“大型EUV光刻厂”的设想，靠谱吗？

本文来自微信公众号：风云之声（ID：fyvoice），作者：陈经、袁岚峰，原文标题：《EUV光刻厂？芯片制造与光刻的工程技术与科学原理介绍 | 陈经》，题图来自：视觉中国

近日清华提出的SSMB-EUV光源技术忽然引发了公众极大的兴趣。一个说法是，中国可以建加速器产生EUV光源，不同频率的光源可以给28nm、14nm、7nm、5nm等多种芯片制程使用，用“光刻厂”替代ASML一台台的EUV光刻机，以出人意料的创新思维打破美国封锁。这个设想“通俗易懂”，感觉先进的国产光刻机一下有希望了。

公众对SSMB-EUV这种很难懂的同步辐射光源产生兴趣，根本原因是希望突破美国技术封锁，将清华的研究产业化，帮助生产出高性能国产芯片。

本文从产业工程角度，重点介绍芯片制造与光刻的一些相关技术细节，也介绍SSMB、EUV、同步辐射等相关的科学原理。了解足够的工程技术细节和科学原理之后，对于“光刻厂”这类有趣的设想，就能正确看待了。

一、芯片制造产业常识

将四价硅掺杂加入少量三价硼和五价磷做出PN结，再加上金属氧化物做个控制门，就能做成某类晶体管。海量晶体管密集排列，按特定设计互相连接，就是芯片。芯片制造最关键一步是晶圆加工，在FAB工厂里，在高纯度的硅晶圆（wafer）上面，做出一个个相同的裸芯片（die）。前面需要做出硅晶圆，后面需要将die切开，加盖、加引脚、封装、测试，难度都相对低。

首先要有概念，工业应用意义上的芯片产量是海量的，不然成本太高。如近日引发轰动的某爆款手机的芯片，业界估计有1000万颗的量，后因需求火爆增至1500~1700万颗，又再上调到2000万颗。

上千万颗芯片，如何在不太长的时间内制造出来？关键是一片wafer上能一次性制造出大量完全一样的die。以12寸晶圆（指英寸，还有8寸、6寸的）为例，它的直径是约300毫米，面积是70659平方毫米。先进芯片的晶体管密度能达到惊人1平方毫米1亿个，整个芯片有上百亿个晶体管，完成复杂的5G基带与手机SOC功能。假设一个die面积是140平方毫米，一片wafer上就可能有约500个die的位置。

芯片制造有“良率”的概念，简单地说，如果这500个die在FAB加工完毕，下单的商家拿去一测，发现有400个是功能合格的“活”die，良率就是80%。先进芯片加工的良率有时不高，但也不会太低，不然没有商业意义了。如按50%估计，一片wafer也应该有200个以上的die是活的。

FAB工厂的产能一般用每月能加工多少万片wafer来说明，多的可以1个月10万片，少的也有1万片。如果每月1万片，每片200个活die，一个月就有200万颗芯片，一年能生产出2000万颗以上的芯片了。

有些不懂的人会以为，芯片制造全靠光刻机，工厂就是有个核心机器光刻机，晶圆送进去，里面用光在上面把芯片“刻”出来，主要的加工就完成了。如有的人说，买到100个光刻机，就能建100条芯片生产线，可能就是这么简单理解的。

其实更合适的说法是，芯片上的晶体管是“蚀刻”出来的。用等离子体物理冲击或者化学药水浸泡之类的办法，在wafer上造出沟沟槽槽，最后就把晶体管的形状挖出来了。但是哪挖哪不挖，这是由光刻引导的。可以说，凡是要蚀刻了，都要先光刻，通过“掩膜板”（mask，光罩）告诉蚀刻冲哪下手。而且挖沟槽的办法非常复杂，有时要反复地挖，经常还要在上面沉积覆盖一层各种材料。每一步做完，还得清洗。

实际FAB加工晶圆的步骤极为复杂，多的可能要上千步，光刻就要反复做多次，一般需要多个光刻机。一个复杂的先进制程芯片，用于光刻的一套光罩就可能有好几十个。重要步骤需要精度高的光刻机，也有精度要求低些的，可以用低配的光刻机。如wafer上的晶体管层做好以后，在上面做连接的金属导线层，精度要求就低不少，因为可以象建楼房一样，分成好几层来放导线，每一层导线的间隔可以宽一些。

