突破光刻机“卡脖子”到底难在哪？

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导语：最近清华大学SSMB同步辐射EUV光源的热度相当高，很多人都以为中国已经解决了光刻机中最核心的光源技术，就可以弯道超车，打脸ASML。那么事实真的如此吗？

一、2年前发表的SSMB论文突然火了

2021年2月25日，清华大学工程物理系的唐传祥教授的研究组与来自德国亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心(HZB)，以及德国联邦物理技术研究院（PTB）的合作团队在《自然》（Nature）上发表了题为“稳态微聚束原理的实验演示”的研究论文。报告了一种新型粒子加速器光源“稳态微聚束” （Steady-state microbunching，SSMB）的首个原理验证实验。

2021年清华唐传祥研究组在《自然》发表的SSMB论文

SSMB概念是2010年由斯坦福大学教授、清华大学杰出访问教授赵午与其博士生Daniel Ratner提出。

2017年唐传祥与赵午牵头联合中、德、美等国家的科研人员，成立了国际SSMB研究组，开始推动包括SSMB原理验证实验在内的各项研究。唐传祥研究组主导完成了实验的理论分析和物理设计，并开发测试实验的激光系统，与合作单位进行实验，并完成了实验数据分析与文章撰写。

SSMB这个技术可以用于制备各种大功率窄带宽的相干辐射光，可用于科研或者工业场景。其中就包括了EUV（极深紫外线）光刻机所需要的13.5nm的波长的极紫外光。

“SSMB光源的潜在应用之一是作为未来EUV光刻机的光源，这是国际社会高度关注清华大学SSMB研究的重要原因。”唐传祥教授说

二、 光源是光刻机的基础组件

光刻机演进是随着光源改进和工艺创新而不断发展的，其实并非ASML制造的每个光刻系统都采用EUV设备，截至目前，DUV（深紫外线）仍然是半导体行业的主力设备之一。为什么光刻机所用的光源波长越来越短？

1.光刻机到底需要什么样的光？

光刻分辨率是光刻曝光系统最重要的技术指标之一，为了实现更精确的光刻，就必须要提高分辨率，那就只有两种方法，分别是减少光源波长或提高数值孔径。换句话说，短波长光源、大数值孔径透镜是提高光刻机曝光分辨力的最有效方法！

光刻机曝光刻蚀原理示意图

DUV（深紫外线）和EUV（极深紫外线）最大的区别在光源方案。EUV的光源波长为13.5nm，但最先进DUV的光源波只有193nm，较长的波长使DUV无法实现更高的分辨率，因此DUV只能用于制造7nm及以上制程的芯片。DUV涵盖了大部分数字芯片和几乎所有的模拟芯片。然而，随着先进制程向5nm及以下先进制程进化，EUV成为了刚需。

2.SSMB为什么是EUV光刻机的潜在光源之一？

SSMB全称是稳态微聚束，是一种加速器光源，光刻机就需要这样的高质量的辐射光，而加速器光源就可以产生这种高质量的辐射光。依靠的是电子束在加速时发射出辐射，然后通过电磁手段来增强辐射光的横向和纵向相干性，以达到想要的光源效果。

《自然》SSMB原理验证实验示意图

蓝色的是存储环，含有大量的被加速到很快的电子束。会周期性的经过波荡器产生同步辐射，而这个波荡器中，会有一个激光来调制电子束，可以进行纵向的聚焦，从而让电子束的长度小于纵向相干长度，提升相干性。

而经过激光调制后，会经过一个色散结对电子束的能量进行分组，让不同能量的电子沿着不同的路径移动，于是就形成了所谓的微聚束，这样的微聚束结构，就可以用来生产高相关性的辐射光。

根据论文报告基于SSMB的EUV光源有望实现大的平均功率，这个光源脉冲稳定光束比较小，并具备向更短波长扩展的潜力，而且波长相关性好。为大功率EUV光源的突破提供全新的解决思路。

第三代同步辐射光源示意图

同步辐射就是利用磁场加速电子形成环形电流，在环形电流的切线方向产生同步辐射的电磁波。电流越大，电磁波强度越大，还可以根据需要来调整或者选择电磁波的波长，能量准直性。

