三年前，美国开始对中国高端芯片产业进行绞杀的时候，半导体行业最乐观的人，都觉得国产光刻机的诞生起码需要10年时间。

华为发布mate 60 pro后不久，ASML CEO温宁克接受媒体采访时坦言，中国有14亿人，而且聪明人很多。他们能想到我们未想到的解决方案，出口管制只会迫使他们提升创新能力。他们做事更努力、更专注、更快，我们太自以为是了。作为这个星球上唯一的EUV光刻机厂家，ASML已经听到了中国EUV光刻机不断逼近的震撼脚步声。

众所周知，EUV光刻技术是一个极其庞大、却又无比精妙的系统工程。EUV光刻机共有三大核心技术，分别为EUV光源系统，高精度弧形反射镜系统、超高精度真空双工件台。其中EUV光源又是核心中的核心。

光刻机光源每一代进步都是个难题，最早是汞灯产生的UV 436 g-line和365nm i-line，接着是DUV 248nm KrF和193nm ArF准分子激光光源。

虽然早在1960年美国科学家梅曼就发明了第一台激光器，不到一年中国首台激光器在中科院长春光机所由王之江等人研制成功，但是激光由于受到放大介质的限制，很难向短波长的紫外和X射线的波段推进。

不过，科学家从理论上预测了紫外波段激光的可能性，激光发明的那一年，德国物理学家豪特曼就提出了准分子束缚－自由电子跃迁产生增益的理论，即以准分子为激活介质实现激光振荡。

10年后的1970年，第一束准分子激光如约而至，苏联诺贝尔物理学奖获得者尼古拉·巴索夫在莫斯科物理研究所，使用电子束激发氙气二聚体，产生的准分子激光波长为172nm。

DUV光刻机的193 nm ArF准分子激光单光子能量为6.4eV, 能够诱导化学反应，有效打断材料组织中的化学键，从而对材料实现光解切割，避免了红外波段激光加工中的热效应，具有“冷加工”的优良特点。

美国人率先把准分子激光工程实用化。三名“不务正业”的IBM的科学家尝试在火鸡骨头、头发上刻蚀图案后，IBM于1982年成功将准分子激光技术应用在半导体光刻工艺中。浸没式光刻之父，台积电研发六骑士之一的光学博士林本坚，正是在IBM参与DUV准分子激光光刻技术的研发，并获得10届IBM杰出发明奖，1个杰出贡献奖。

而两名毕业于美国加州大学圣地亚哥分校的激光光学博士却碰到了准分子激光研究的陷阱。阿金斯和桑德斯特罗姆，正在HLX国防科技公司研究把准分子激光用于令人兴奋的潜艇与卫星的通信，6年研究仅证明准分子激光无法穿透大气层来承载通信。他们只好把注意力转向了IBM开创的准分子激光芯片制造领域。1986年，他们俩创业成立了Cymer公司。

业内很看好DUV准分子激光，但是对EUV则充满了怀疑，即便是美国最顶级的劳伦斯利弗莫尔国家实验室都没有底气面对质疑。IBM等公司直接跳过EUV波段，从1981年就开始着手更超前的1-10nm波段软x光射线的研究。事实上IBM认为软X射线比DUV准分子激光更有前景，配备的资源也更多。当时全世界最顶尖的科学家耗时11年搭建了十几道系统,耗费了大量的科研经费,最终的结论是软x光射线无法应用于下一代的光刻技术,根本的原因还是软x光射线的成像系统的像场和波前误差不如预期。而关于这点，林本坚似乎有先见之明。某天IBM在软X射线研究取了重大进展，负责人给每人一件T恤，写着X ray works，即X光有用以资庆贺，林本坚竟在下面加了几个字，成了‘X ray works - for the dentists’，即X光可用，是在牙医诊所，还用磁铁挂在他办公桌后面的档案柜上，昭告所有路过的同事。

业界只好放弃软X光射线，退而求其次回到EUV波段。因为有了软X光射线失败的经验，1993年到1996年仅花了3年就初步论证了13.5nm EUV应用于下一代光刻机的可行性。因为几乎所有材料对波长短于100 nm的光都有强烈的吸收，故EUV光刻机不能采用透射式光学系统，只能采用反射式光学系统。又因为EUV波长与晶格参数接近，很容易发生衍射，反射率也很低，最终的反射方案是采用多层镀膜的Mo-Si布拉格反射器，研究表明其对13.5nm波长的反射率最高，达到了70%，因此下一代光刻机最终采用波长13.5nn附近0.27nn带宽的EUV光源。