一片wafer开始加工，到最终变成die交付给客户，因为步骤很多，过程可能要几个月。这往往是因为，生产线上的机器，不只是生产一个芯片，会排班加工别的wafer。如何安排，将不同芯片的wafer在指定的时间送到指定的机器上，是FAB生产流程管理的重要问题。即使全力保证一个芯片的加工流程先跑，工序多的，一片wafer怎么也要一两个月才跑完。

客户让FAB加工芯片，不是下单就有，即使追加订单，也要过几个月才有。无论如何，几个月就能生产出上千万颗芯片，这是海量的加工能力，量上来了，单个芯片才不会太贵。所以，FAB的生产能力是芯片工业应用的关键，一个月要起码能处理一万片这么多的wafer。

而且，光刻机处理一个wafer，不是一次能完事的，基本会来好几次，有时要多重曝光，要上十次。所以，即使只处理一个芯片产品，一个月只做1万片，一个光刻机可能也要做10万次光刻。FAB是周末也不敢让机器停的，要排班开工，一个月30天，每天可能要光刻3000次，光刻机平均一个小时做一百次光刻，是很常见的节奏。

因此，从工业生产的角度粗略估算，光刻机要1分钟不到就把一片wafer上的几百个die都光刻完。每个die分到的光刻时间，只有0.1秒这个级别。如果搞不过来，就得加多个光刻机并行处理了。

可以看这个光刻机工作的视频：

先进的光刻机就是这么快速运作的。一片wafer放在工作台上，工作台在磁悬浮系统操控下，不停地游动，看上去根本就没有静止。其实这是在“步进扫描”，工作台在按某种自动程序走走停停，停下来就是对准了，在0.1秒时间内光线打下来瞬间完成光刻，把光罩上的图案投影到某个die的区域（实际是shot，可以简单理解成一个die的大小），和上面涂的特种光刻胶发生“光化学反应”，完成曝光。曝光快速完成，工作台又快速步进扫描到下一个位置，看上去和没停一样。

走走停停的加速度非常大，对工作台运动控制、定位的精准度要求非常高，这也是光刻机制造的最核心难点之一。

ASML的光刻机型号有TWINSCAN的说法，从运作录像上看，是两个工作台在下面游动。这并不是两个工作台同时在进行光刻，而是一个在步进扫描光刻，一个在“预对准”。预对准是说，测量台上一片wafer上几百上千个die的区域，先用量测工具扫描一通，判断好是怎么排列的，每一步要跳多少纳米过去才能精确对准，把这些数据先记下来。等在光刻的那个工作台处理完了，立刻就把预对准的这个工作台挪过去，按测量好的数据安排好步进扫描的自动程序开始光刻。

无论是EUV光刻机还是DUV光刻机，都是很先进的机器，关键在于工业生产的量和速度要求非常高。如果慢腾腾地每一步都要重新对准，假设光刻机一分钟才能处理一个die，一天也就处理1000多个die，只能搞完一两片wafer，那工厂不要开门了，早赔死了。

这是一般人不知道的，不理解光刻机要快速自动精准连续运作，对要求有多高不清楚，容易低估工业应用级别光刻机的性能要求。

用同步辐射EUV光源进行芯片加工，其实不是新鲜事。最早的时候，研究者就是用同步辐射加速器的EUV光源进行芯片工艺研究的，现在也一直都有，经常有论文。如保罗谢勒研究所，长期用瑞士的同步辐射加速器探索EUV光刻的新技术，在学术界，EUV光源也称之为软X光。但是这类研究的特点是不讲究“量产”，也不需要省时间，慢慢地做几片，测一些数据，就可以发表有探索意义的发现了。以前没有能工业应用的EUV光源，就是这么搞研究的。

从产业角度看，芯片业最重要的还是要工程应用，要量产，要经济意义上成立。通过上面的计算可知，这个要求特别高，量产的良率与生产速度不可思议地高。如果对芯片制造产业流程没有深入了解，会很难想象，现代的FAB怎么可以如此快速地加工生产出海量的芯片。

