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近日清華提出的SSMB-EUV光源技術(shù)忽然引發(fā)了公眾極大的興趣。一個(gè)說(shuō)法是，中國(guó)可以建加速器產(chǎn)生EUV光源，不同頻率的光源可以給28nm、14nm、7nm、5nm等多種芯片制程使用，用“光刻廠”替代ASML一臺(tái)臺(tái)的EUV***，以出人意料的創(chuàng)新思維打破美國(guó)封鎖。這個(gè)設(shè)想“通俗易懂”，感覺先進(jìn)的國(guó)產(chǎn)***一下有希望了。 公眾對(duì)SSMB-EUV這種很難懂的同步輻射光源產(chǎn)生興趣，根本原因是希望突破美國(guó)技術(shù)封鎖，將清華的研究產(chǎn)業(yè)化，幫助生產(chǎn)出高性能***。 本文從產(chǎn)業(yè)工程角度，重點(diǎn)介紹芯片制造與光刻的一些相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)，也介紹SSMB、EUV、同步輻射等相關(guān)的科學(xué)原理。了解足夠的工程技術(shù)細(xì)節(jié)和科學(xué)原理之后，對(duì)于“光刻廠”這類有趣的設(shè)想，就能正確看待了。
本文要點(diǎn)： 1. SSMB-EUV***是有技術(shù)背景的，中國(guó)已經(jīng)有實(shí)際的研發(fā)投資，確實(shí)是未來(lái)***的一個(gè)發(fā)展方向。 2. 分析DUV與EUV***進(jìn)行芯片加工的流程，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)***性能的要求是超乎一般人想象的。 3. SSMB-EUV***需要突破的技術(shù)困難，可能是哪些。千萬(wàn)不能以為找到一個(gè)好方向，就能很簡(jiǎn)單地突破***。
一、芯片制造產(chǎn)業(yè)常識(shí)
將四價(jià)硅摻雜加入少量三價(jià)硼和和五價(jià)磷做出PN結(jié)，再加上金屬氧化物做個(gè)控制門，就能做成某類晶體管。海量晶體管密集排列，按特定設(shè)計(jì)互相連接，就是芯片。芯片制造最關(guān)鍵一步是晶圓加工，在FAB工廠里，在高純度的硅晶圓（wafer）上面，做出一個(gè)個(gè)的相同的裸芯片（die）。前面需要做出硅晶圓，后面需要將die切開，加蓋、加引腳、封裝、測(cè)試，難度都相對(duì)低。
首先要有概念，工業(yè)應(yīng)用意義上的芯片產(chǎn)量是海量的，不然成本太高。如近日引發(fā)轟動(dòng)的某爆款手機(jī)的芯片，業(yè)界估計(jì)有1000萬(wàn)顆的量，后因需求火爆增至1500-1700萬(wàn)顆，又再上調(diào)到2000萬(wàn)顆。
上千萬(wàn)顆芯片，如何在不太長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)制造出來(lái)？關(guān)鍵是一片wafer上能一次性制造出大量完全一樣的die。以12寸晶圓（指英寸，還有8寸、6寸的）為例，它的直徑是約300毫米，面積是70659平方毫米。先進(jìn)芯片的晶體管密度能達(dá)到驚人1平方毫米1億個(gè)，整個(gè)芯片有上百億個(gè)晶體管，完成復(fù)雜的5G基帶與手機(jī)SOC功能。假設(shè)一個(gè)die面積是140平方毫米，一片wafer上就可能有約500個(gè)die的位置。
芯片制造有“良率”的概念，簡(jiǎn)單地說(shuō)，如果這500個(gè)die在FAB加工完畢，下單的商家拿去一測(cè)，發(fā)現(xiàn)有400個(gè)是功能合格的“活”die，良率就是80%。先進(jìn)芯片加工的良率有時(shí)不高，但也不會(huì)太低，不然沒有商業(yè)意義了。如按50%估計(jì)，一片wafer也應(yīng)該有200個(gè)以上的die是活的。
