2023年9月，许多人为“光刻厂”的构想喜大普奔。据说中国可以另辟蹊径，不是用一台台的光刻机，而是用加速器做一个巨大的光源，可以供28 nm、14 nm、7 nm、5 nm等多种芯片制程使用。在许多人看来，这个设想“通俗易懂”，令人恍然大悟。还有很多人认为，华为海思芯片归来，就是因为光刻厂。![]()
这个光刻厂究竟是什么技术？其实是清华大学赵午教授提出的SSMB-EUV光源。SSMB是稳态微聚束（Steady-State Micro-Bunching），EUV是极紫外（Extreme Ultra-Violet），SSMB-EUV是一种同步辐射光源。这些术语原本公众听不懂，但在特定的条件下居然成了热词。![]()
不过，SSMB-EUV光刻厂究竟处于什么状态？是已经在用了？还是在建？还是纯属设想？原理得到验证了吗？中国的先进芯片真的是它造出来的吗？这些基本问题，大多数人其实都没有搞清楚。![]()
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1. SSMB-EUV光刻是有技术背景的，中国已经有实际的研发投资，确实是未来的一个发展方向。2. 分析DUV（深紫外）与EUV（极紫外）光刻机进行芯片加工的流程，工业生产对光刻机性能的要求超乎想象。3. SSMB-EUV光刻的优点和技术困难，千万不要以为找到一个好方向，就能简单地做出来。了解了这些要点，你的知识水平就超过了99%的人。下面来看正文。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。![]()
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首先要有概念，工业应用的芯片产量是海量的，不然成本太高。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上能一次制造出大量完全一样的die。以12寸晶圆为例，它的直径是12英寸即约300毫米，面积是70659平方毫米。先进芯片的晶体管密度能达到1平方毫米1亿个，整个芯片有上百亿个晶体管。假设一个die面积是140平方毫米，一片wafer上就有约500个die的位置。![]()
芯片制造的一个重要概念是“良率”。比如有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，但也不能太低，否则没有商业意义了。如按50%估计，一片wafer也应该有200个以上的die是活的。![]()
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FAB工厂的产能一般用每月能加工多少万片wafer来表示，多的可以一个月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，一年就能生产出2000万颗以上的芯片。外行往往会以为，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，用光在上面把芯片“刻”出来，加工就完成了。其实更准确的说法是，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，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，或者叫做光罩）告诉蚀刻冲哪下手。挖沟槽的方法非常复杂，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。![]()
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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，精度要求低些的步骤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，因为可以像建楼房一样，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，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，还会排班加工别的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，工序多的也往往需要一两个月才能跑完。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周末也不能让机器停，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，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秒的量级。如果搞不过来，就得加多个光刻机并行处理。![]()
可以看ASML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，不停地游走，看上去根本就没有停下来过。其实这是在“步进扫描”，工作台在按自动程序走走停停，停下来就是对准了，在0.1秒内光线打下来，瞬间完成光刻。把光罩上的图案投影到某个die的区域，和上面涂的特种光刻胶发生光化学反应，完成曝光。曝光快速完成后，工作台又快速步进扫描到下一个位置，看上去似乎没停过。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核心难点之一。![]()
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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”。预对准的意思是，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。如果慢腾腾地每一步都要重新对准，光刻机一分钟才能处理一个die，一天处理1000多个die，只能搞完一两片wafer，那早赔死了。![]()
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有了这些背景，就可以了解用同步辐射EUV光源进行芯片加工的想法了。这其实完全不是新鲜事。最早的时候，研究者就是用同步辐射加速器的EUV光源做芯片工艺研究的，现在也经常有论文。如瑞士的保罗谢勒研究所，长期用同步辐射加速器探索EUV光刻的新技术。在学术界，EUV光源也被称为软X光。这类研究的特点是不需要量产，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。![]()
从产业角度看，芯片业需要工程应用，要量产，要经济意义上成立。现在大家可以知道，这个要求不可思议地高。如果对芯片制造流程没有深入了解，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，产量都不高。1977年8月，邓小平邀请30位科技界代表在人民大会堂座谈，王守武院士说：“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2000人的工厂月产量的十分之一。这种分散而低效率的生产方式应该尽快改变。”而到了现在，中国一天可以生产10亿颗芯片。这就是手工与自动的区别。二、DUV、LPP-EUV光源