这也是有个过程的，一开始手工制造芯片，或者半自动半手工，产量都高不上去。1977年7月，邓小平与30位科技界代表在人民大会堂座谈，半导体学界的王守武说：“全国共有600多家半导体生产工厂，其一年生产的集成电路总量，只等于日本一家大型工厂月产量的十分之一。”这就是手工与自动的区别，看着芯片制程差距不大，实际背后的制造流程差异很大，技术水平差异很大。

现在，中国一天可以生产10亿颗芯片了，进步非常大，都是自动化机器干出来的。芯片制造已经必然是机器自动做的，人只能去管理机器。机器生产芯片，各个流程在非常快速地流转，是标准的流水线生产模式。只是芯片FAB生产线容易出问题被迫停下，需要很多有技术的人来维护生产线顺畅运行，这一点比其它商品的生产线要困难得多。

二、DUV、LPP-EUV光源

上面说的芯片制造过程，对传统芯片（28nm及以上）和先进制程芯片（14nm及以下）都是通用的。目前用的光刻机主要是DUV的，193nm波长的光源是ArF（氟化氩）准分子激光器生成的，浸润式光刻机光在水中折射后波长变成134nm。

前面还有汞灯光源（不是激光），g线光刻机是436nm波长，i线光刻机是365nm波长。还有KrF（氟化氪）准分子激光器的248nm光源。

根据瑞利准则公式和实践结果，193nm光刻机的分辨率是波长的三分之一，能用来做65nm的芯片。浸润式光刻机的134nm波长，按规律可以做45nm的芯片。但是镜头在水里效应提升，又通过OPC补偿算法（光罩上图形的角上，弄成特定的复杂形状而非原来的方形，最终成像反而会更接近方形），最终分辨能力提升到了28nm。这就是经典的28nm芯片的由来，坊间有所谓“28nm光刻机”的说法，其实是193nm的光源。

28nm及以上制程的传统芯片，里面的晶体管是MOSFET，可以理解为一种平面的晶体管，有个控制门Gate，从上往下这“一个方向”施加电压，控制晶体管的0-1导通状态。28nm指的是Source和Drain两个栅极之间的宽度，整个晶体管有100nm以上这么宽。

FINFET晶体管就升级成“立体”的，如上图，绿色的Gate从上方、左方、右方三个方向去施加电压影响晶体管导通状态。三个方向的立体影响，比MOSFET的一个方向的平面影响要灵敏，所以FINFET晶体管的功耗更低、主频更快。但是这个晶体管，就要象鱼鳍一样，造出往上伸出的薄薄的fin，工艺要复杂多了。需要注意，FINFET晶体管在wafer上也还是一层，并没有堆出几层来，众多晶体管还是平面排列的，只是fin是立体结构对控制电压敏感了。

用DUV浸润式光刻机和FINFET晶体管工艺，可以造7nm~14nm制程的芯片。主要的办法是多重曝光，最多是四重曝光。简单地比喻，先在wafer上造出28-28-28-28nm这样间隔的线条，然后挪动14nm，再来做一套28-28-28-28nm间隔的线条，就能用双重曝光组合出14-14-14-14nm间隔的线条。如果四重曝光，就能组合出7-7-7-7nm间隔的条纹。

当然这只是类比，实际要复杂得多，但是基本原理就是把本来一张光罩做的事，拆成很多张光罩来做。到7nm，工艺就非常麻烦了，光罩数量需要非常多，但是业界优秀的公司居然真的用DUV光刻机实现了7nm芯片量产。

值得注意的是，28nm及以上的传统芯片，它的“制程”是实打实的，说28nm真实栅极距离就是28nm。而先进芯片的7nm~14nm，包括再往下的5nm、4nm、3nm芯片，栅极宽度并不是标称的值。各家制造芯片的公司各自声称，根据功耗等性能指标的改进，按摩尔定律算出来一个“等效面积”（PPA，Power Performance Area），说是7nm，实际测量可能是10nm。英特尔说的10nm工艺就是实在的，说是10nm，指标相当于别家的7nm了。