FAB工廠的產(chǎn)能一般用每月能加工多少萬(wàn)片wafer來(lái)說(shuō)明，多的可以1個(gè)月10萬(wàn)片，少的也有1萬(wàn)片。如果每月1萬(wàn)片，每片200個(gè)活die，一個(gè)月就有200萬(wàn)顆芯片，一年能生產(chǎn)出2000萬(wàn)顆以上的芯片了。
有些不懂的人會(huì)以為，芯片制造全靠***，工廠就是有個(gè)核心機(jī)器***，晶圓送進(jìn)去，里面用光在上面把芯片“刻”出來(lái)，主要的加工就完成了。如有的人說(shuō)，買到100個(gè)***，就能建100條芯片生產(chǎn)線，可能就是這么簡(jiǎn)單理解的。
其實(shí)更合適的說(shuō)法是，芯片上的晶體管是“蝕刻”出來(lái)的。用等離子體物理沖擊或者化學(xué)藥水浸泡之類的辦法，在wafer上造出溝溝槽槽，最后就把晶體管的形狀挖出來(lái)了。但是哪挖哪不挖，這是由光刻引導(dǎo)的?？梢哉f(shuō)，凡是要蝕刻了，都要先光刻，通過“掩膜板”（mask，光罩）告訴蝕刻沖哪下手。而且挖溝槽的的辦法非常復(fù)雜，有時(shí)要反復(fù)地挖，經(jīng)常還要在上面沉積覆蓋一層各種材料。每一步做完，還得清洗。
實(shí)際FAB加工晶圓的步驟極為復(fù)雜，多的可能要上千步，光刻就要反復(fù)做多次，一般需要多個(gè)***。一個(gè)復(fù)雜的先進(jìn)制程芯片，用于光刻的一套光罩就可能有好幾十個(gè)。重要步驟需要精度高的***，也有精度要求低些的，可以用低配的***。如wafer上的晶體管層做好以后，在上面做連接的金屬導(dǎo)線層，精度要求就低不少，因?yàn)榭梢韵蠼欠恳粯?，分成好幾層?lái)放導(dǎo)線，每一層導(dǎo)線的間隔可以寬一些。
一片wafer開始加工，到最終變成die交付給客戶，因?yàn)椴襟E很多，過程可能要幾個(gè)月。這往往是因?yàn)?，生產(chǎn)線上的機(jī)器，不只是生產(chǎn)一個(gè)芯片，會(huì)排班加工別的wafer。如何安排，將不同芯片的wafer在指定的時(shí)間送到指定的機(jī)器上，是FAB生產(chǎn)流程管理的重要問題。即使全力保證一個(gè)芯片的加工流程先跑，工序多的，一片wafer怎么也要一兩個(gè)月才跑完。
客戶讓FAB加工芯片，不是下單就有，即使追加訂單，也要過幾個(gè)月才有。無(wú)論如何，幾個(gè)月就能生產(chǎn)出上千萬(wàn)顆芯片，這是海量的加工能力，量上來(lái)了，單個(gè)芯片才不會(huì)太貴。所以，F(xiàn)AB的生產(chǎn)能力是芯片工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵，一個(gè)月要起碼能處理一萬(wàn)片這么多的wafer。
而且，***處理一個(gè)wafer，不是一次能完事的，基本會(huì)來(lái)好幾次，有時(shí)要多重曝光，要上十次。所以，即使只處理一個(gè)芯片產(chǎn)品，一個(gè)月只做1萬(wàn)片，一個(gè)***可能也要做10萬(wàn)次光刻。FAB是周末也不敢讓機(jī)器停的，要排班開工，一個(gè)月30天，每天可能要光刻3000次，***平均一個(gè)小時(shí)做一百次光刻，是很常見的節(jié)奏。
因此，從工業(yè)生產(chǎn)的角度粗略估算，***要1分鐘不到就把一片wafer上的幾百個(gè)die都光刻完。每個(gè)die分到的光刻時(shí)間，只有0.1秒這個(gè)級(jí)別。如果搞不過來(lái)，就得加多個(gè)***并行處理了。
先進(jìn)的***就是這么快速運(yùn)作的。一片wafer放在工作臺(tái)上，工作臺(tái)在磁懸浮系統(tǒng)操控下，不停地游動(dòng)，看上去根本就沒有靜止。其實(shí)這是在“步進(jìn)掃描”，工作臺(tái)在按某種自動(dòng)程序走走停停，停下來(lái)就是對(duì)準(zhǔn)了，在0.1秒時(shí)間內(nèi)光線打下來(lái)瞬間完成光刻，把光罩上的圖案投影到某個(gè)die的區(qū)域（實(shí)際是shot，可以簡(jiǎn)單理解成一個(gè)die的大?。?，和上面涂的特種光刻膠發(fā)生“光化學(xué)反應(yīng)”，完成曝光。曝光快速完成，工作臺(tái)又快速步進(jìn)掃描到下一個(gè)位置，看上去和沒停一樣。走走停停的加速度非常大，對(duì)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制、定位的精準(zhǔn)度要求非常高，這也是***制造的最核心難點(diǎn)之一。
