三年前，美國開始對中國高端芯片產業進行絞殺的時候，半導體行業最樂觀的人，都覺得國產光刻機的誕生起碼需要10年時間。

華為發布mate 60 pro后不久，ASML CEO溫寧克接受媒體采訪時坦言，中國有14億人，而且聰明人很多。他們能想到我們未想到的解決方案，出口管制只會迫使他們提升創新能力。他們做事更努力、更專注、更快，我們太自以為是了。作為這個星球上唯一的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。

眾所周知，EUV光刻技術是一個極其龐大、卻又無比精妙的系統工程。EUV光刻機共有三大核心技術，分別為EUV光源系統，高精度弧形反射鏡系統、超高精度真空雙工件臺。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難題，最早是汞燈產生的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臺激光器，不到一年中國首臺激光器在中科院長春光機所由王之江等人研制成功，但是激光由于受到放大介質的限制，很難向短波長的紫外和X射線的波段推進。

不過，科學家從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－自由電子躍遷產生增益的理論，即以準分子為激活介質實現激光振蕩。

10年后的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，產生的準分子激光波長為172nm。

DUV光刻機的193 nm ArF準分子激光單光子能量為6.4eV, 能夠誘導化學反應，有效打斷材料組織中的化學鍵，從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”的IBM的科學家嘗試在火雞骨頭、頭發上刻蝕圖案后，IBM于1982年成功將準分子激光技術應用在半導體光刻工藝中。浸沒式光刻之父，臺積電研發六騎士之一的光學博士林本堅，正是在IBM參與DUV準分子激光光刻技術的研發，并獲得10屆IBM杰出發明獎，1個杰出貢獻獎。

而兩名畢業于美國加州大學圣地亞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于令人興奮的潛艇與衛星的通信，6年研究僅證明準分子激光無法穿透大氣層來承載通信。他們只好把注意力轉向了IBM開創的準分子激光芯片制造領域。1986年，他們倆創業成立了Cymer公司。

業內很看好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斯利弗莫爾國家實驗室都沒有底氣面對質疑。IBM等公司直接跳過EUV波段，從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年搭建了十幾道系統,耗費了大量的科研經費,最終的結論是軟x光射線無法應用于下一代的光刻技術,根本的原因還是軟x光射線的成像系統的像場和波前誤差不如預期。而關于這點，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，寫著X ray works，即X光有用以資慶賀，林本堅竟在下面加了幾個字，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后面的檔案柜上，昭告所有路過的同事。

業界只好放棄軟X光射線，退而求其次回到EUV波段。因為有了軟X光射線失敗的經驗，1993年到1996年僅花了3年就初步論證了13.5nm EUV應用于下一代光刻機的可行性。因為幾乎所有材料對波長短于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系統，只能采用反射式光學系統。又因為EUV波長與晶格參數接近，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這個數字，從1981年到1996年花費了整整15年之久。

很快整個行業就圍繞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，包括勞倫斯利弗莫爾實驗室、勞倫斯伯克利實驗室、桑迪亞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，并且有意打擊日本半導體產業，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后才成功加入EUV聯盟，而臺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和臺積電本來就有間接持股關系，未來的臺積電在EUV領域舉足輕重也不為怪。

在完成了EUV光源的可行性論證后,從1996年到2011年,又一個15年,業界才完成13.5nm EUV光源的實用工程化。

EUV實用化工程化的苗頭初現，并依托商業上已經成功的DUV光刻機，ASML就啟動了極具進攻性的商業競爭策略。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53億歐元的投資，英特爾認購了15%、臺積電認購5%，三星認購了3%。拿到錢后，當年ASML立即斥資 26億美金收購了完整經歷過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也成為目前世界上唯一的商業化EUV光源提供商。

