近日清華提出的SSMB-EUV光源技術忽然引發了公眾極大的興趣。一個說法是，中國可以建加速器產生EUV光源，不同頻率的光源可以給28nm、14nm、7nm、5nm等多種芯片制程使用，用“光刻廠”替代ASML一臺臺的EUV***，以出人意料的創新思維打破美國封鎖。這個設想“通俗易懂”，感覺先進的國產***一下有希望了。 公眾對SSMB-EUV這種很難懂的同步輻射光源產生興趣，根本原因是希望突破美國技術封鎖，將清華的研究產業化，幫助生產出高性能***。 本文從產業工程角度，重點介紹芯片制造與光刻的一些相關技術細節，也介紹SSMB、EUV、同步輻射等相關的科學原理。了解足夠的工程技術細節和科學原理之后，對于“光刻廠”這類有趣的設想，就能正確看待了。

本文要點： 1. SSMB-EUV***是有技術背景的，中國已經有實際的研發投資，確實是未來***的一個發展方向。 2. 分析DUV與EUV***進行芯片加工的流程，工業生產對***性能的要求是超乎一般人想象的。 3. SSMB-EUV***需要突破的技術困難，可能是哪些。千萬不能以為找到一個好方向，就能很簡單地突破***。

一、芯片制造產業常識

將四價硅摻雜加入少量三價硼和和五價磷做出PN結，再加上金屬氧化物做個控制門，就能做成某類晶體管。海量晶體管密集排列，按特定設計互相連接，就是芯片。芯片制造最關鍵一步是晶圓加工，在FAB工廠里，在高純度的硅晶圓（wafer）上面，做出一個個的相同的裸芯片（die）。前面需要做出硅晶圓，后面需要將die切開，加蓋、加引腳、封裝、測試，難度都相對低。

首先要有概念，工業應用意義上的芯片產量是海量的，不然成本太高。如近日引發轟動的某爆款手機的芯片，業界估計有1000萬顆的量，后因需求火爆增至1500-1700萬顆，又再上調到2000萬顆。

上千萬顆芯片，如何在不太長的時間內制造出來？關鍵是一片wafer上能一次性制造出大量完全一樣的die。以12寸晶圓（指英寸，還有8寸、6寸的）為例，它的直徑是約300毫米，面積是70659平方毫米。先進芯片的晶體管密度能達到驚人1平方毫米1億個，整個芯片有上百億個晶體管，完成復雜的5G基帶與手機SOC功能。假設一個die面積是140平方毫米，一片wafer上就可能有約500個die的位置。

芯片制造有“良率”的概念，簡單地說，如果這500個die在FAB加工完畢，下單的商家拿去一測，發現有400個是功能合格的“活”die，良率就是80%。先進芯片加工的良率有時不高，但也不會太低，不然沒有商業意義了。如按50%估計，一片wafer也應該有200個以上的die是活的。

FAB工廠的產能一般用每月能加工多少萬片wafer來說明，多的可以1個月10萬片，少的也有1萬片。如果每月1萬片，每片200個活die，一個月就有200萬顆芯片，一年能生產出2000萬顆以上的芯片了。

有些不懂的人會以為，芯片制造全靠***，工廠就是有個核心機器***，晶圓送進去，里面用光在上面把芯片“刻”出來，主要的加工就完成了。如有的人說，買到100個***，就能建100條芯片生產線，可能就是這么簡單理解的。

其實更合適的說法是，芯片上的晶體管是“蝕刻”出來的。用等離子體物理沖擊或者化學藥水浸泡之類的辦法，在wafer上造出溝溝槽槽，最后就把晶體管的形狀挖出來了。但是哪挖哪不挖，這是由光刻引導的。可以說，凡是要蝕刻了，都要先光刻，通過“掩膜板”（mask，光罩）告訴蝕刻沖哪下手。而且挖溝槽的的辦法非常復雜，有時要反復地挖，經常還要在上面沉積覆蓋一層各種材料。每一步做完，還得清洗。

