清华光源方案或引技术革命

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新一代光刻机要来了 功率轻松破1kW，清华光源方案或引技术革命首发2023-09-14 19:56·愉悦的熊猫9Ve

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这次不假！在光刻机所需的EUV光源方面，我国可能真的处于领先地位。清华大学提出的SSMB（Steady State Micro-Bunching）光源解决方案可以实现高功率、高质量EUV极紫外光的输出。光源功率可以轻松超过1kW，是ASML即将推出的2纳米光刻机的两倍多。并且还有进一步改进的空间。

关键是SSMB光源输出的光质量出奇的好，并且通过不同的配置，可以产生各种频率的窄带光。除了常用的13.5纳米极紫外光外，SSMB光源范围从太赫兹微波到6纳米。可以输出软X射线，这可能会进一步解锁光刻机的能力，甚至引发新的芯片技术革命。

为什么SSMB光源如此牛逼？这是一个很长的故事。俗话说，没有对比就没有伤害。我们先来看看著名的ASML公司用的是什么光源。光刻机光源的波长越短，分辨率越高，雕刻越精细，可以实现更小的芯片工艺。 ASML最先进的EUV光刻机目前采用激光等离子光源（LPP-EUV），具体是锡蒸气光源，可以输出13.5nm极紫外光，以生产5nm甚至更小工艺的高端产品。芯片。

这种锡蒸气光源非常复杂。它会不断地发射出微小的锡金属液滴，然后用高功率红外激光束击中液滴，使它们瞬间蒸发成锡蒸气（等离子体）。 ），然后将激光或电子束瞄准锡蒸气以激发其中的原子。这些被激发的原子随后将跳回并辐射 13.5nm 极紫外光。

锡蒸气光源在光刻机中取得了巨大成功，但它们也并非没有缺点。最明显的就是威力低，不容易进一步提升。光源的功率越大，制造芯片的效率就越高。目前ASML正在努力实现500W的光源，这已经是相当困难的事情了。如果我们想要进一步提高激光等离子光源的功率，我们会受到相当大的限制。

这种光源的另一个主要缺点是相干性差、单色性低，这意味着产生的极紫外光的波长不太集中在13.5nm左右。这一缺点需要使用具有多层镀膜的多个反射镜对光束进行多次反射，以净化能谱，获得更纯净的13.5nm极紫外光。

这两个主要缺点实际上限制了LPP-EUV光源的能力。按照目前芯片加工和生产能力的需求，这种光源迟早会达到极限。于是人们想到了其他类型的光源，其中经常提到的同步辐射光源和自由电子激光器。

同步辐射由加速器产生。当大型加速器中的带电粒子被磁场偏转时，会沿着运动的切线方向产生同步加速器辐射 (SR)，并损失能量。这种同步加速器辐射一度被认为是“有害的”，因为它增加了能量损失并限制了粒子能量的进一步增加。但科学家们很快发现同步加速器辐射有很多优点。

例如，同步辐射光亮度高，辐射功率和功率密度高。第三代同步辐射光源的X射线亮度是X射线机的数亿倍。其他还有宽带、窄脉冲、高偏振、高纯度等，都是科学研究的有力工具。既然SR光源可以实现高亮度，那么用它作为光刻机的光源岂不是很理想吗？

确实有这样的前景，甚至有网友设想了未来的同步辐射光刻机：利用大型电子加速器的存储环，在不同位置引出多束同步辐射束，同时进行光刻生产。虽然大型加速器占地很大，可能长达数百米，投资较高，但其高亮度可以大大提高生产效率。

这种“大厂一对N”式的光刻工厂非常令人向往，但实际上却存在很多障碍。 SR同步辐射源虽然亮度高，但相干性较差。连贯性这个词并不容易理解。通俗地说，就是加速器存储环内的电子束簇不够集中，发射出的同步辐射无法形成合力。因此，平均光源功率没有预期的那么高。

与同步辐射相比，另一种光源自由电子激光器（FEL）可以实现更高的峰值亮度和更强的相干性。自由电子激光器利用直线加速器将电子加速到接近光速，然后穿过一排由扭转磁铁组成的“波荡器”。电子在内部规则地扭转，产生同步加速器辐射，同步辐射又与电子相互作用。电子束本身用于集中电子束，产生高亮度和非常集中的波长的相干辐射。亮度比同步辐射高出8到10个数量级。

自由电子激光

然而，该光源的平均功率受到直线加速器的限制。直线加速器无法在短时间内产生足够的电子束脉冲。自由电子激光器的峰值亮度虽然较高，但由于单位时间的脉冲数量不够，平均功率相对较低，这也不利于光刻。 。

那么是否有可能产生高峰值亮度的窄带辐射并增加单位时间的脉冲数量呢？清华大学的科学家想出了一个绝妙的主意：将加速器的同步辐射与自由电子激光器结合起来，出现了神奇的效果，实现了平均功率高、单色性优异的EUV极紫外光输出。 ！这就是SSMB稳态微聚焦光源。它是如何实施的？

前面提到，同步辐射光源的问题在于加速器存储环内的电子束簇不够集中。光束簇较长，从毫米到厘米不等，影响了输出光束的质量，制约了亮度和功率的提升。那么解决这个问题的方法当然是缩短束簇的长度，采用的方法就是将自由电子激光器移至环形电子加速器上。

将调制激光束添加到加速器存储环的直线部分。为了让加速器中的电子束与激光相互作用，添加了一排扭转磁铁来扭转电子的轨迹。激光调制后，电子束群再次旋转回来，束群的尺寸惊人地缩短了。这个过程称为“微聚束”。

如果电子束长度减小到3nm，就可以实现13.5nm极紫外光的输出，亮度可以达到同步辐射光源的100亿倍！由于加速器存储环可以不断补充能量，并且与没有足够脉冲的自由电子激光器相比，存储环中有很多电子束簇，可以连续产生束流，这也被称为SSMB“稳定稳定” ”。国家的微观捆绑。”

SSMB光源不仅仅是理论上的空谈。清华大学团队在德国柏林亥姆霍兹中心的加速器存储环上进行了验证实验。它采用1064nm红外激光来调制电子束组。当入射激光频率及其高次谐波频率处检测到强相干辐射输出时，验证了微聚束理论的可行性。

清华大学团队据此设计了SSMB光源方案。加速器存储环周长100~150米，电子束能量大于400 MeV，束长压缩至3nm，从而在13.5nm极紫外波长下产生1千瓦以上的功率。辐射功率轻松超过ASML锡蒸气光源的两倍以上。而且，这种极紫外光的质量远优于传统的锡蒸气光源，单色性更好，对反射器的要求更低，完全可以满足大规模芯片生产的需求。

更令人兴奋的是，SSMB稳态微光束不仅可以产生13.5nm级的极紫外光，通过调整参数，还可以发射更长或更短波长的光束，例如6nm软X射线，从而制造出更高分辨率的超强光刻机，使芯片制造工艺能够小于1nm、2nm！当然，由于X射线的特殊性质，其穿透率和吸收率都比较大，需要首先克服制造反射镜的困难。

总之，如果清华的SSMB光源解决方案得以实现，我国的光刻技术很可能一举超越看似不可动摇的ASML，取得在芯片制造行业的领先地位。目前，清华大学稳态微聚束（SSMB）极紫外光源项目已申​​报为国家重大科技基础设施，拟在雄安新区建设。

不过需要指出的是，这款设备只是一个光源，并不是网上报道的完整的光刻机。即使通过SSMB解决方案解决了极紫外光源问题，仍需要进一步打通上下游链条，打造真正新一代的EUV光刻机。我们期待这一天的早日到来！

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