光波也属于电磁波的一种，而且同步辐射一般还都是X射线，比现在光刻机最短波长EUV极紫外光波长还要短，能量更高，准直性也更好，能够更好的聚焦能量。

高能同步辐射光源实验室我国可不缺，中国目前分别在北京、合肥，上海建成的有3台同步辐射光源实验室，武汉，深圳、还有北京怀柔都在建第四代同步辐射光源。

如果能用同步辐射来做光刻机光源，是不是就可以突破光刻机“卡脖子”了？

三、 国产高端光刻机“卡脖子”难题并不是光源

根据对外的公开报道，其实很久以来北京和合肥的同步辐射仪器上都有专门的光刻实验线站，在做专项研究。武汉在建的同步辐射线站在设计之初就已经把极紫外光刻实验站纳入了规划。

北京同步辐射光束实验站中就有光刻机实验线站

在国外俄罗斯也曾经尝试过利用同步辐射提供光刻机光源， 2022年莫斯科电子技术学院与工业跟贸易部签订了价值6.7亿卢布大概约780万美元的合同。用于开发基于同步加速器和等离子体源的无掩膜X射线光刻机。另外英特尔从10年前就一直在做这方面的基础研发。

SSMB-EUV从光刻机的角度讲，并没有实际应用于半导体的光刻验证，依然处于这个早期的发展阶段。只能理解比较有潜力作为EUV光源的一种方案。

光刻机光源工作原理示意图

EUV光源分为两种，通过紫外线产生方式的不同，分为LPP EUV光源与DPP EUV光源。

LPP EUV光源是采用40千瓦的红外激光器轰击液态锡靶，产生高温等离子体然后产生13.5nm波长的EUV光源，然后经过一系列的复杂的光路聚焦和引导，就可以用来给光刻胶曝光。

DPP EUV是通过在高压下产生等离子体。当洛伦兹力收缩等离子体时,等离子体被加热,产生EUV光。

​通俗来说区别是，DPP靠发电、LPP靠发热

哈工大的可调谐激光技术实验室经过10多年在光源领域的研究，已经研发出大功率的DPP EUV极紫外光源。目前DPP EUV是ASML的EUV光刻机所采用的光源。

哈工大发表的EUV光源相关论文

根据哈工大新闻网的公开消息，2022年底举办的世界光子大会上，哈工大学研发的“高速超精密激光干涉仪”荣获首届“金燧奖”，并且该项目已实现了小批量生产。超精密激光干涉仪是为纳米计量测试提供核心仪器，可以对晶圆、物镜系统、工作台位置的超精准定位，为我国高端光刻机研发提供嵌入式在线测量手段。

综合来看我国至少国产高端光刻机卡脖子的地方其实并不在光源。

四、国产光刻机实现突破到底难在哪？

ASML的光刻机靠着沉浸式及双机台等技术和美国的支持，2006年打败了佳能、尼康成为目前世界上唯一的EUV光刻机供应商，截止至2022年底，ASML一共才出货182台EUV光刻机，每台售价超过1亿美元。

EUV光刻机原理

而其实EUV光刻机的工作原理并不算复杂，就是将非常窄的光束照射到经过“光刻胶”化学品处理的硅晶片上，在光线与化学品接触的晶片上形成复杂的图案，这些图案是事先精心设计好的。这个形成所有重要晶体管的过程被称为光刻。

这个过程说起来很简单，实际上超级复杂，在指甲盖大小的晶圆上安装数以亿计的晶体管，要想将这些晶体管连接起来，只能采用纳米级的电路。

光刻机光学组建原理示意图

高端制造业的本质就是控制误差，光刻机是纳米级的精度，代表着全人类最先进的工艺。

要构建一台光刻机，难的不是任何一个环节，而是整台机器、所有零件、所有环节，全部都要达到纳米级精度。光刻机其实是一整套完整的纳米工业。精密光学元器件，精密控制都需要精密机床高精度加工。最先进的EUV光刻机有10万个零部件，分别来自于全球5000家供应商，供应链非常长。

光刻机的产出是纳米级的芯片，但在它背后，动力系统、测量系统、避震系统、密封系统、液压光镜材料，每一样都需要纳米精度。而光刻胶是需要精细化工方面的突破。

结语：纳米级的工业体系短期之内是急不出的。新技术的突破从设想到与实验室环节，再到量产都需要时间，科研存在风险变数也属正常，所以只能脚踏实地，坚持在高端工业母机、高精度工业机器人、高端轴承，高端化工原料等方面的研发，相信EUV光刻机的全国产化只是时间的问题。

参考文献：

[1]Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching，Naturevolume590,pages576–579 (2021)
[2]稳态微聚束加速器光源，唐传祥,邓秀杰，物理学报, 2022,71(15): 152901.

doi:10.7498/aps.71.20220486