實際FAB加工晶圓的步驟極為復雜，多的可能要上千步，光刻就要反復做多次，一般需要多個***。一個復雜的先進制程芯片，用于光刻的一套光罩就可能有好幾十個。重要步驟需要精度高的***，也有精度要求低些的，可以用低配的***。如wafer上的晶體管層做好以后，在上面做連接的金屬導線層，精度要求就低不少，因為可以象建樓房一樣，分成好幾層來放導線，每一層導線的間隔可以寬一些。

一片wafer開始加工，到最終變成die交付給客戶，因為步驟很多，過程可能要幾個月。這往往是因為，生產線上的機器，不只是生產一個芯片，會排班加工別的wafer。如何安排，將不同芯片的wafer在指定的時間送到指定的機器上，是FAB生產流程管理的重要問題。即使全力保證一個芯片的加工流程先跑，工序多的，一片wafer怎么也要一兩個月才跑完。

客戶讓FAB加工芯片，不是下單就有，即使追加訂單，也要過幾個月才有。無論如何，幾個月就能生產出上千萬顆芯片，這是海量的加工能力，量上來了，單個芯片才不會太貴。所以，FAB的生產能力是芯片工業應用的關鍵，一個月要起碼能處理一萬片這么多的wafer。

而且，***處理一個wafer，不是一次能完事的，基本會來好幾次，有時要多重曝光，要上十次。所以，即使只處理一個芯片產品，一個月只做1萬片，一個***可能也要做10萬次光刻。FAB是周末也不敢讓機器停的，要排班開工，一個月30天，每天可能要光刻3000次，***平均一個小時做一百次光刻，是很常見的節奏。

因此，從工業生產的角度粗略估算，***要1分鐘不到就把一片wafer上的幾百個die都光刻完。每個die分到的光刻時間，只有0.1秒這個級別。如果搞不過來，就得加多個***并行處理了。

先進的***就是這么快速運作的。一片wafer放在工作臺上，工作臺在磁懸浮系統操控下，不停地游動，看上去根本就沒有靜止。其實這是在“步進掃描”，工作臺在按某種自動程序走走停停，停下來就是對準了，在0.1秒時間內光線打下來瞬間完成光刻，把光罩上的圖案投影到某個die的區域（實際是shot，可以簡單理解成一個die的大小），和上面涂的特種光刻膠發生“光化學反應”，完成曝光。曝光快速完成，工作臺又快速步進掃描到下一個位置，看上去和沒停一樣。走走停停的加速度非常大，對工作臺運動控制、定位的精準度要求非常高，這也是***制造的最核心難點之一。

ASML的***型號有TWINSCAN的說法，從運作錄像上看，是兩個工作臺在下面游動。這并不是兩個工作臺同時在進行光刻，而是一個在步進掃描光刻，一個在“預對準”。預對準是說，測量臺上一片wafer上幾百上千個die的區域，先用量測工具掃描一通，判斷好是怎么排列的，每一步要跳多少納米過去才能精確對準，把這些數據先記下來。等在光刻的那個工作臺處理完了，立刻就把預對準的這個工作臺挪過去，按測量好的數據安排好步進掃描的自動程序開始光刻。

無論是EUV***還是DUV***，都是很先進的機器，關鍵在于工業生產的量和速度要求非常高。如果慢騰騰地每一步都要重新對準，假設***一分鐘才能處理一個die，一天也就處理1000多個die，只能搞完一兩片wafer，那工廠不要開門了，早賠死了。

這是一般人不知道的，不理解***要快速自動精準連續運作，對要求有多高不清楚，容易低估工業應用級別***的性能要求。

用同步輻射EUV光源進行芯片加工，其實不是新鮮事。最早的時候，研究者就是用同步輻射加速器的EUV光源進行芯片工藝研究的，現在也一直都有，經常有論文。如保羅謝勒研究所，長期用瑞士的同步輻射加速器探索EUV光刻的新技術，在學術界，EUV光源也稱之為軟X光。但是這類研究的特點是不講究“量產”，也不需要省時間，慢慢地做幾片，測一些數據，就可以發表有探索意義的發現了。以前沒有能工業應用的EUV光源，就是這么搞研究的。 從產業角度看，芯片業最重要的還是要工程應用，要量產，要經濟意義上成立。通過上面的計算可知，這個要求特別高，量產的良率與生產速度不可思議地高。如果對芯片制造產業流程沒有深入了解，會很難想象，現代的FAB怎么可以如此快速地加工生產出海量的芯片。 這也是有個過程的，一開始手工制造芯片，或者半自動半手工，產量都高不上去。1977年7月，鄧小平與30位科技界代表在人民大會堂座談，半導體學界的王守武說：“全國共有600多家半導體生產工廠，其一年生產的集成電路總量，只等于日本一家大型工廠月產量的十分之一。”這就是手工與自動的區別，看著芯片制程差距不大，實際背后的制造流程差異很大，技術水平差異很大。