由于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，光學系統的孔徑也做不大，所以別看193nm和13.5nm這兩個光源波長相差了15倍，EUV光刻僅提升了3倍不到的精度，而且伴隨精度的提升，是對EUV光源功率的極為苛刻的要求。為了在 60% 的典型掃描儀占空比下實現每小時100 片晶圓的吞吐量，晶圓上的功率應大于約 550 mW，這意味著 EUV 源功率在IF中間焦點處功率大于200W。相比之下，DUV 193nm光源的功率為90 W?？雌饋韮烧咚坪醪顒e沒有那么大，但為了產生200W的EUV，卻需要功率相當于戰術激光武器的40KW脈沖激光來激發。

那么如何產生高功率密度的13.5nm的光源呢？

產生13.5 nm EUV的首選方法是高電荷離子的等離子體發射。三種最有希望的候選元素是 鋰、錫和氙，它們都具有在所需帶寬內具有強共振躍遷的離子。由于多種原因，鋰基和氙基等離子體源獲得的轉換效率遠遠落后于錫基等離子體。在確定了錫作為電離材料后，實現電離的方法也出現了2個主要分支，即LPP激光等離子體和DPP放電等離子體。

DPP方案是把錫涂覆在電極兩端，加高壓，這樣兩極之間會產生等離子體，并且會發生箍縮效應，產生自發輻射，從而發出極紫外光。DPP方案將電能直接轉化為等離子體能，光源結構簡單，又由于容易建造大功率電源系統，最終EUV輸出功率理論上是容易提升。但仍有許多關鍵問題需要解決，比如錫碎屑與光學系統的隔離、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沖轟擊錫液滴，金屬錫中的自由電子吸收脈沖能量并轉移給晶格振動，從而破壞金屬鍵使得金屬錫被打成等離子體，其中含有大量高度電離的、溫度達十萬攝氏度的錫離子，根據玻爾茲曼因子估算，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，最適合錫等離子體通過逆韌致輻射吸收效應，吸收大量激光的能量，從而有助于升溫并電離。其次采用預脈沖激光技術顯著提高EUV光源轉換效率。錫液滴的直徑為20微米，而主脈沖二氧化碳激光器光斑直徑至少為幾百微米，為了解決液滴尺寸和激光光斑尺寸的不匹配問題，先用小功率預脈沖激光照射錫液滴使其升溫膨脹，受光面積變大。緊接著主脈沖激光再次精確轟擊這個餅狀的錫滴將其形成等離子體，并產生EUV輻射。為了保證光源的連續性，1秒鐘需要精確“狙擊”5萬個20微米的錫液滴。這樣很容易將激發轉換效率從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自己并沒有高功率二氧化碳激光器，其合作伙伴德國通快基于其二氧化碳激光技術定制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、光束傳輸系統、光學平臺FFA等。在五個放大階段中，該設備可提升一個較弱的激光脈沖超過10000次，輸出的激光脈沖超過40千瓦的平均脈沖功率，脈沖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收集匯聚到一起，才可以對晶圓進行光刻。要匯聚極紫外線，只能借助于分布式布拉格反射器。它的原理其實并不復雜，光線在經過特殊設計的反射介質時，如果其波長恰好為1/4波長，那么介質的兩面反射光恰好相差1/2波長，則發生相消干涉，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，采用硅和鉬作為主要原料，超過40層介質層，每層的厚度只有不到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精密機械研究所提供。通過精確控制介質的厚度和組合，原本四散射出的極紫外線就可以集合起來，匯聚為一束強的光線用于生產。

所以Cymer的EUV方案是整合了蔡司的無以倫比的光學反射鏡、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EUV光源技術獲得德國未來獎。

收集EUV還只是開始，麻煩還在后頭。激光照射錫滴形成的碎屑如果沉積在鍍膜鏡面上，將會導致EUV收集鏡的反射率降低。即便是沉積的錫厚度只有1 nm，即只有幾個原子層，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，錫通過與氫氣反應生成氣體SnH4并被排出。然而這個過程產生的微量游離氫離子會逐漸滲透進入收集鏡的反射多層鍍膜，并在多層鍍膜內部緩慢聚合成氫氣，將會導致多層鍍膜內產生氣泡而被剝離，所以必須發明一種特殊的保護層覆蓋在多層鍍膜的頂部。

