与其在别人的规则下苦苦追赶，不如划下自己的规则让对手颤抖。

01

EUV光源到底哪难？

目前全球7nm及以下制程芯片，都离不开EUV（极紫外线）光刻机，其制造难度可想而知。

光源系统无疑是光刻机内部最难造的部件。先介绍一个在光刻领域和摩尔定律同样重要的公式“瑞利判据”：光源波长越小，光刻机分辨率就越高。

以光源波长划分，最早的UV（紫外线）发展到DUV（深紫外线），再到目前最先进的EUV，波长一路从400纳米走到了13.5纳米，分辨率也确实不断迭代。

但是这个13.5纳米波长的光源并不好找，研究人员在EUV诞生前的几十年间尝试了多种路线。以光源产生原理来划分EUV路线，EUV光源可分为LPP（激光等离子体）、DPP（放电等离子体）、SR（同步辐射）、SRF-FEL（超导高重频自由电子激光）、SSMB（稳态微聚束）五种。

其中，LPP-EUV利用高功率的二氧化碳激光器，轰击液态锡形成等离子体，从而产生EUV光源。相当长一段时间内，DPP光源都是和LPP光源同场竞技的主要“选手”，但没有真正步入应用。

随着半导体制程向1～3纳米级挺近，EUV需要的光功率将达到千瓦量级，此时LPP-EUV光源的功率将遇到瓶颈，其余三种利用粒子加速器实现的光源可能会成为主流，但现在还是LPP为主流。

综合成本、功率等各类商业考量，目前阿斯麦生产的EUV光刻机主要使用的还是LPP光源。

这套LPP-EUV光源系统的制造难点，和光源本身物理特性以及材料科学、工程实现等方面脱不开关系，要不怎么说它是“工业皇冠”呢？

举个例子，仅仅是产生、有效输出EUV光源就已经让研究员花尽心思。

EUV它并非自然存在，而是需人工制造的。其中，LPP造光的原理有点像用乒乓球去连续两次击打空中的苍蝇，需要极高的精度和能量控制，如何维持稳定性和功率是关键难点。

EUV光源系统想要作业，激光器要先发射出一道低能激光，去击打以每秒250米速度自由下落的金属锡滴——这些直径仅20微米，比头发还细3倍的锡滴，由喷射系统以每秒5万颗的频率射出。当锡滴被压扁成薄饼状时，第二道高能激光要立刻打来，将锡滴轰成等离子体，并在激光离开时辐射释放出EUV。

这个激光器制造难度相当大，能量转化率还低得离谱：从二氧化碳激光器输入电能到最终输出EUV光能，转换效率最高只有5.5%，这还是经历了历次迭代才有的水平，最初这个数据只有0.8%。目前，一台EUV光刻机工作24小时，耗电量能达到恐怖的3万度。

但是，转化效率只是指电能转化为EUV光能的比例，而功率则是实际输出的EUV光功率——就是它让LPP光源脱颖而出。

成本高又复杂的LPP光源之所以能被市场选中，正是因为其输出功率恰好是所有技术路线中最高的。“只有光源功率足够大，才能提高光刻机的吞吐量，晶圆厂的经济效益才会得到保障”，客户想要，阿斯麦等企业自会投入研发。

此外，能用波长多少纳米的光，决定权并不完全在于造出什么样的EUV光源，还和光刻机能收集到什么样的光源息息相关。

13.5纳米的极紫外光特别容易被吸收，哪怕是空气，所以传统透镜无法使用，必须用反射镜；但反射率又低，还很容易发生衍射，这增加了复杂性。

阿斯麦的EUV光刻机中用的是十一面极高精度的钼/硅反射镜，每面反射镜上面都有数十层镀膜来保证它们既能提高对EUV的反射，还能吸收杂光。同时，每一层镀膜只有几纳米厚，表面必须要达到极致的光滑洁净，这对制造工艺要求极高。