現在，中國一天可以生產10億顆芯片了，進步非常大，都是自動化機器干出來的。芯片制造已經必然是機器自動做的，人只能去管理機器。機器生產芯片，各個流程在非常快速地流轉，是標準的流水線生產模式。只是芯片FAB生產線容易出問題被迫停下，需要很多有技術的人來維護生產線順暢運行，這一點比其它商品的生產線要困難得多。

二、DUV、LPP-EUV光源

上面說的芯片制造過程，對傳統芯片（28nm及以上）和先進制程芯片（14nm及以下）都是通用的。目前用的***主要是DUV的，193nm波長的光源是ArF（氟化氬）準分子激光器生成的，浸潤式***光在水中折射后波長變成134nm。 前面還有汞燈光源（不是激光），g線***是436nm波長，i線***是365nm波長。還有KrF（氟化氪）準分子激光器的248nm光源。 根據瑞利準則公式和實踐結果，193nm***的分辨率是波長的三分之一，能用來做65nm的芯片。

浸潤式***的134nm波長，按規律可以做45nm的芯片。但是鏡頭在水里效應提升，又通過OPC補償算法（光罩上圖形的角上，弄成特定的復雜形狀而非原來的方形，最終成像反而會更接近方形），最終分辨能力提升到了28nm。這就是經典的28nm芯片的由來，坊間有所謂“28nm***”的說法，其實是193nm的光源。

? 28nm及以上制程的傳統芯片，里面的晶體管是MOSFET，可以理解為一種平面的晶體管，有個控制門Gate，從上往下這“一個方向”施加電壓，控制晶體管的0-1導通狀態。28nm指的是Source和Drain兩個柵極之間的寬度，整個晶體管有100nm以上這么寬。

? ? FINFET晶體管就升級成“立體”的，如上圖，綠色的Gate從上方、左方、右方三個方向去施加電壓影響晶體管導通狀態。三個方向的立體影響，比MOSFET的一個方向的平面影響要靈敏，所以FINFET晶體管的功耗更低、主頻更快。但是這個晶體管，就要象魚鰭一樣，造出往上伸出的薄薄的fin，工藝要復雜多了。需要注意，FINFET晶體管在wafer上也還是一層，并沒有堆出幾層來，眾多晶體管還是平面排列的，只是fin是立體結構對控制電壓敏感了。 用DUV浸潤式***和FINFET晶體管工藝，可以造7nm-14nm制程的芯片。主要的辦法是多重曝光，最多是四重曝光。簡單地比喻，先在wafer上造出28-28-28-28nm這樣間隔的線條，然后挪動14nm，再來做一套28-28-28-28nm間隔的線條，就能用雙重曝光組合出14-14-14-14nm間隔的線條。如果四重曝光，就能組合出7-7-7-7nm間隔的條紋。

當然這只是類比，實際要復雜得多，但是基本原理就是把本來一張光罩做的事，拆成很多張光罩來做。到7nm，工藝就非常麻煩了，光罩數量需要非常多，但是業界優秀的公司居然真的用DUV***實現了7nm芯片量產。 值得注意的是，28nm及以上的傳統芯片，它的“制程”是實打實的，說28nm真實柵極距離就是28nm。而先進芯片的7nm-14nm，包括再往下的5nm、4nm、3nm芯片，柵極寬度并不是標稱的值。