ASML的***型號(hào)有TWINSCAN的說(shuō)法，從運(yùn)作錄像上看，是兩個(gè)工作臺(tái)在下面游動(dòng)。這并不是兩個(gè)工作臺(tái)同時(shí)在進(jìn)行光刻，而是一個(gè)在步進(jìn)掃描光刻，一個(gè)在“預(yù)對(duì)準(zhǔn)”。預(yù)對(duì)準(zhǔn)是說(shuō)，測(cè)量臺(tái)上一片wafer上幾百上千個(gè)die的區(qū)域，先用量測(cè)工具掃描一通，判斷好是怎么排列的，每一步要跳多少納米過去才能精確對(duì)準(zhǔn)，把這些數(shù)據(jù)先記下來(lái)。等在光刻的那個(gè)工作臺(tái)處理完了，立刻就把預(yù)對(duì)準(zhǔn)的這個(gè)工作臺(tái)挪過去，按測(cè)量好的數(shù)據(jù)安排好步進(jìn)掃描的自動(dòng)程序開始光刻。
無(wú)論是EUV***還是DUV***，都是很先進(jìn)的機(jī)器，關(guān)鍵在于工業(yè)生產(chǎn)的量和速度要求非常高。如果慢騰騰地每一步都要重新對(duì)準(zhǔn)，假設(shè)***一分鐘才能處理一個(gè)die，一天也就處理1000多個(gè)die，只能搞完一兩片wafer，那工廠不要開門了，早賠死了。
這是一般人不知道的，不理解***要快速自動(dòng)精準(zhǔn)連續(xù)運(yùn)作，對(duì)要求有多高不清楚，容易低估工業(yè)應(yīng)用級(jí)別***的性能要求。
用同步輻射EUV光源進(jìn)行芯片加工，其實(shí)不是新鮮事。最早的時(shí)候，研究者就是用同步輻射加速器的EUV光源進(jìn)行芯片工藝研究的，現(xiàn)在也一直都有，經(jīng)常有論文。如保羅謝勒研究所，長(zhǎng)期用瑞士的同步輻射加速器探索EUV光刻的新技術(shù)，在學(xué)術(shù)界，EUV光源也稱之為軟X光。但是這類研究的特點(diǎn)是不講究“量產(chǎn)”，也不需要省時(shí)間，慢慢地做幾片，測(cè)一些數(shù)據(jù)，就可以發(fā)表有探索意義的發(fā)現(xiàn)了。以前沒有能工業(yè)應(yīng)用的EUV光源，就是這么搞研究的。 從產(chǎn)業(yè)角度看，芯片業(yè)最重要的還是要工程應(yīng)用，要量產(chǎn)，要經(jīng)濟(jì)意義上成立。通過上面的計(jì)算可知，這個(gè)要求特別高，量產(chǎn)的良率與生產(chǎn)速度不可思議地高。如果對(duì)芯片制造產(chǎn)業(yè)流程沒有深入了解，會(huì)很難想象，現(xiàn)代的FAB怎么可以如此快速地加工生產(chǎn)出海量的芯片。 這也是有個(gè)過程的，一開始手工制造芯片，或者半自動(dòng)半手工，產(chǎn)量都高不上去。1977年7月，鄧小平與30位科技界代表在人民大會(huì)堂座談，半導(dǎo)體學(xué)界的王守武說(shuō)：“全國(guó)共有600多家半導(dǎo)體生產(chǎn)工廠，其一年生產(chǎn)的集成電路總量，只等于日本一家大型工廠月產(chǎn)量的十分之一?！边@就是手工與自動(dòng)的區(qū)別，看著芯片制程差距不大，實(shí)際背后的制造流程差異很大，技術(shù)水平差異很大。
現(xiàn)在，中國(guó)一天可以生產(chǎn)10億顆芯片了，進(jìn)步非常大，都是自動(dòng)化機(jī)器干出來(lái)的。芯片制造已經(jīng)必然是機(jī)器自動(dòng)做的，人只能去管理機(jī)器。機(jī)器生產(chǎn)芯片，各個(gè)流程在非常快速地流轉(zhuǎn)，是標(biāo)準(zhǔn)的流水線生產(chǎn)模式。只是芯片F(xiàn)AB生產(chǎn)線容易出問題被迫停下，需要很多有技術(shù)的人來(lái)維護(hù)生產(chǎn)線順暢運(yùn)行，這一點(diǎn)比其它商品的生產(chǎn)線要困難得多。