选择13.5nm这个数字，从1981年到1996年花费了整整15年之久。

很快整个行业就围绕EUV运转起来，1997年英特尔和美国政府牵头成立EUV LLC联盟，该联盟汇聚了美国顶尖的研究资源和芯片巨头，包括劳伦斯利弗莫尔实验室、劳伦斯伯克利实验室、桑迪亚国家实验室三大国家实验室，联合IBM、AMD、摩托罗拉等科技巨头，集中数百位顶尖科学家，共同研究EUV光刻技术，共享研究成果。美国政府担心尖端技术落入外国公司，并且有意打击日本半导体产业，所以反对日本光刻巨头尼康的加入，规模尚小的ASML做出在美国建立工厂和研发基地等多项让步后才成功加入EUV联盟，而台积电当时还是不起眼的小代工厂，也没有被接纳加入。不过考虑到ASML和台积电本来就有间接持股关系，未来的台积电在EUV领域举足轻重也不为怪。

在完成了EUV光源的可行性论证后,从1996年到2011年,又一个15年,业界才完成13.5nm EUV光源的实用工程化。

EUV实用化工程化的苗头初现，并依托商业上已经成功的DUV光刻机，ASML就启动了极具进攻性的商业竞争策略。2012年ASML主动提出了客户联合投资计划，拿出23%的股份筹集了53亿欧元的投资，英特尔认购了15%、台积电认购5%，三星认购了3%。拿到钱后，当年ASML立即斥资 26亿美金收购了完整经历过DUV和EUV光源变迁的Cymer，另外入股或者绑定德国蔡司，通快等EUV光源核心技术公司的独家供货权。日本的佳能和尼康光刻机最终和EUV绝缘，Cymer也成为目前世界上唯一的商业化EUV光源提供商。

由于13.5nm的EUV易被吸收，损耗极高，而且EUV没有DUV那种低成本的浸没式精度提升方案，光学系统的孔径也做不大，所以别看193nm和13.5nm这两个光源波长相差了15倍，EUV光刻仅提升了3倍不到的精度，而且伴随精度的提升，是对EUV光源功率的极为苛刻的要求。为了在 60% 的典型扫描仪占空比下实现每小时100 片晶圆的吞吐量，晶圆上的功率应大于约 550 mW，这意味着 EUV 源功率在IF中间焦点处功率大于200W。相比之下，DUV 193nm光源的功率为90 W。看起来两者似乎差别没有那么大，但为了产生200W的EUV，却需要功率相当于战术激光武器的40KW脉冲激光来激发。

那么如何产生高功率密度的13.5nm的光源呢？

产生13.5 nm EUV的首选方法是高电荷离子的等离子体发射。三种最有希望的候选元素是 锂、锡和氙，它们都具有在所需带宽内具有强共振跃迁的离子。由于多种原因，锂基和氙基等离子体源获得的转换效率远远落后于锡基等离子体。在确定了锡作为电离材料后，实现电离的方法也出现了2个主要分支，即LPP激光等离子体和DPP放电等离子体。

DPP方案是把锡涂覆在电极两端，加高压，这样两极之间会产生等离子体，并且会发生箍缩效应，产生自发辐射，从而发出极紫外光。DPP方案将电能直接转化为等离子体能，光源结构简单，又由于容易建造大功率电源系统，最终EUV输出功率理论上是容易提升。但仍有许多关键问题需要解决，比如锡碎屑与光学系统的隔离、重频放电条件下光源稳定性、增大光源输出角等。

LPP方案的基本原理是用强激光脉冲轰击锡液滴，金属锡中的自由电子吸收脉冲能量并转移给晶格振动，从而破坏金属键使得金属锡被打成等离子体，其中含有大量高度电离的、温度达十万摄氏度的锡离子，根据玻尔兹曼因子估算，足以使锡离子占据极紫外量级的高能激发态。

Cymer的LPP整体方案显得十分魔幻。首先选中了德国通快公司的极高功率CO2红外激光，其波长是10.6um，最适合锡等离子体通过逆韧致辐射吸收效应，吸收大量激光的能量，从而有助于升温并电离。其次采用预脉冲激光技术显著提高EUV光源转换效率。锡液滴的直径为20微米，而主脉冲二氧化碳激光器光斑直径至少为几百微米，为了解决液滴尺寸和激光光斑尺寸的不匹配问题，先用小功率预脉冲激光照射锡液滴使其升温膨胀，受光面积变大。紧接着主脉冲激光再次精确轰击这个饼状的锡滴将其形成等离子体，并产生EUV辐射。为了保证光源的连续性，1秒钟需要精确“狙击”5万个20微米的锡液滴。这样很容易将激发转换效率从1%提升到5%，也就是将EUV光源功率增加5倍。如果单纯提升红外激光器的功率，意味着要将40千瓦的红外激光平均功率提升到200千瓦，那几乎是不可能的任务。