各家制造芯片的公司各自聲稱，根據功耗等性能指標的改進，按摩爾定律算出來一個“等效面積”（PPA，Power Performance Area），說是7nm，實際測量可能是10nm。英特爾說的10nm工藝就是實在的，說是10nm，指標相當于別家的7nm了。 可以看出，用DUV***來做7nm芯片，已經“窮盡”了招數，才能用193nm的光源，得到7nm的效果。浸潤式、鏡頭改進、OPC補償、多重曝光、晶體管立體化、等效面積，這才從193nm光源形式上實現了7nm的效果。用DUV***加工先進芯片，工藝非常麻煩，良率低、成本高。 大家都知道，后面業界是用13.5nm的EUV光源改善了狀況，所以才叫EUV***。為什么從193nm光源直接就跳到了13.5nm？之前436-365-248-193nm這樣降，后面不應該是再降一點么？

本來確實是這個想法，業界（主要是日本尼康）試了157nm的F2（氟氣）準分子激光器光源，***也造出來了。悲劇的是，157nm波長的光，很容易被各種材料吸收掉，曝光性能很不好，要抽成真空來才行，很麻煩。所以業界放棄了157nm波長***，類似波段的光都有被材料吸收掉的嚴重問題。光源需要通過反射、折射，經過空氣、鏡面、物鏡到達wafer，必須還有足夠能量用于曝光，不能被吸收得功率不足了。 最終發現13.5nm的EUV光源，經過反射以后，強度可以用來搞光刻。這是實驗的結果，有很長時間的探索過程。 前面說了，工業應用的EUV***要能快速準確地曝光，0.1秒這么短的時間就要和光刻膠反應好，光的功率也要足夠。當工作臺將wafer移到特定位置時，強度足夠EUV光線就得過來，這非常困難。

目前工業應用的是二氧化碳激光打在錫滴上，產生EUV光，再經過復雜的光路反射到達wafer。 這是錫滴產生EUV光源的GIF演示 ? 這就是LPP-EUV光源（LPP，Laser-produced Plasma），二氧化碳激光打在不斷滴落的錫滴里，產生不多的一些EUV光。然后用11個鏡子不斷反射過濾，最終將這些EUV光引導到wafer上。由于錫滴產生的EUV光不多，主要是別的雜質光源，如何過濾、聚集、矯正光束，非常麻煩，需要很高水平的鏡片系統。 據說EUV***的鏡片，是世界上最光滑的物體之一，超過了中子星表面。而且鏡片也要非常大，超過一米的直徑。如果把鏡片放大到地球這么大，表面粗糙度也只有0.2毫米。這是因為鏡面反射會放大誤差，只有把鏡面做得極為光滑平整才行。

經過多次反射以后，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***是美國Cymer公司負責光源（也是EUV***斷供中國的技術源頭），需要每秒發射5萬次高功率二氧化碳激光轟擊錫滴，技術難度非常高。 因此，EUV***比DUV***難得多。DUV光源是準分子激光器直接產生的，EUV光源只能間接產生一些。但是DUV***的鏡頭組、對準系統，也是非常困難的，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，主要還是光源系統更為復雜。因為光源的能量絕大多數浪費掉了，還有額外的散熱問題，風冷水冷一堆麻煩事。 還有壞消息，EUV***的光源功率做不上去了，也就是500W。EUV***對于3nm芯片加工就有些吃力了，成本很高，一般客戶已經不敢下單了，有需求不足的問題。再往下做，不是成本的問題，是光源的功率不夠了。 業界需要找到更好的光源，而SSMB-EUV光源就是選擇之一。

三、SSMB-EUV同步輻射光源

這是清華唐傳祥、鄧秀杰2022年在《物理學報》上發表的《穩態微聚束加速器光源》綜述文中的總結。綜述文顯然對SSMB成為更好的EUV光源抱有較大希望。 ? ? 相關的科學“師承”與重要成果大約是： 1. 1971年，趙午從臺灣到紐約州立大學石溪分校師從楊振寧。楊振寧讓趙午學習科朗的加速器課程，1974年趙午博士畢業時，很有眼光地說服他不要選前途不大的高能物理領域，把加速器當主要研究方向。趙午成為加速器領域的頂尖學者，在美國斯坦福大學線性加速器中心任職。

2. 2010年，趙午與博士生Ratner提出了SSMB的設想，但學術界和業界沒人有興趣。2015年趙午意識到，要主動在學術會議上宣傳想法。 3. 趙午成為清華大學客座教授，楊振寧也在清華，幫助建立了SSMB研究團隊。 4. 清華團隊與德國團隊合作，2018年在德國馬普所的ELBE環形加速器上進行了改進實驗。之后取得了突破，數據很好，開了茅臺慶祝，相關成果2021年發表在《自然》上。 5. 中國意識到SSMB-EUV光源對***研發的關鍵作用，在雄安進行了科學裝置投資建設。