二、DUV、LPP-EUV光源
上面說(shuō)的芯片制造過程，對(duì)傳統(tǒng)芯片（28nm及以上）和先進(jìn)制程芯片（14nm及以下）都是通用的。目前用的***主要是DUV的，193nm波長(zhǎng)的光源是ArF（氟化氬）準(zhǔn)分子激光器生成的，浸潤(rùn)式***光在水中折射后波長(zhǎng)變成134nm。 前面還有汞燈光源（不是激光），g線***是436nm波長(zhǎng)，i線***是365nm波長(zhǎng)。還有KrF（氟化氪）準(zhǔn)分子激光器的248nm光源。 根據(jù)瑞利準(zhǔn)則公式和實(shí)踐結(jié)果，193nm***的分辨率是波長(zhǎng)的三分之一，能用來(lái)做65nm的芯片。
浸潤(rùn)式***的134nm波長(zhǎng)，按規(guī)律可以做45nm的芯片。但是鏡頭在水里效應(yīng)提升，又通過OPC補(bǔ)償算法（光罩上圖形的角上，弄成特定的復(fù)雜形狀而非原來(lái)的方形，最終成像反而會(huì)更接近方形），最終分辨能力提升到了28nm。這就是經(jīng)典的28nm芯片的由來(lái)，坊間有所謂“28nm***”的說(shuō)法，其實(shí)是193nm的光源。
? 28nm及以上制程的傳統(tǒng)芯片，里面的晶體管是MOSFET，可以理解為一種平面的晶體管，有個(gè)控制門Gate，從上往下這“一個(gè)方向”施加電壓，控制晶體管的0-1導(dǎo)通狀態(tài)。28nm指的是Source和Drain兩個(gè)柵極之間的寬度，整個(gè)晶體管有100nm以上這么寬。
? ? FINFET晶體管就升級(jí)成“立體”的，如上圖，綠色的Gate從上方、左方、右方三個(gè)方向去施加電壓影響晶體管導(dǎo)通狀態(tài)。三個(gè)方向的立體影響，比MOSFET的一個(gè)方向的平面影響要靈敏，所以FINFET晶體管的功耗更低、主頻更快。但是這個(gè)晶體管，就要象魚鰭一樣，造出往上伸出的薄薄的fin，工藝要復(fù)雜多了。需要注意，F(xiàn)INFET晶體管在wafer上也還是一層，并沒有堆出幾層來(lái)，眾多晶體管還是平面排列的，只是fin是立體結(jié)構(gòu)對(duì)控制電壓敏感了。 用DUV浸潤(rùn)式***和FINFET晶體管工藝，可以造7nm-14nm制程的芯片。主要的辦法是多重曝光，最多是四重曝光。簡(jiǎn)單地比喻，先在wafer上造出28-28-28-28nm這樣間隔的線條，然后挪動(dòng)14nm，再來(lái)做一套28-28-28-28nm間隔的線條，就能用雙重曝光組合出14-14-14-14nm間隔的線條。如果四重曝光，就能組合出7-7-7-7nm間隔的條紋。
當(dāng)然這只是類比，實(shí)際要復(fù)雜得多，但是基本原理就是把本來(lái)一張光罩做的事，拆成很多張光罩來(lái)做。到7nm，工藝就非常麻煩了，光罩?jǐn)?shù)量需要非常多，但是業(yè)界優(yōu)秀的公司居然真的用DUV***實(shí)現(xiàn)了7nm芯片量產(chǎn)。 值得注意的是，28nm及以上的傳統(tǒng)芯片，它的“制程”是實(shí)打?qū)嵉?，說(shuō)28nm真實(shí)柵極距離就是28nm。而先進(jìn)芯片的7nm-14nm，包括再往下的5nm、4nm、3nm芯片，柵極寬度并不是標(biāo)稱的值。
