【文/觀察者網(wǎng)專(zhuān)欄作者 青嵐】

誰(shuí)能先做出EUV光刻機(jī)：俄羅斯還是中國(guó)？

看到上面這句話，你是不是已經(jīng)在心里徐徐打出了一個(gè)問(wèn)號(hào)？

俄羅斯、光刻機(jī)，對(duì)不少人來(lái)說(shuō)，把這兩個(gè)詞放在一起，畫(huà)風(fēng)be like：

（白沙瓦手工藝客車(chē)）

是啊，在眾多段子里還需要從”洗碗機(jī)和冰箱“里摳二手芯片用的俄羅斯，怎么突然快進(jìn)到能造最高端的EUV光刻機(jī)了？

How Dare You?

其實(shí)這句話，是最近俄羅斯“今日頭條”Dzen上一篇科技評(píng)論的標(biāo)題：

《Кто раньше сделает EUV литограф: Россия или Китай?》

至于文章內(nèi)容，前一半分析了目前EUV光刻機(jī)供需格局，核心信息在中國(guó)讀者看來(lái)都算是大路貨，后一半則是梳理了俄羅斯研究人員在EUV光源和反射鏡上的積累，作者據(jù)此認(rèn)為，俄羅斯可以直接跳過(guò)浸沒(méi)式DUV光刻機(jī)，一步到位攻關(guān)EUV光刻機(jī)：“與中國(guó)不同的是，我們擁有成為世界第二大超現(xiàn)代極紫外線光刻機(jī)制造商所需的一切?！?

先別笑，也先別急。

拋開(kāi)關(guān)于中俄橫向比較的暴論，說(shuō)起光刻機(jī)，國(guó)內(nèi)公眾大概早已家喻戶曉EUV的重要性，沒(méi)有這個(gè)工具，就基本別想造出5納米以下先進(jìn)制程芯片，關(guān)注更多一些的讀者，或許還知道EUV相比DUV光刻機(jī)，在“三大件”，也就是光源、投影物鏡、工件臺(tái)這三個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)上都有巨大革新。

假如要做一個(gè)技術(shù)跨越程度排序以方便理解，那么EUV最大的變化或者說(shuō)難點(diǎn)，無(wú)疑在于光源。

直白地說(shuō)，如果EUV光刻機(jī)卡住了高端芯片制造的脖子，那么光源則卡住了EUV光刻機(jī)的脖子。而俄羅斯，恰恰在EUV光源關(guān)鍵核心技術(shù)上有自己的獨(dú)到之處。

以下信息，往往是西方媒體和許多無(wú)腦照搬的中文互聯(lián)網(wǎng)“傳聲筒”不曾告訴你的。

為了一次性講透這個(gè)話題，有必要先普及一些光刻光源極簡(jiǎn)知識(shí)。

歷史上晶圓廠使用的光刻機(jī)，其光源從g線、h線、i線超高壓汞燈發(fā)展到KrF、ArF準(zhǔn)分子激光器，波長(zhǎng)越來(lái)越短，光子的能量越來(lái)越高，光源系統(tǒng)也越來(lái)越復(fù)雜，但按最通俗的理解，其實(shí)它們都可以看成是各種日光燈的“魔改”，通過(guò)電極給氣體（汞蒸氣、稀有氣體、鹵素氣體）注入能量，激發(fā)介質(zhì)出光。

到了EUV也就是13.5納米波長(zhǎng)，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界原先自然也想沿著這個(gè)思路推進(jìn)，形成了一度勢(shì)頭很好的放電等離子體（DPP）光刻光源研究路線。

然而初步實(shí)踐表明，當(dāng)時(shí)DPP所使用的氙氣在13.5納米處極紫外光轉(zhuǎn)化率很差，而更理想的介質(zhì)錫又極難氣化，沸點(diǎn)高達(dá)2200多攝氏度，為此，研究人員想出了先用激光轟擊錫靶產(chǎn)生初始等離子體的主意，使DPP進(jìn)化為激光輔助放電等離子體（LDP），ASML最早向科研機(jī)構(gòu)交付的EUV樣機(jī)NXE3100正是采用這種光源。

遺憾的是，這條技術(shù)路線隨后的迭代遇到了巨大困難，原因出在其已經(jīng)打滿了優(yōu)化補(bǔ)丁的電極結(jié)構(gòu)上：為了提升LDP光源輸出功率，需要讓一對(duì)浸入液錫池的旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)電極轉(zhuǎn)得更快，有雨天騎車(chē)經(jīng)驗(yàn)的讀者不難明白，通過(guò)積水路面的速度越高，車(chē)輪甩出來(lái)的水也就越多。

無(wú)解的高速碎屑等工程問(wèn)題和緊迫的商用示范壓力，最終使ASML轉(zhuǎn)向一條全然不同的技術(shù)路線—激光等離子體（LPP）。

LPP取代DPP/LDP，也代表著一種范式轉(zhuǎn)移。

不同于各種電能直接轉(zhuǎn)換光能的嘗試，LPP很大程度上借鑒了慣性約束核聚變的思路，勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室這一慣性約束劇變研究重鎮(zhèn)，也在LPP原理研究上做出過(guò)巨大貢獻(xiàn)。