Cymer自己并没有高功率二氧化碳激光器，其合作伙伴德国通快基于其二氧化碳激光技术定制了一套独一无二的激光放大器。其核心组件包括高功率种子模块、高功率放大链路、光束传输系统、光学平台FFA等。在五个放大阶段中，该设备可提升一个较弱的激光脉冲超过10000次，输出的激光脉冲超过40千瓦的平均脉冲功率，脉冲峰值功率可以高达几兆瓦。

虽然得到了极紫外线，但它是向四周散射的，还必须想办法把它们收集汇聚到一起，才可以对晶圆进行光刻。要汇聚极紫外线，只能借助于分布式布拉格反射器。它的原理其实并不复杂，光线在经过特殊设计的反射介质时，如果其波长恰好为1/4波长，那么介质的两面反射光恰好相差1/2波长，则发生相消干涉，实际上增强了反射光。通过设计不同反射介质的组合，可以单独加强针对某一波段的光线的反射率，起到光谱纯化效果。

ASML光刻机中的布拉格反射器由蔡司研发，采用硅和钼作为主要原料，超过40层介质层，每层的厚度只有不到4纳米，而镀膜的精度误差不超过0.05纳米，镀膜技术由德国弗劳恩霍夫应用光学与精密机械研究所提供。通过精确控制介质的厚度和组合，原本四散射出的极紫外线就可以集合起来，汇聚为一束强的光线用于生产。

所以Cymer的EUV方案是整合了蔡司的无以伦比的光学反射镜、弗劳恩霍夫光机所的精确的镀膜、通快的超高功率二氧化碳激光这三家德国公司的先进技术。2020年，这三家公司因为EUV光源技术获得德国未来奖。

收集EUV还只是开始，麻烦还在后头。激光照射锡滴形成的碎屑如果沉积在镀膜镜面上，将会导致EUV收集镜的反射率降低。即便是沉积的锡厚度只有1 nm，即只有几个原子层，收集镜的反射率降低也将达到10%，而衰减10%就需要更换昂贵的收集镜了。Cymer通过氢气气流来“烧掉”沉积的锡碎屑，锡通过与氢气反应生成气体SnH4并被排出。然而这个过程产生的微量游离氢离子会逐渐渗透进入收集镜的反射多层镀膜，并在多层镀膜内部缓慢聚合成氢气，将会导致多层镀膜内产生气泡而被剥离，所以必须发明一种特殊的保护层覆盖在多层镀膜的顶部。

为了安装EUV光源这样精密的设备，对空气洁净度的要求也是极高的。在美国航空航天署组装詹姆斯·韦伯太空望远镜的无尘房间，其清洁度达到了CleanRoom ISO 7，也就是每立方米的空气中，大于0.5微米的微粒数量不得超过35.2万个。但是，ASML厂房的清洁度必须达到ISO 1，也就是说，每立方米空气中，小于0.1微米的微粒数量不得大于10个，大于该尺寸的微粒不得存在。

在预脉冲技术的推动下，ASML的EUV光源功率在过去十年保持了线性增长。第一代EUV验证机型NXE3100光刻机曝光功率仅有10W左右，其产能仅为8-10片晶圆/小时。2018年Cymer将功率提升到250W，NXE3400B光刻机的产能是155片/小时，而NXE3400C的产能提高到170片/小时。通过采用新的1微米激光预脉冲，ASML已经实现闭环600W，开环700W的创纪录的EUV功率！LPP EUV光源在未来3-5年很可能突破千瓦级大关，直指1nm芯片节点。

中国的EUV光源一方面可以跳过没有头绪的漫长理论摸索，另一方面可以基于最新的技术进展来直接开展实用工程化研究，大幅度缩短了进程。

公开信息显示，哈尔滨工业大学负责的DPP-EUV光源已经达到实用化的120W的水平，这相当不容易。虽然DPP整体方案看似比LPP简单得多，但当年Cymer无法提升功率只好放弃DPP转向LPP。2023年4月13日下午，中国科学院院士、中国科学院前院长白春礼到长春光机所调研了EUV光源，相信这是结合哈工大DPP EUV光源和长春光机所的高精度弧形反射镜系统的EUV光源工程样机。DPP方案可以避开当前LLP-EUV的专利壁垒，同时与未来的加速器光源方案有一定的继承性。