各家制造芯片的公司各自聲稱，根據(jù)功耗等性能指標(biāo)的改進(jìn)，按摩爾定律算出來(lái)一個(gè)“等效面積”（PPA，Power Performance Area），說(shuō)是7nm，實(shí)際測(cè)量可能是10nm。英特爾說(shuō)的10nm工藝就是實(shí)在的，說(shuō)是10nm，指標(biāo)相當(dāng)于別家的7nm了。 可以看出，用DUV***來(lái)做7nm芯片，已經(jīng)“窮盡”了招數(shù)，才能用193nm的光源，得到7nm的效果。浸潤(rùn)式、鏡頭改進(jìn)、OPC補(bǔ)償、多重曝光、晶體管立體化、等效面積，這才從193nm光源形式上實(shí)現(xiàn)了7nm的效果。用DUV***加工先進(jìn)芯片，工藝非常麻煩，良率低、成本高。 大家都知道，后面業(yè)界是用13.5nm的EUV光源改善了狀況，所以才叫EUV***。為什么從193nm光源直接就跳到了13.5nm？之前436-365-248-193nm這樣降，后面不應(yīng)該是再降一點(diǎn)么？
本來(lái)確實(shí)是這個(gè)想法，業(yè)界（主要是日本尼康）試了157nm的F2（氟氣）準(zhǔn)分子激光器光源，***也造出來(lái)了。悲劇的是，157nm波長(zhǎng)的光，很容易被各種材料吸收掉，曝光性能很不好，要抽成真空來(lái)才行，很麻煩。所以業(yè)界放棄了157nm波長(zhǎng)***，類似波段的光都有被材料吸收掉的嚴(yán)重問題。光源需要通過反射、折射，經(jīng)過空氣、鏡面、物鏡到達(dá)wafer，必須還有足夠能量用于曝光，不能被吸收得功率不足了。 最終發(fā)現(xiàn)13.5nm的EUV光源，經(jīng)過反射以后，強(qiáng)度可以用來(lái)搞光刻。這是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，有很長(zhǎng)時(shí)間的探索過程。 前面說(shuō)了，工業(yè)應(yīng)用的EUV***要能快速準(zhǔn)確地曝光，0.1秒這么短的時(shí)間就要和光刻膠反應(yīng)好，光的功率也要足夠。當(dāng)工作臺(tái)將wafer移到特定位置時(shí)，強(qiáng)度足夠EUV光線就得過來(lái)，這非常困難。
目前工業(yè)應(yīng)用的是二氧化碳激光打在錫滴上，產(chǎn)生EUV光，再經(jīng)過復(fù)雜的光路反射到達(dá)wafer。 這是錫滴產(chǎn)生EUV光源的GIF演示 ? 這就是LPP-EUV光源（LPP，Laser-produced Plasma），二氧化碳激光打在不斷滴落的錫滴里，產(chǎn)生不多的一些EUV光。然后用11個(gè)鏡子不斷反射過濾，最終將這些EUV光引導(dǎo)到wafer上。由于錫滴產(chǎn)生的EUV光不多，主要是別的雜質(zhì)光源，如何過濾、聚集、矯正光束，非常麻煩，需要很高水平的鏡片系統(tǒng)。 據(jù)說(shuō)EUV***的鏡片，是世界上最光滑的物體之一，超過了中子星表面。而且鏡片也要非常大，超過一米的直徑。如果把鏡片放大到地球這么大，表面粗糙度也只有0.2毫米。這是因?yàn)殓R面反射會(huì)放大誤差，只有把鏡面做得極為光滑平整才行。
經(jīng)過多次反射以后，即使光束每次反射仍然有70%的能量，11次也只剩下了2%的能量了。因此，LPP-EUV光源就需要生成巨大的能量。ASML的EUV***是美國(guó)Cymer公司負(fù)責(zé)光源（也是EUV***斷供中國(guó)的技術(shù)源頭），需要每秒發(fā)射5萬(wàn)次高功率二氧化碳激光轟擊錫滴，技術(shù)難度非常高。 因此，EUV***比DUV***難得多。DUV光源是準(zhǔn)分子激光器直接產(chǎn)生的，EUV光源只能間接產(chǎn)生一些。但是DUV***的鏡頭組、對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，也是非常困難的，精度要求也非常高了。EUV光刻的精度要求更高，但相比DUV光刻，主要還是光源系統(tǒng)更為復(fù)雜。因?yàn)楣庠吹哪芰拷^大多數(shù)浪費(fèi)掉了，還有額外的散熱問題，風(fēng)冷水冷一堆麻煩事。 還有壞消息，EUV***的光源功率做不上去了，也就是500W。EUV***對(duì)于3nm芯片加工就有些吃力了，成本很高，一般客戶已經(jīng)不敢下單了，有需求不足的問題。再往下做，不是成本的問題，是光源的功率不夠了。 業(yè)界需要找到更好的光源，而SSMB-EUV光源就是選擇之一。
三、SSMB-EUV同步輻射光源