具體來(lái)看，LPP基本思路是首先生成高能量高功率脈沖激光，以近乎完美的時(shí)空同步命中數(shù)十微米大小的錫液滴靶，注入的能量使液滴瞬間變成一團(tuán)遠(yuǎn)超太陽(yáng)表面溫度的等離子體并輻射極紫外光，這一基本過(guò)程以每秒數(shù)萬(wàn)次的頻率重復(fù)，釋放的EUV光線經(jīng)過(guò)反射鏡收集聚攏，最終形成穩(wěn)定的200瓦以上輸出功率。

較之放電等離子體路線，LPP最大的優(yōu)勢(shì)在于極紫外光轉(zhuǎn)化效率高，尤其是預(yù)脈沖激光優(yōu)化液滴形狀、密度等參數(shù)之后，其轉(zhuǎn)化效率能夠達(dá)到6%，且激光脈沖轟擊懸空的液滴，意味著等離子體和腔室內(nèi)其他組件間距離更遠(yuǎn)，熱量與碎屑更容易處理。不過(guò)LPP缺點(diǎn)則是系統(tǒng)復(fù)雜度高，其驅(qū)動(dòng)激光、液滴錫發(fā)生器、收集鏡三大子模塊之精密復(fù)雜，都稱(chēng)得上是人類(lèi)工業(yè)文明精華。

接下來(lái)，我們就從這三個(gè)領(lǐng)域來(lái)盤(pán)一盤(pán)俄羅斯的“能耐”吧。

首先是驅(qū)動(dòng)激光，目前ASML所引領(lǐng)的主流架構(gòu)是MOPA（主振蕩器功率放大），通過(guò)對(duì)高重頻、短脈沖的優(yōu)質(zhì)種子光逐級(jí)放大，最終形成數(shù)十千瓦的大功率輸出。

慣常能看到的信息里，德國(guó)企業(yè)通快（TRUMPF）無(wú)疑在MOPA架構(gòu)上獨(dú)步天下，其獨(dú)家提供的EUV光刻機(jī)驅(qū)動(dòng)激光器重達(dá)17噸，由45萬(wàn)個(gè)零部件組成，內(nèi)部線束長(zhǎng)度超過(guò)7公里，充分展現(xiàn)了什么叫做德國(guó)“工匠精神”。

但故事里沒(méi)提的是，在這條賽道上全球仍然還有兩大玩家，其一是日本光刻光源巨頭Gigaphoton，另一個(gè)就是東歐激光科研重鎮(zhèn)—俄羅斯圣彼得堡國(guó)立信息技術(shù)、機(jī)械學(xué)與光學(xué)研究型大學(xué)（圣光機(jī)），從振蕩器、隔離器到放大器，圣光機(jī)在MOPA領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究依然保持著世界級(jí)水平。

再來(lái)看液滴錫發(fā)生器，由于其制造商Cymer位于美國(guó)本土，因此天然站在了形象塑造與傳播的“高地”。關(guān)于ASML的熱門(mén)新書(shū)《聚焦》里，Cymer有著不成比例的“出鏡率”，被寫(xiě)成了令EUV光刻機(jī)走向成功的最關(guān)鍵拼圖。但實(shí)際上，ASML對(duì)Cymer的關(guān)注更多是為了解決后者糟糕的項(xiàng)目管理，液滴錫發(fā)生器實(shí)用化也并非Cymer一家的功勞，而是ASML所動(dòng)員的一個(gè)巨大科研網(wǎng)絡(luò)中知識(shí)匯聚流動(dòng)的成果。如久負(fù)盛名的俄羅斯科學(xué)院光譜學(xué)研究所（ISAN）就與ASML有長(zhǎng)期合作，在錫液滴發(fā)生器、預(yù)脈沖技術(shù)、光源污染防護(hù)上承接了大量該公司橫向課題，時(shí)至今日，ISAN及其衍生的商業(yè)公司在EUV檢測(cè)光源產(chǎn)品和等離子體建模上仍有相當(dāng)強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，與英特爾、臺(tái)積電等廠商也依舊保持著聯(lián)系。

特別值得一提的是，ISAN研究人員對(duì)原本作為一種碎屑緩解手段出現(xiàn)的預(yù)脈沖技術(shù)進(jìn)行了深入研究?；谠撍入x子體物理的理論與數(shù)據(jù)積累，再結(jié)合俄羅斯數(shù)學(xué)家為高溫激光等離子體研究所開(kāi)發(fā)的RALEF仿真軟件，使錫液滴形貌和預(yù)脈沖/主脈沖作用有了可靠的研究模型，其后ASML和Gigaphoton也正是靠著循序迭代脈沖激光參數(shù)和液滴靶形、時(shí)空控制，實(shí)現(xiàn)了極紫外光轉(zhuǎn)化效率的飛躍。