2021年2月，《自然》發表的SSMB論文

從清華2023年初的官方新聞看，雄安SSMB項目出發點就是為了芯片“卡脖子”，有部委支持。可以看出，項目選址地點有了，建筑模型有了，但應該還在落地過程中，啥時能建成不太清楚。 因此，SSMB-EUV光源從科學原理上，國際頂刊《自然》認可。在實際工程上，也已經開干了，落地雄安。所以，這事絕對不是忽悠，研究團隊是真的要把SSMB-EUV光源給干出來，數億的投資應該批下來了。 要注意到，SSMB目前顯然還是在科研階段，雄安在建的SSMB新型加速器，是要建立科研平臺，把SSMB-EUV光源的性能提升。這離實際造出EUV***還差很遠，不宜過分樂觀。

LPP-EUV光源從提出設想到開發成功，到進入實際工業應用量產，有超過20年的時間。ASML開發出EUV原型機用了13年，到實際量產應用，又是近10年。 在卡脖子的壓力下，如果科學原理與工程上都是可行的，中國的進度會快許多，但也不太可能立刻解決問題。本文無法對時間進度作出估計，主要還是介紹相關技術背景。其實最重要的還是，SSMB-EUV光源進行工業光刻應用是否可行。只要可行，相信中國一定能干出來。 為了幫助對科學感興趣的讀者理解，后面介紹下SSMB同步輻射光源的科學原理。

SSMB，就是Steady-State Micro-Bunching，穩態微聚束。這個“聚束”，說的是電子聚集。SSMB光源，是說其中的電子在接近光速的情況下，在磁場中偏轉，會在切線方向發出電磁輻射，也就是光。而這就是同步輻射（SR，Synchrotron Radiation）加速器出光的原理。電子在加速器里因為磁場約束繞圈，一秒能幾百萬圈，相當于存儲在環里，一邊繞一邊發射電磁波。由于電子速度非常高，數量不少，能量也就不低，發出的電磁波就很多。 為什么叫同步輻射，其實是歷史的誤會，最初發現電子發出切線方向的光，是在通用電器的一個同步加速器里，所以這么叫了。同步輻射光源本身沒有啥同步的，特點是全光譜、亮度高、窄脈沖、高準直。

全光譜就是說，從紅外到深紫外（EUV）乃至X射線的光譜都有。亮度高，就可以象X光機一樣，用來探查物質的內部，而且比X光機功率更高，探查能力更厲害。其中一些EUV光可以用來作光刻研究，前面說了，工業化量產是不行的，效率太低。

“功率較低”就是傳統同步輻射光源的弱點。雖然同步輻射光比X光機要更亮，但是人們總想要更高功率，工業應用要求很極端，EUV光刻就是一個。同步輻射光源為什么功率低，是因為電子束長度太大，沒有相干性，電子發出的電磁輻射是“非相干疊加”，功率就不高了。

1971年提出的改進辦法是“自由電子激光”FEL（free-electron laser），關鍵是有一個“波蕩器”（Undulator）。電子產生后直線加速到接近光速，在波蕩器里偏轉發出SR。但是與電子轉圈的加速器磁場不一樣，這個波蕩器的磁場是震蕩的，通過巧妙的安排，電子束團就會變成“微聚束”長度縮得很短，更加聚集，還有相干性了，出來了“相干輻射”（Coherent radiation），功率指數增加直到上限，亮度能比傳統同步輻射高上億倍，當然是脈沖的。 SRF-FEL（SRF是超導射頻）也成為下一代EUV光源的選擇之一，功率是強了，但是造價高。注意這個FEL裝置是直線放置的。

穩態微聚束的關鍵思想，是在傳統同步輻射加速器的電子存儲環里面，引入了激光調制。本來電子在存儲環里，形成聚束是用“微波射頻腔”（RF cavity）做的，改用復雜得多的激光調制系統，加上扭擺磁鐵，橫向縱向下手調制，巧妙地把電子束更加完美地聚集在一起。SSMB能在《自然》上發表文章，就是說怎么實際下手，證明了電子束形態確實更加完美了。