這是清華唐傳祥、鄧秀杰2022年在《物理學(xué)報(bào)》上發(fā)表的《穩(wěn)態(tài)微聚束加速器光源》綜述文中的總結(jié)。綜述文顯然對(duì)SSMB成為更好的EUV光源抱有較大希望。 ? ? 相關(guān)的科學(xué)“師承”與重要成果大約是： 1. 1971年，趙午從臺(tái)灣到紐約州立大學(xué)石溪分校師從楊振寧。楊振寧讓趙午學(xué)習(xí)科朗的加速器課程，1974年趙午博士畢業(yè)時(shí)，很有眼光地說(shuō)服他不要選前途不大的高能物理領(lǐng)域，把加速器當(dāng)主要研究方向。趙午成為加速器領(lǐng)域的頂尖學(xué)者，在美國(guó)斯坦福大學(xué)線性加速器中心任職。
2. 2010年，趙午與博士生Ratner提出了SSMB的設(shè)想，但學(xué)術(shù)界和業(yè)界沒人有興趣。2015年趙午意識(shí)到，要主動(dòng)在學(xué)術(shù)會(huì)議上宣傳想法。 3. 趙午成為清華大學(xué)客座教授，楊振寧也在清華，幫助建立了SSMB研究團(tuán)隊(duì)。 4. 清華團(tuán)隊(duì)與德國(guó)團(tuán)隊(duì)合作，2018年在德國(guó)馬普所的ELBE環(huán)形加速器上進(jìn)行了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。之后取得了突破，數(shù)據(jù)很好，開了茅臺(tái)慶祝，相關(guān)成果2021年發(fā)表在《自然》上。 5. 中國(guó)意識(shí)到SSMB-EUV光源對(duì)***研發(fā)的關(guān)鍵作用，在雄安進(jìn)行了科學(xué)裝置投資建設(shè)。
2021年2月，《自然》發(fā)表的SSMB論文
從清華2023年初的官方新聞看，雄安SSMB項(xiàng)目出發(fā)點(diǎn)就是為了芯片“卡脖子”，有部委支持?？梢钥闯觯?xiàng)目選址地點(diǎn)有了，建筑模型有了，但應(yīng)該還在落地過程中，啥時(shí)能建成不太清楚。 因此，SSMB-EUV光源從科學(xué)原理上，國(guó)際頂刊《自然》認(rèn)可。在實(shí)際工程上，也已經(jīng)開干了，落地雄安。所以，這事絕對(duì)不是忽悠，研究團(tuán)隊(duì)是真的要把SSMB-EUV光源給干出來(lái)，數(shù)億的投資應(yīng)該批下來(lái)了。 要注意到，SSMB目前顯然還是在科研階段，雄安在建的SSMB新型加速器，是要建立科研平臺(tái)，把SSMB-EUV光源的性能提升。這離實(shí)際造出EUV***還差很遠(yuǎn)，不宜過分樂觀。
LPP-EUV光源從提出設(shè)想到開發(fā)成功，到進(jìn)入實(shí)際工業(yè)應(yīng)用量產(chǎn)，有超過20年的時(shí)間。ASML開發(fā)出EUV原型機(jī)用了13年，到實(shí)際量產(chǎn)應(yīng)用，又是近10年。 在卡脖子的壓力下，如果科學(xué)原理與工程上都是可行的，中國(guó)的進(jìn)度會(huì)快許多，但也不太可能立刻解決問題。本文無(wú)法對(duì)時(shí)間進(jìn)度作出估計(jì)，主要還是介紹相關(guān)技術(shù)背景。其實(shí)最重要的還是，SSMB-EUV光源進(jìn)行工業(yè)光刻應(yīng)用是否可行。只要可行，相信中國(guó)一定能干出來(lái)。 為了幫助對(duì)科學(xué)感興趣的讀者理解，后面介紹下SSMB同步輻射光源的科學(xué)原理。
SSMB，就是Steady-State Micro-Bunching，穩(wěn)態(tài)微聚束。這個(gè)“聚束”，說(shuō)的是電子聚集。SSMB光源，是說(shuō)其中的電子在接近光速的情況下，在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，會(huì)在切線方向發(fā)出電磁輻射，也就是光。而這就是同步輻射（SR，Synchrotron Radiation）加速器出光的原理。電子在加速器里因?yàn)榇艌?chǎng)約束繞圈，一秒能幾百萬(wàn)圈，相當(dāng)于存儲(chǔ)在環(huán)里，一邊繞一邊發(fā)射電磁波。由于電子速度非常高，數(shù)量不少，能量也就不低，發(fā)出的電磁波就很多。 為什么叫同步輻射，其實(shí)是歷史的誤會(huì)，最初發(fā)現(xiàn)電子發(fā)出切線方向的光，是在通用電器的一個(gè)同步加速器里，所以這么叫了。同步輻射光源本身沒有啥同步的，特點(diǎn)是全光譜、亮度高、窄脈沖、高準(zhǔn)直。