02

国内EUV也有关键突破

其实整个EUV光源系统的原理并不复杂，只要有高功率的激光器、高性能的喷射系统，再加上高效率的收集系统，就能攻克这一高端光刻机核心部件。

但从上面的简单描述也能看出，光学设计方面就已经是精益求精、追求极致，更别说还要有特定的工作环境、要解决发射系统污染等杂七杂八的各种难关。

中国科学院上海光学精密机械研究所王向朝研究员曾经指出，光刻机是“大系统、高精尖技术与工程极限高度融合的结晶”。那我国目前进度如何？

能确定的是，国产光刻机已经能突破28纳米节点，但仍要依赖部分进口组件，比如高端镜头镀膜工艺仍然需要德国蔡司技术；其次就是稳定性和量产一致性尚未达到国际一流水平。

至于EUV光源方面，国内研究机构其实也有一些关键突破。

比如我们上面提到的发射系统会造成污染，导致反射镜产生损耗。那么贵的反射镜当然不能轻易作为耗材，所以必须有抗污染手段。

早在2020年，中国科学院上海光学精密机械研究所（下简称“上海光机所”）就申请了一个《基于等离子体约束的LPP-EUV光源系统》的专利，简单来说就是通过电磁场或磁约束技术，来约束等离子体产生的碎片，我们在核聚变技术中也看到过这种技术。

之后，上海光机所林楠研究员团队也有相关的论文发布，都是要解决EUV光源的稳定性和功率瓶颈。虽然这都不代表我国已经有了可以产业化的EUV光源系统，但至少说明我国在这个领域的研究一直在推进，并且有了一定的成果。

习近平总书记在参加十四届全国人大二次会议江苏代表团审议时提出：“要牢牢把握高质量发展这个首要任务，因地制宜发展新质生产力。”想要实现光刻机的自主可控，来支撑国内汽车芯片、工业控制等领域的国产替代需求，仍然要持续的研发投入和产业协同。

033

日本

曾经的光刻大佬，如何换道？

在光刻机领域还有一个略显奇怪的“失意者”，那就是一向擅长光学技术和精密机械的日本。

作为一个光学大国，日本光学巨头佳能和尼康是早早就进入了光刻行业，当它们俩家凭借日本半导体产业崛起而处于行业头部时，荷兰的阿斯麦还是一个刚刚接盘飞利浦光刻业务的小公司；但是这个当年不起眼的阿斯麦，却能在几十年后稳稳占据光刻设备制造的头把交椅，日本企业却只能抓住部分零部件供应或者在技术上另觅出路。

追本溯源，日本和阿斯麦几乎是两个发展思路。当阿斯麦有诸多短板时，并没有拘泥于本国甚至欧洲，而是不断从外部“摇人”入局：光学镜不行就找德国蔡司，光源系统就找美国供应商Cymer……现在其EUV光刻机90%的零部件都不是荷兰本土生产的，这也是阿斯麦全球布局的最佳成果展现。

而日本虽上下游产业完善，但还是有三个致命的阻碍。首先是投入不够，日本政府、尼康等企业对光刻设备的投入并不大，一个要在乎国民反应，一个要在乎股东情绪，没一个敢像欧美EUV联盟那样大手笔持续投入。

其次就是路线选择错误，为了节省成本选择了比较简单的DPP-EUV路线，但商业化难度却更高了；还有就是下游的支持不够多，光专注日本的半导体产业还是比不上阿斯麦与台积电、英特尔的深入合作，产线验证能更快得到结果进而迭代。

日本现在除了在拥抱国际厂商外，还试图换道超车，比如佳能研究二十几年的“纳米压印”技术。纳米压印就是像盖图章一样造芯片，相对于光刻机效率更高、精度更高、成本更低，目前已经能实现最小线宽14纳米的图案化，相当于主流光刻机能做到的5纳米制程芯片。

能做出来也不代表着规模化、产业化，能不能和阿斯麦并驾齐驱还要再观察，但至少说明，日本本土光刻机厂商也没有放弃追赶。

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编辑｜张毅

主编｜黎坤

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