清華與德國團隊SSMB實驗結果

上圖，圖ab是沒有經過激光調制的波形，是寬的。圖cd是激光和磁鐵進行了一次調制的結果，中間五個束冒出來了。圖ef是加了個濾波的結果，結果更明顯了。當然實驗只干了一次調制，繼續調制應該是有技術困難要克服，是后續工作。

SSMB就產生了和FEL類似的“微聚束”，但是關鍵還加上了“穩態”。FEL不是穩態，電子團在波蕩器里自由互相作用，最后發出強光完事。SSMB是讓電子束在存儲環里繞圈，這樣就有可能是“穩態”的，對于重復發光很重要。也就是兩個特性結合：微聚束的相干輻射發強光 + 存儲環高重頻。

清華研究論文認為，這兩個特性結合，SSMB-EUV光源進行光刻就很有潛力。看上去是比直線的SRF-FEL好，更加好控制。讓電子束在存儲環里轉圈，需要發強光了，就讓微聚束發出相干輻射，導出EUV光源進行光刻。

據趙午2021年在楊振寧學術思想研討會上的視頻介紹，SSMB-EUV光源做***的優點是：只要三塊反射鏡（因為SSMB-EUV光源比LPP-EUV光源要純凈），鏡片面積要求也小得多，只要十分之一。這看上去是巨大的優點，光源質量上比ASML的EUV***強，整機開發難度肯定能下降不少，鏡片的要求就降低了。

但是這巨大優點，前提是SSMB-EUV光源開發成功。SSMB后續開發有不少難點，在《物理學報》的論文綜述中都實在地提出了，技術細節較為難懂。一類是微聚束在存儲環中產生與維持的問題，一類是SSMB相干輻射發光的問題，都需要很多后續研究。

電子微聚束聽上去不錯，但是電子在轉彎，會縱向滑移，聚束就沒法維持了。激光和電子微聚束要以巧妙的角度調制，怎么保持好角度，也很困難。這類實際問題，在工程中會成為巨大的麻煩，讓看上去不錯的理論結果遲遲無法成功落地，出現一時難以克服的大問題幾乎是必然的。

這也是科研中常見的現象，實際搞研發的人一身冷汗，一堆問題等著解決，在加班加點絞盡腦汁。外界看見點苗頭，就說得好象成功在即了，美國技術封鎖馬上完蛋了。有些人甚至把北京的加速器圖片拉來說是光刻廠，其實完全不相干。

個人判斷，SSMB-EUV是一個好方向，從理論上很有潛力，相比LPP-EUV光源優勢明顯。如果最終SSMB加速器建成，成功地提供EUV光源進行光刻，這確實是一個模式突破，從小型的EUV***，變成靠大型裝置解決問題。

但是最終成功還有兩大步要跨越。一個是SSMB加速器落地雄安，產生出了高質量的EUV光源，搭建好以大科學裝置為基礎的研發平臺。再一個是以優質的SSMB-EUV光源為基礎，以量產為目標，研發適配的EUV***，雖然難度應該比ASML的LPP-EUV光源的***要低，但也是很困難的。

EUV***有光源、工件臺、物鏡、激光干涉儀等關鍵部件，每個部件的開發都非常難。更困難的是，將所有部件組合成完整的系統時，互相匹配會很困難，甚至顧此失彼發生沖突。

一個研發選擇是，清華SSMB加速器出光以后，不是直接研發EVU***，而是先與DUV***對接，光束能量損失較小，先在難度低一點的平臺上完成階段任務。

這幾大步即使成功，時間不會太短。但是，中國在美國倒逼幫助下，開始想各種辦法解決極為困難的科學與工程問題，許多人將奇思妙想與工程實現結合，這個過程將是激動人心的。越是困難的問題，成功的收獲越是巨大，我們可以學習了解科學原理與技術背景，并耐心等待。

■?作者簡介 ? 陳經 中國科學技術大學計算機科學學士，香港科技大學計算機科學碩士，科技與戰略風云學會會員，《中國的官辦經濟》作者。 ? ?

編輯：黃飛

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