全光譜就是說(shuō)，從紅外到深紫外（EUV）乃至X射線的光譜都有。亮度高，就可以象X光機(jī)一樣，用來(lái)探查物質(zhì)的內(nèi)部，而且比X光機(jī)功率更高，探查能力更厲害。其中一些EUV光可以用來(lái)作光刻研究，前面說(shuō)了，工業(yè)化量產(chǎn)是不行的，效率太低。
“功率較低”就是傳統(tǒng)同步輻射光源的弱點(diǎn)。雖然同步輻射光比X光機(jī)要更亮，但是人們總想要更高功率，工業(yè)應(yīng)用要求很極端，EUV光刻就是一個(gè)。同步輻射光源為什么功率低，是因?yàn)殡娮邮L(zhǎng)度太大，沒有相干性，電子發(fā)出的電磁輻射是“非相干疊加”，功率就不高了。
1971年提出的改進(jìn)辦法是“自由電子激光”FEL（free-electron laser），關(guān)鍵是有一個(gè)“波蕩器”（Undulator）。電子產(chǎn)生后直線加速到接近光速，在波蕩器里偏轉(zhuǎn)發(fā)出SR。但是與電子轉(zhuǎn)圈的加速器磁場(chǎng)不一樣，這個(gè)波蕩器的磁場(chǎng)是震蕩的，通過巧妙的安排，電子束團(tuán)就會(huì)變成“微聚束”長(zhǎng)度縮得很短，更加聚集，還有相干性了，出來(lái)了“相干輻射”（Coherent radiation），功率指數(shù)增加直到上限，亮度能比傳統(tǒng)同步輻射高上億倍，當(dāng)然是脈沖的。 SRF-FEL（SRF是超導(dǎo)射頻）也成為下一代EUV光源的選擇之一，功率是強(qiáng)了，但是造價(jià)高。注意這個(gè)FEL裝置是直線放置的。
穩(wěn)態(tài)微聚束的關(guān)鍵思想，是在傳統(tǒng)同步輻射加速器的電子存儲(chǔ)環(huán)里面，引入了激光調(diào)制。本來(lái)電子在存儲(chǔ)環(huán)里，形成聚束是用“微波射頻腔”（RF cavity）做的，改用復(fù)雜得多的激光調(diào)制系統(tǒng)，加上扭擺磁鐵，橫向縱向下手調(diào)制，巧妙地把電子束更加完美地聚集在一起。SSMB能在《自然》上發(fā)表文章，就是說(shuō)怎么實(shí)際下手，證明了電子束形態(tài)確實(shí)更加完美了。
清華與德國(guó)團(tuán)隊(duì)SSMB實(shí)驗(yàn)結(jié)果
上圖，圖ab是沒有經(jīng)過激光調(diào)制的波形，是寬的。圖cd是激光和磁鐵進(jìn)行了一次調(diào)制的結(jié)果，中間五個(gè)束冒出來(lái)了。圖ef是加了個(gè)濾波的結(jié)果，結(jié)果更明顯了。當(dāng)然實(shí)驗(yàn)只干了一次調(diào)制，繼續(xù)調(diào)制應(yīng)該是有技術(shù)困難要克服，是后續(xù)工作。
SSMB就產(chǎn)生了和FEL類似的“微聚束”，但是關(guān)鍵還加上了“穩(wěn)態(tài)”。FEL不是穩(wěn)態(tài)，電子團(tuán)在波蕩器里自由互相作用，最后發(fā)出強(qiáng)光完事。SSMB是讓電子束在存儲(chǔ)環(huán)里繞圈，這樣就有可能是“穩(wěn)態(tài)”的，對(duì)于重復(fù)發(fā)光很重要。也就是兩個(gè)特性結(jié)合：微聚束的相干輻射發(fā)強(qiáng)光 + 存儲(chǔ)環(huán)高重頻。
清華研究論文認(rèn)為，這兩個(gè)特性結(jié)合，SSMB-EUV光源進(jìn)行光刻就很有潛力?？瓷先ナ潜戎本€的SRF-FEL好，更加好控制。讓電子束在存儲(chǔ)環(huán)里轉(zhuǎn)圈，需要發(fā)強(qiáng)光了，就讓微聚束發(fā)出相干輻射，導(dǎo)出EUV光源進(jìn)行光刻。