关于EUV反射收集镜，中国出乎意料的有技术底蕴。早在2015年，中国长春光机所就已经研发出了EUV高精度弧形反射镜系统，多层镀膜面形误差小于0.1nm，只是镀膜设备采购自海外，被禁售制裁导致镀膜装置无法生产。2021年7月，中科院旗下中科科美成功研发出镀膜精度控制在0.1nm以内的直线式劳埃透镜镀膜装置及纳米聚焦镜镀膜装置，已经可以满足了EUV反射收集镜的要求，未来将镀膜精度继续提升到0.05纳米也完全有可能。

中科院上海光机所则负责LPP方案的攻关，据当前公开的研究进展情况，LPP EUV光源IF功率达到了188W，转换效率为3.7%，同样也能够进入实用化，而且专门设置的磁镜装置可以产生非均匀磁场对等离子体进行约束，从而抑制锡碎屑对光学元件造成的污染。但LPP EUV所需的脉冲大功率二氧化碳激光器，我国长期处于落后局面。20KW以上二氧化碳激光器只有美国和日本的几家企业能够生产，且依据瓦森纳协定对中国禁售。所以LPP方案虽然ASML已经充分验证，看似路径明确，但对中国来说待攻关的技术点多，专利壁垒深厚，挑战反而更大。即使成功，也不过是亦步亦趋跟随ASML，很难做到超越。

广东智能机器研究院与华中科技大学，在尝试采用分时高功率光纤激光器射击液态锡靶，绕开超高功率、超高重频二氧化碳激光器这个路线，400路光纤激光器和分时束照射装置理论上可以实现数倍于ASML LPP的光源转换效率。

最后一个方案则是路线最为创新、最为颠覆性的加速器光源SSMB-EUV，即稳态微聚束极紫外光源路线，由清华大学主导。

加速器光源主要包括基于电子储存环的同步辐射SR和基于电子直线加速器自由电子激光FEL两种。我们知道EUV光刻对光源的有4方面要求：高平均功率，这样曝光速度快，利于提高生产效率；高亮度，可以降低对光刻胶的敏感度要求；高纯度，就是频带比较窄，有利于提高分辨率；短波长，同样有利于提高分辨率。

SR光源的功率、亮度都很好，比LPP/DPP光源强得多，但它产生的是一个频率范围较大的连续光谱，需要配合滤光器得到合适的窄带光源。问题是“宽带”滤成“窄带”必然损失大量的光能，部分抵消了功率高的优点。

而FEL亮度更高，可以比SR还高10个量级，纯度也非常高，还能做到波长连续可调。但麻烦的是脉冲重复频率比较低，这样平均功率就降得很厉害。

SSMB光源把SR和FEL结合起来了，可以得到高功率、高亮度、高重频、窄带宽的光源，而且波长可调，别说EUV，就是下一代波长约6 nm的Blue-X光源都能达到，而且不需要SR的滤光器或LPP/DPP的多反射光谱纯化装置。显然，就性能来讲是非常适合进行EUV光刻的。

只是加速器光源最大的弱点是非常昂贵，而SSMB贵上加贵，另外体积也太大，适合建设为国家级的EUV光源研究和生产的基础设施。

我国的加速器光源的基础建设完全是国际水平。同步辐射上海光源于2004年2月立项，于2009年4月完成调试并向用户开放。自由电子激光大连相干光源于2012年初正式启动，2016年9月24日首次出光。而世界上亮度最高的第四代同步辐射光源，怀柔科学城的国家重大科技基础设施，高能同步辐射光源HEPS于2019年6月启动建设，中科院高能所承担，建设周期6.5年，与我国现有的光源形成能区互补。由清华大学主导的SSMB，已经在雄安选址开工建设1千瓦级SSMB-EUV光源，投资在10亿量级。

当然，SSMB技术进展不可能赶上首台国产EUV光刻机，尽快达成实用工程化还得指望上海光机所的LPP-EUV或者哈工大的DPP-EUV。

显然EUV光刻关键技术备受社会关注，有声音认为只要我们能够自己制造出一台EUV光刻机，国内半导体产业发展问题就基本解决，但事实并非如此。EUV光刻机只不过是中国半导体产业发展路上需要解决的问题的一个缩影，重要的，但绝非唯一的问题。作为全新的芯片前沿工艺体系，其研发是一个庞大的原始创新工程，需要光学、数学、物理学、微电子学、材料学与精密机械以及控制等多学科交叉的、大纵深的开创性研究；科学家必须在光源、结构、器件、工艺及检测等领域解决一系列核心科学问题，并阐释许多新机制和新机理。以中国科学院为代表的国家战略科技力量，需要以雄厚的前沿科研积累、高水平的研发大平台和权责清晰的组织规则，形成强大的平台吸引力和合作凝聚力，激发产业合作伙伴的创新热情与潜能。

还是那句话：尊重规律，保持敬畏，充满信心，黎明一定会到来。