青岚: 俄罗斯，会比中国先造出EUV光刻机？

【文/观察者网专栏作者 青岚】

谁能先做出EUV光刻机：俄罗斯还是中国？

看到上面这句话，你是不是已经在心里徐徐打出了一个问号？

俄罗斯、光刻机，对不少人来说，把这两个词放在一起，画风be like：

（白沙瓦手工艺客车）

是啊，在众多段子里还需要从”洗碗机和冰箱“里抠二手芯片用的俄罗斯，怎么突然快进到能造最高端的EUV光刻机了？

How Dare You?

其实这句话，是最近俄罗斯“今日头条”Dzen上一篇科技评论的标题：

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

至于文章内容，前一半分析了目前EUV光刻机供需格局，核心信息在中国读者看来都算是大路货，后一半则是梳理了俄罗斯研究人员在EUV光源和反射镜上的积累，作者据此认为，俄罗斯可以直接跳过浸没式DUV光刻机，一步到位攻关EUV光刻机：“与中国不同的是，我们拥有成为世界第二大超现代极紫外线光刻机制造商所需的一切。”

先别笑，也先别急。

抛开关于中俄横向比较的暴论，说起光刻机，国内公众大概早已家喻户晓EUV的重要性，没有这个工具，就基本别想造出5纳米以下先进制程芯片，关注更多一些的读者，或许还知道EUV相比DUV光刻机，在“三大件”，也就是光源、投影物镜、工件台这三个关键子系统上都有巨大革新。

假如要做一个技术跨越程度排序以方便理解，那么EUV最大的变化或者说难点，无疑在于光源。

直白地说，如果EUV光刻机卡住了高端芯片制造的脖子，那么光源则卡住了EUV光刻机的脖子。而俄罗斯，恰恰在EUV光源关键核心技术上有自己的独到之处。

以下信息，往往是西方媒体和许多无脑照搬的中文互联网“传声筒”不曾告诉你的。

为了一次性讲透这个话题，有必要先普及一些光刻光源极简知识。

历史上晶圆厂使用的光刻机，其光源从g线、h线、i线超高压汞灯发展到KrF、ArF准分子激光器，波长越来越短，光子的能量越来越高，光源系统也越来越复杂，但按最通俗的理解，其实它们都可以看成是各种日光灯的“魔改”，通过电极给气体（汞蒸气、稀有气体、卤素气体）注入能量，激发介质出光。

到了EUV也就是13.5纳米波长，工业界和学术界原先自然也想沿着这个思路推进，形成了一度势头很好的放电等离子体（DPP）光刻光源研究路线。

然而初步实践表明，当时DPP所使用的氙气在13.5纳米处极紫外光转化率很差，而更理想的介质锡又极难气化，沸点高达2200多摄氏度，为此，研究人员想出了先用激光轰击锡靶产生初始等离子体的主意，使DPP进化为激光辅助放电等离子体（LDP），ASML最早向科研机构交付的EUV样机NXE3100正是采用这种光源。

遗憾的是，这条技术路线随后的迭代遇到了巨大困难，原因出在其已经打满了优化补丁的电极结构上：为了提升LDP光源输出功率，需要让一对浸入液锡池的旋转圆盘电极转得更快，有雨天骑车经验的读者不难明白，通过积水路面的速度越高，车轮甩出来的水也就越多。

无解的高速碎屑等工程问题和紧迫的商用示范压力，最终使ASML转向一条全然不同的技术路线—激光等离子体（LPP）。

LPP取代DPP/LDP，也代表着一种范式转移。

不同于各种电能直接转换光能的尝试，LPP很大程度上借鉴了惯性约束核聚变的思路，劳伦斯利弗莫尔实验室这一惯性约束剧变研究重镇，也在LPP原理研究上做出过巨大贡献。

具体来看，LPP基本思路是首先生成高能量高功率脉冲激光，以近乎完美的时空同步命中数十微米大小的锡液滴靶，注入的能量使液滴瞬间变成一团远超太阳表面温度的等离子体并辐射极紫外光，这一基本过程以每秒数万次的频率重复，释放的EUV光线经过反射镜收集聚拢，最终形成稳定的200瓦以上输出功率。

较之放电等离子体路线，LPP最大的优势在于极紫外光转化效率高，尤其是预脉冲激光优化液滴形状、密度等参数之后，其转化效率能够达到6%，且激光脉冲轰击悬空的液滴，意味着等离子体和腔室内其他组件间距离更远，热量与碎屑更容易处理。不过LPP缺点则是系统复杂度高，其驱动激光、液滴锡发生器、收集镜三大子模块之精密复杂，都称得上是人类工业文明精华。

接下来，我们就从这三个领域来盘一盘俄罗斯的“能耐”吧。

首先是驱动激光，目前ASML所引领的主流架构是MOPA（主振荡器功率放大），通过对高重频、短脉冲的优质种子光逐级放大，最终形成数十千瓦的大功率输出。

惯常能看到的信息里，德国企业通快（TRUMPF）无疑在MOPA架构上独步天下，其独家提供的EUV光刻机驱动激光器重达17吨，由45万个零部件组成，内部线束长度超过7公里，充分展现了什么叫做德国“工匠精神”。

但故事里没提的是，在这条赛道上全球仍然还有两大玩家，其一是日本光刻光源巨头Gigaphoton，另一个就是东欧激光科研重镇—俄罗斯圣彼得堡国立信息技术、机械学与光学研究型大学（圣光机），从振荡器、隔离器到放大器，圣光机在MOPA领域的基础研究依然保持着世界级水平。

再来看液滴锡发生器，由于其制造商Cymer位于美国本土，因此天然站在了形象塑造与传播的“高地”。关于ASML的热门新书《聚焦》里，Cymer有着不成比例的“出镜率”，被写成了令EUV光刻机走向成功的最关键拼图。但实际上，ASML对Cymer的关注更多是为了解决后者糟糕的项目管理，液滴锡发生器实用化也并非Cymer一家的功劳，而是ASML所动员的一个巨大科研网络中知识汇聚流动的成果。如久负盛名的俄罗斯科学院光谱学研究所（ISAN）就与ASML有长期合作，在锡液滴发生器、预脉冲技术、光源污染防护上承接了大量该公司横向课题，时至今日，ISAN及其衍生的商业公司在EUV检测光源产品和等离子体建模上仍有相当强竞争力，与英特尔、台积电等厂商也依旧保持着联系。

特别值得一提的是，ISAN研究人员对原本作为一种碎屑缓解手段出现的预脉冲技术进行了深入研究。基于该所等离子体物理的理论与数据积累，再结合俄罗斯数学家为高温激光等离子体研究所开发的RALEF仿真软件，使锡液滴形貌和预脉冲/主脉冲作用有了可靠的研究模型，其后ASML和Gigaphoton也正是靠着循序迭代脉冲激光参数和液滴靶形、时空控制，实现了极紫外光转化效率的飞跃。