产量慢，那没啥意义呀，有工程师表示，俗话说，不看广告，看疗效。现在还说不好，只能等过段时间再说。

在自媒体，我们每天都在突破光刻技术，每天都让世界为之颤抖。我们相信未来一定会更好，但也没必要有了来之不易的论文成果，就大吹特吹，不考虑现实问题。时间从来不语，却会给出你想要的答案。

参考文献

[1] EEworld论坛：这两天沸沸扬扬的“光刻厂”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;