可以看出，用DUV光刻机来做7nm芯片，已经“穷尽”了招数，才能用193nm的光源，得到7nm的效果。浸润式、镜头改进、OPC补偿、多重曝光、晶体管立体化、等效面积，这才从193nm光源形式上实现了7nm的效果。用DUV光刻机加工先进芯片，工艺非常麻烦，良率低、成本高。

大家都知道，后面业界是用13.5nm的EUV光源改善了状况，所以才叫EUV光刻机。为什么从193nm光源直接就跳到了13.5nm？之前436-365-248-193nm这样降，后面不应该是再降一点么？

本来确实是这个想法，业界（主要是日本尼康）试了157nm的F₂（氟气）准分子激光器光源，光刻机也造出来了。悲剧的是，157nm波长的光，很容易被各种材料吸收掉，曝光性能很不好，要抽成真空来才行，很麻烦。所以业界放弃了157nm波长光刻机，类似波段的光都有被材料吸收掉的严重问题。光源需要通过反射、折射，经过空气、镜面、物镜到达wafer，必须还有足够能量用于曝光，不能被吸收得功率不足了。

最终发现13.5nm的EUV光源，经过反射以后，强度可以用来搞光刻。这是实验的结果，有很长时间的探索过程。

前面说了，工业应用的EUV光刻机要能快速准确地曝光，0.1秒这么短的时间就要和光刻胶反应好，光的功率也要足够。当工作台将wafer移到特定位置时，强度足够EUV光线就得过来，这非常困难。目前工业应用的是二氧化碳激光打在锡滴上，产生EUV光，再经过复杂的光路反射到达wafer。

这是锡滴产生EUV光源的GIF演示：

这就是LPP-EUV光源（LPP，Laser-produced Plasma），二氧化碳激光打在不断滴落的锡滴里，产生不多的一些EUV光。然后用11个镜子不断反射过滤，最终将这些EUV光引导到wafer上。由于锡滴产生的EUV光不多，主要是别的杂质光源，如何过滤、聚集、矫正光束，非常麻烦，需要很高水平的镜片系统。

据说EUV光刻机的镜片，是世界上最光滑的物体之一，超过了中子星表面。而且镜片也要非常大，超过一米的直径。如果把镜片放大到地球这么大，表面粗糙度也只有0.2毫米。这是因为镜面反射会放大误差，只有把镜面做得极为光滑平整才行。

经过多次反射以后，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光刻机是美国Cymer公司负责光源（也是EUV光刻机断供中国的技术源头），需要每秒发射5万次高功率二氧化碳激光轰击锡滴，技术难度非常高。

因此，EUV光刻机比DUV光刻机难得多。DUV光源是准分子激光器直接产生的，EUV光源只能间接产生一些。但是DUV光刻机的镜头组、对准系统，也是非常困难的，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，主要还是光源系统更为复杂。因为光源的能量绝大多数浪费掉了，还有额外的散热问题，风冷水冷一堆麻烦事。

还有坏消息，EUV光刻机的光源功率做不上去了，也就是500W。EUV光刻机对于3nm芯片加工就有些吃力了，成本很高，一般客户已经不敢下单了，有需求不足的问题。再往下做，不是成本的问题，是光源的功率不够了。

业界需要找到更好的光源，而SSMB-EUV光源就是选择之一。

三、SSMB-EUV同步辐射光源

这是清华唐传祥、邓秀杰2022年在《物理学报》上发表的《稳态微聚束加速器光源》综述文中的总结。综述文显然对SSMB成为更好的EUV光源抱有较大希望。

相关的科学“师承”与重要成果大约是：

1. 1971年，赵午从台湾到纽约州立大学石溪分校师从杨振宁。杨振宁让赵午学习科朗的加速器课程，1974年赵午博士毕业时，很有眼光地说服他不要选前途不大的高能物理领域，把加速器当主要研究方向。赵午成为加速器领域的顶尖学者，在美国斯坦福大学线性加速器中心任职。