據(jù)趙午2021年在楊振寧學(xué)術(shù)思想研討會(huì)上的視頻介紹，SSMB-EUV光源做***的優(yōu)點(diǎn)是：只要三塊反射鏡（因?yàn)镾SMB-EUV光源比LPP-EUV光源要純凈），鏡片面積要求也小得多，只要十分之一。這看上去是巨大的優(yōu)點(diǎn)，光源質(zhì)量上比ASML的EUV***強(qiáng)，整機(jī)開發(fā)難度肯定能下降不少，鏡片的要求就降低了。
但是這巨大優(yōu)點(diǎn)，前提是SSMB-EUV光源開發(fā)成功。SSMB后續(xù)開發(fā)有不少難點(diǎn)，在《物理學(xué)報(bào)》的論文綜述中都實(shí)在地提出了，技術(shù)細(xì)節(jié)較為難懂。一類是微聚束在存儲(chǔ)環(huán)中產(chǎn)生與維持的問題，一類是SSMB相干輻射發(fā)光的問題，都需要很多后續(xù)研究。
電子微聚束聽上去不錯(cuò)，但是電子在轉(zhuǎn)彎，會(huì)縱向滑移，聚束就沒法維持了。激光和電子微聚束要以巧妙的角度調(diào)制，怎么保持好角度，也很困難。這類實(shí)際問題，在工程中會(huì)成為巨大的麻煩，讓看上去不錯(cuò)的理論結(jié)果遲遲無(wú)法成功落地，出現(xiàn)一時(shí)難以克服的大問題幾乎是必然的。
這也是科研中常見的現(xiàn)象，實(shí)際搞研發(fā)的人一身冷汗，一堆問題等著解決，在加班加點(diǎn)絞盡腦汁。外界看見點(diǎn)苗頭，就說(shuō)得好象成功在即了，美國(guó)技術(shù)封鎖馬上完蛋了。有些人甚至把北京的加速器圖片拉來(lái)說(shuō)是光刻廠，其實(shí)完全不相干。
個(gè)人判斷，SSMB-EUV是一個(gè)好方向，從理論上很有潛力，相比LPP-EUV光源優(yōu)勢(shì)明顯。如果最終SSMB加速器建成，成功地提供EUV光源進(jìn)行光刻，這確實(shí)是一個(gè)模式突破，從小型的EUV***，變成靠大型裝置解決問題。
但是最終成功還有兩大步要跨越。一個(gè)是SSMB加速器落地雄安，產(chǎn)生出了高質(zhì)量的EUV光源，搭建好以大科學(xué)裝置為基礎(chǔ)的研發(fā)平臺(tái)。再一個(gè)是以優(yōu)質(zhì)的SSMB-EUV光源為基礎(chǔ)，以量產(chǎn)為目標(biāo)，研發(fā)適配的EUV***，雖然難度應(yīng)該比ASML的LPP-EUV光源的***要低，但也是很困難的。
EUV***有光源、工件臺(tái)、物鏡、激光干涉儀等關(guān)鍵部件，每個(gè)部件的開發(fā)都非常難。更困難的是，將所有部件組合成完整的系統(tǒng)時(shí)，互相匹配會(huì)很困難，甚至顧此失彼發(fā)生沖突。
一個(gè)研發(fā)選擇是，清華SSMB加速器出光以后，不是直接研發(fā)EVU***，而是先與DUV***對(duì)接，光束能量損失較小，先在難度低一點(diǎn)的平臺(tái)上完成階段任務(wù)。
這幾大步即使成功，時(shí)間不會(huì)太短。但是，中國(guó)在美國(guó)倒逼幫助下，開始想各種辦法解決極為困難的科學(xué)與工程問題，許多人將奇思妙想與工程實(shí)現(xiàn)結(jié)合，這個(gè)過程將是激動(dòng)人心的。越是困難的問題，成功的收獲越是巨大，我們可以學(xué)習(xí)了解科學(xué)原理與技術(shù)背景，并耐心等待。
■?作者簡(jiǎn)介 ? 陳經(jīng) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)士，香港科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)碩士，科技與戰(zhàn)略風(fēng)云學(xué)會(huì)會(huì)員，《中國(guó)的官辦經(jīng)濟(jì)》作者。 ? ?
編輯：黃飛
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