為了安裝EUV光源這樣精密的設備，對空氣潔凈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，大于0.5微米的微粒數量不得超過35.2萬個。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，小于0.1微米的微粒數量不得大于10個，大于該尺寸的微粒不得存在。

在預脈沖技術的推動下，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光刻機曝光功率僅有10W左右，其產能僅為8-10片晶圓/小時。2018年Cymer將功率提升到250W，NXE3400B光刻機的產能是155片/小時，而NXE3400C的產能提高到170片/小時。通過采用新的1微米激光預脈沖，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，直指1nm芯片節點。

中國的EUV光源一方面可以跳過沒有頭緒的漫長理論摸索，另一方面可以基于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整體方案看似比LPP簡單得多，但當年Cymer無法提升功率只好放棄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系統的EUV光源工程樣機。DPP方案可以避開當前LLP-EUV的專利壁壘，同時與未來的加速器光源方案有一定的繼承性。

關于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高精度弧形反射鏡系統，多層鍍膜面形誤差小于0.1nm，只是鍍膜設備采購自海外，被禁售制裁導致鍍膜裝置無法生產。2021年7月，中科院旗下中科科美成功研發出鍍膜精度控制在0.1nm以內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，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3.7%，同樣也能夠進入實用化，而且專門設置的磁鏡裝置可以產生非均勻磁場對等離子體進行約束，從而抑制錫碎屑對光學元件造成的污染。但LPP EUV所需的脈沖大功率二氧化碳激光器，我國長期處于落后局面。20KW以上二氧化碳激光器只有美國和日本的幾家企業能夠生產，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的技術點多，專利壁壘深厚，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。

廣東智能機器研究院與華中科技大學，在嘗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于ASML LPP的光源轉換效率。

最后一個方案則是路線最為創新、最為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于電子儲存環的同步輻射SR和基于電子直線加速器自由電子激光FEL兩種。我們知道EUV光刻對光源的有4方面要求：高平均功率，這樣曝光速度快，利于提高生產效率；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，有利于提高分辨率；短波長，同樣有利于提高分辨率。

SR光源的功率、亮度都很好，比LPP/DPP光源強得多，但它產生的是一個頻率范圍較大的連續光譜，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點。

而FEL亮度更高，可以比SR還高10個量級，純度也非常高，還能做到波長連續可調。但麻煩的是脈沖重復頻率比較低，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。

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

我國的加速器光源的基礎建設完全是國際水平。同步輻射上海光源于2004年2月立項，于2009年4月完成調試并向用戶開放。自由電子激光大連相干光源于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于2019年6月啟動建設，中科院高能所承擔，建設周期6.5年，與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10億量級。

當然，SSMB技術進展不可能趕上首臺國產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光刻關鍵技術備受社會關注，有聲音認為只要我們能夠自己制造出一臺EUV光刻機，國內半導體產業發展問題就基本解決，但事實并非如此。EUV光刻機只不過是中國半導體產業發展路上需要解決的問題的一個縮影，重要的，但絕非唯一的問題。作為全新的芯片前沿工藝體系，其研發是一個龐大的原始創新工程，需要光學、數學、物理學、微電子學、材料學與精密機械以及控制等多學科交叉的、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一系列核心科學問題，并闡釋許多新機制和新機理。以中國科學院為代表的國家戰略科技力量，需要以雄厚的前沿科研積累、高水平的研發大平臺和權責清晰的組織規則，形成強大的平臺吸引力和合作凝聚力，激發產業合作伙伴的創新熱情與潛能。

還是那句話：尊重規律，保持敬畏，充滿信心，黎明一定會到來。