2. 2010年，赵午与博士生Ratner提出了SSMB的设想，但学术界和业界没人有兴趣。2015年赵午意识到，要主动在学术会议上宣传想法。

3. 赵午成为清华大学客座教授，杨振宁也在清华，帮助建立了SSMB研究团队。

4. 清华团队与德国团队合作，2018年在德国马普所的ELBE环形加速器上进行了改进实验。之后取得了突破，数据很好，开了茅台庆祝，相关成果2021年发表在《自然》上。

5. 中国意识到SSMB-EUV光源对光刻机研发的关键作用，在雄安进行了科学装置投资建设。

2021年2月，《自然》发表的SSMB论文

清华河北分院对于雄安SSMB项目落地的报导

从清华2023年初的官方新闻看，雄安SSMB项目出发点就是为了芯片“卡脖子”，有部委支持。可以看出，项目选址地点有了，建筑模型有了，但应该还在落地过程中，啥时能建成不太清楚。

因此，SSMB-EUV光源从科学原理上，国际顶刊《自然》认可。在实际工程上，也已经开干了，落地雄安。所以，这事绝对不是忽悠，研究团队是真的要把SSMB-EUV光源给干出来，数亿的投资应该批下来了。

要注意到，SSMB目前显然还是在科研阶段，雄安在建的SSMB新型加速器，是要建立科研平台，把SSMB-EUV光源的性能提升。这离实际造出EUV光刻机还差很远，不宜过分乐观。LPP-EUV光源从提出设想到开发成功，到进入实际工业应用量产，有超过20年的时间。ASML开发出EUV原型机用了13年，到实际量产应用，又是近10年。

在卡脖子的压力下，如果科学原理与工程上都是可行的，中国的进度会快许多，但也不太可能立刻解决问题。本文无法对时间进度作出估计，主要还是介绍相关技术背景。其实最重要的还是，SSMB-EUV光源进行工业光刻应用是否可行。只要可行，相信中国一定能干出来。

为了帮助对科学感兴趣的读者理解，后面介绍下SSMB同步辐射光源的科学原理。

SSMB，就是Steady-State Micro-Bunching，稳态微聚束。这个“聚束”，说的是电子聚集。SSMB光源，是说其中的电子在接近光速的情况下，在磁场中偏转，会在切线方向发出电磁辐射，也就是光。而这就是同步辐射（SR，Synchrotron Radiation）加速器出光的原理。电子在加速器里因为磁场约束绕圈，一秒能几百万圈，相当于存储在环里，一边绕一边发射电磁波。由于电子速度非常高，数量不少，能量也就不低，发出的电磁波就很多。

为什么叫同步辐射，其实是历史的误会，最初发现电子发出切线方向的光，是在通用电器的一个同步加速器里，所以这么叫了。同步辐射光源本身没有啥同步的，特点是全光谱、亮度高、窄脉冲、高准直。

全光谱就是说，从红外到深紫外（EUV）乃至X射线的光谱都有。亮度高，就可以象X光机一样，用来探查物质的内部，而且比X光机功率更高，探查能力更厉害。其中一些EUV光可以用来作光刻研究，前面说了，工业化量产是不行的，效率太低。

“功率较低”就是传统同步辐射光源的弱点。虽然同步辐射光比X光机要更亮，但是人们总想要更高功率，工业应用要求很极端，EUV光刻就是一个。同步辐射光源为什么功率低，是因为电子束长度太大，没有相干性，电子发出的电磁辐射是“非相干叠加”，功率就不高了。

1971年提出的改进办法是“自由电子激光”FEL（free-electron laser），关键是有一个“波荡器”（Undulator）。电子产生后直线加速到接近光速，在波荡器里偏转发出SR。但是与电子转圈的加速器磁场不一样，这个波荡器的磁场是震荡的，通过巧妙的安排，电子束团就会变成“微聚束”长度缩得很短，更加聚集，还有相干性了，出来了“相干辐射”（Coherent radiation），功率指数增加直到上限，亮度能比传统同步辐射高上亿倍，当然是脉冲的。

