EUV不能只靠高NA，大功率光源也该提上日程了

作为目前最先进的半导体制造设备，EUV光刻机的诞生是由各个部件在技术上的集体突破才最终成型的，比如光刻胶、掩膜板和镜组等等。但最为关键的还是EUV名号中的极紫外光的生成方式，也就是EUV光刻机的光源。

EUV光刻机的核心光源

与传统的准分子激光直接生成的DUV光源不同，EUV采用的是一台二氧化碳气体激光器，通过轰击液态锡形成等离子，从而产生13.5nm的EUV光源，传入EUV的光学系统中。这也就是我们目前最为成熟的EUV光源，利用激光等离子体（LPP）的原理来实现。

在现有的EUV光刻机路线图中，我们看到ASML这样的厂商已经开始在着手开发高NA的EUV光刻机了。这是因为在光刻机曝光分辨率的公式R=kλ/NA中，进一步提高NA就能提高分辨率，而k为工艺因子，存在着0.25的理论极限值。那么为何不进一步减小EUV光源的波长呢？

在光刻机冗长的发展历史中，减小光源波长确实是跨越世代的核心突破之一，比如365nm的i-line到248nm的KrF DUV，再到193nm的ArF DUV等。但光源的波长并不是这么好减小的。

EUV光学系统 / ASML

大家可以看一下蔡司为EUV光刻机打造的这套光学镜组系统，包含了各种复杂的反射镜，这是因为13.5nm的光源很容易被各种材料吸收，所以需要在真空环境中搭建这么一套系统，即便是现在的13.5nm也是不断筛选才确定下来的。

下一步，更大功率

EUV要解决的不仅是波长问题，更重要的是，ASML的LPP EUV光源中，激光器需要达到20kW的功率，而这样的发射功率经过重重反射，达到焦点处的功率却只有350W左右。

更小的功率并不是说不能正常运行，只是对于这样一台售价上亿美元的机器来说，这样的功率还不足以最大化利用率，尤其是到了3nm和2nm节点后。据预计，为了最大化扫描速度，克服随机效应带来的影响，3nm节点需要1500W的焦点功率，2nm节点需要2800W的焦点功率。而这样的功率是目前的LPP EUV达不到的，加大EUV光源功率可以说是迫在眉睫了。

清华大学工程物理系的唐传祥研究组与合作团队，就提出了以新型粒子加速器光源“稳态微聚束（SSMB）”来作为EUV光刻机光源的验证，以实现更大的平均功率，让未来的EUV光刻机具备向比13.5nm更短的波长扩展的能力。

根据其论文中展示的数据，SSMB可以实现平均功率大于1kW的EUV光输出，甚至有可能扩展到下一代采用波长6.xnm的Blue-X光刻或BEUV光刻。然而，如果想要应用于EUV这样短波长波段，SSMB光源在激光调制器、长脉冲注入系统和直线感应加速器上都存在较大技术挑战，所以仍需要深入研究才有机会落地。

除了SSMB外，日本等国家也在研究使用能量回收型直线加速器（ERL）的FEL（自由电子激光）方案，这种方案的极限功率更高，最高可实现10kW的EUV光，更重要的是，这套方案的碳足迹更低。根据日本高能加速器研究机构给出的数据，FEL可以做到近LPP方案7分之一的耗电成本。不过与SSMB一样，这类光源也存在不少需要突破的技术难点，而且造价只会更高。

结语

虽然我国对于EUV光刻机这类设备的突破需求迫切，但作为当下最复杂的半导体制造设备，需要从各个组件上都找到突破，全环节验收后才能造出这样一台成本高昂的机器。哪怕是ASML，也是在蔡司为其交付首个EUV光学组件系统的5年之后，才造出首台原型EUV光刻机的，实机的量产更是到了七八年之后。所以我们必须寻求基础学科上的研究创新，并长期投入，这样才有弯道超车的机会。

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