SRF-FEL（SRF是超导射频）也成为下一代EUV光源的选择之一，功率是强了，但是造价高。注意这个FEL装置是直线放置的。

稳态微聚束的关键思想，是在传统同步辐射加速器的电子存储环里面，引入了激光调制。本来电子在存储环里，形成聚束是用“微波射频腔”（RF cavity）做的，改用复杂得多的激光调制系统，加上扭摆磁铁，横向纵向下手调制，巧妙地把电子束更加完美地聚集在一起。SSMB能在《自然》上发表文章，就是说怎么实际下手，证明了电子束形态确实更加完美了。

清华与德国团队SSMB实验结果

上图，图ab是没有经过激光调制的波形，是宽的。图cd是激光和磁铁进行了一次调制的结果，中间五个束冒出来了。图ef是加了个滤波的结果，结果更明显了。当然实验只干了一次调制，继续调制应该是有技术困难要克服，是后续工作。

SSMB就产生了和FEL类似的“微聚束”，但是关键还加上了“稳态”。FEL不是稳态，电子团在波荡器里自由互相作用，最后发出强光完事。SSMB是让电子束在存储环里绕圈，这样就有可能是“稳态”的，对于重复发光很重要。也就是两个特性结合：微聚束的相干辐射发强光 + 存储环高重频。

清华研究论文认为，这两个特性结合，SSMB-EUV光源进行光刻就很有潜力。看上去是比直线的SRF-FEL好，更加好控制。让电子束在存储环里转圈，需要发强光了，就让微聚束发出相干辐射，导出EUV光源进行光刻。

据赵午2021年在杨振宁学术思想研讨会上的视频介绍，SSMB-EUV光源做光刻机的优点是：只要三块反射镜（因为SSMB-EUV光源比LPP-EUV光源要纯净），镜片面积要求也小得多，只要十分之一。这看上去是巨大的优点，光源质量上比ASML的EUV光刻机强，整机开发难度肯定能下降不少，镜片的要求就降低了。

但是这巨大优点，前提是SSMB-EUV光源开发成功。SSMB后续开发有不少难点，在《物理学报》的论文综述中都实在地提出了，技术细节较为难懂。一类是微聚束在存储环中产生与维持的问题，一类是SSMB相干辐射发光的问题，都需要很多后续研究。

电子微聚束听上去不错，但是电子在转弯，会纵向滑移，聚束就没法维持了。激光和电子微聚束要以巧妙的角度调制，怎么保持好角度，也很困难。这类实际问题，在工程中会成为巨大的麻烦，让看上去不错的理论结果迟迟无法成功落地，出现一时难以克服的大问题几乎是必然的。

这也是科研中常见的现象，实际搞研发的人一身冷汗，一堆问题等着解决，在加班加点绞尽脑汁。外界看见点苗头，就说得好像成功在即了，美国技术封锁马上完蛋了。有些人甚至把北京的加速器图片拉来说是光刻厂，其实完全不相干。

个人判断，SSMB-EUV是一个好方向，从理论上很有潜力，相比LPP-EUV光源优势明显。如果最终SSMB加速器建成，成功地提供EUV光源进行光刻，这确实是一个模式突破，从小型的EUV光刻机，变成靠大型装置解决问题。

但是最终成功还有两大步要跨越。一个是SSMB加速器落地雄安，产生出了高质量的EUV光源，搭建好以大科学装置为基础的研发平台。再一个是以优质的SSMB-EUV光源为基础，以量产为目标，研发适配的EUV光刻机，虽然难度应该比ASML的LPP-EUV光源的光刻机要低，但也是很困难的。

EUV光刻机有光源、工件台、物镜、激光干涉仪等关键部件，每个部件的开发都非常难。更困难的是，将所有部件组合成完整的系统时，互相匹配会很困难，甚至顾此失彼发生冲突。

一个研发选择是，清华SSMB加速器出光以后，不是直接研发EVU光刻机，而是先与DUV光刻机对接，光束能量损失较小，先在难度低一点的平台上完成阶段任务。

这几大步即使成功，时间不会太短。但是，中国在美国倒逼帮助下，开始想各种办法解决极为困难的科学与工程问题，许多人将奇思妙想与工程实现结合，这个过程将是激动人心的。越是困难的问题，成功的收获越是巨大，我们可以学习了解科学原理与技术背景，并耐心等待。

本文来自微信公众号：风云之声（ID：fyvoice），作者：陈经、袁岚峰

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