上面说的芯片制造过程，对传统芯片（28 nm及以上）和先进制程芯片（14 nm及以下）都是通用的。目前用的光刻机主要是DUV的，193 nm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变成134 nm。![]()
以前还有汞灯光源（不是激光），g线光刻机是436 nm，i线光刻机是365 nm。还有KrF（氟化氪）准分子激光器，248 nm。![]()
根据瑞利准则和实践结果，193 nm光刻机的分辨率是波长的三分之一，能用来做65 nm的芯片。浸润式光刻机的134 nm波长，可以做45 nm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方形，最终成像反而会更接近方形），把最终分辨能力提升到了28 nm。这就是28 nm芯片的由来。经常有人说所谓“28 nm光刻机”，其实这是个误解，28 nm的芯片是193 nm的光源做出来的，并不存在28 nm的光刻机。![]()
28 nm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，从上往下一个方向施加电压，控制晶体管的0 - 1导通状态。28 nm指的是Source和Drain两个栅极之间的宽度，整个晶体管有100 nm以上的宽度。FINFET晶体管升级成立体的，如图，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更灵敏，所以FINFET晶体管的功耗更低，主频更快。但是这个晶体管要造出往上伸的薄薄的鱼鳍，其实fin就是鱼鳍的意思，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，只有fin是立体结构。![]()
用DUV浸润式光刻机和FINFET晶体管工艺，可以造5 nm - 14 nm的芯片。主要的办法是多重曝光，最多可达四重曝光。简单地理解，先在wafer上造出28 - 28 - 28 - 28 nm这样间隔的线条，然后挪动14 nm，再来做一套28 - 28 - 28 - 28 nm间隔的线条，就能组合出14 - 14 - 14 - 14 nm间隔的线条，这就是双重曝光。如果四重曝光，就能组合出7 - 7 - 7 - 7 nm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7 nm，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7 nm芯片量产。![]()
有一点值得注意的是，28 nm及以上的传统芯片，它的“制程”是实打实的。说28 nm，真实栅极距离就是28 nm。而先进芯片的7 nm - 14 nm，包括再往下的5 nm、4 nm、3 nm等等，栅极宽度并不是标称的值。各家芯片制造公司声称，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），等效7 nm，实际测量可能是10 nm。而英特尔说的10 nm工艺就是实在的，说是10 nm，指标相当于别家的7 nm。来看看用193 nm光刻机做7 nm芯片，需要多少招数：浸润式、镜头改进、OPC补偿、多重曝光、晶体管立体化、等效面积等等……简直是拧干毛巾里最后一滴水。用DUV光刻机加工先进芯片，工艺非常复杂，良率低，成本高。大家都知道，后面业界用的是13.5 nm的EUV光源，所以叫EUV光刻机。为什么从193 nm直接跳到了13.5 nm？以前的历程是436 - 365 - 248 - 193，后面为什么不是这样的渐变，而是来了个突变？其实本来是想渐变的。业界（主要是日本尼康）试了157 nm的F2（氟气）准分子激光器光源，光刻机也造出来了。悲剧的是，157 nm波长的光很容易被各种材料吸收掉，曝光性能很不好，要抽成真空才行，很麻烦，所以业界放弃了157 nm光刻机。类似波段的光，都有被材料吸收的严重问题。需要在通过空气、镜面、物镜的多重反射、折射到达wafer之后，还有足够能量用于曝光，被吸收得太多，功率就不足了。最终发现13.5 nm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秒就要和光刻胶反应好。当工作台将wafer移到特定位置时，强度足够的EUV光就得过来，这非常困难。目前工业应用的办法是，二氧化碳激光打在金属锡的液滴上，产生EUV光，再经过复杂的光路到达wafer。这是锡滴产生EUV光源的GIF演示。这就是LPP - EUV光源，LPP的意思是激光产生等离子体，Laser-Produced Plasma。二氧化碳激光打在不断滴落的锡滴上，产生一些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，所以对光束的过滤、聚集、矫正非常麻烦，需要很高水平的镜片系统。![]()
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据说EUV光刻机的镜片，是世界上最光滑的物体之一，超过中子星表面。而且镜片也要非常大，直径超过一米。如果把镜片放大到地球这么大，表面起伏也只有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。![]()
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经过11次反射以后，即使光束每次反射能留下70%的能量，最后也只剩下2%了。因此，LPP-EUV光源需要巨大的能量。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。![]()
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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。不过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98%耗散掉了，还有额外的散热问题，风冷水冷一堆麻烦事。在此之上还有坏消息，EUV光刻机的光源功率做不上去了，也就是500 W。EUV光刻机对于3 nm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。说了这么久，终于绕回到SSMB啦！三、SSMB-EUV同步辐射光源
这是2022年清华大学唐传祥、邓秀杰在《物理学报》发表的《稳态微聚束加速器光源》综述文章中的总结，讨论了各类EUV光源的特点。SSMB的特点是：EUV光功率可大于1 kW，造价（数亿到十亿）及规模（周长100 - 150 m）适中，作为一种全新的光源原理，原理实验验证已经实现，需要建设运行在EUV波段的SSMB加速器光源研究装置，培养科学及产业用户，并提高其技术成熟度。跟LPP的“EUV光功率最高500 W左右”对比，大家可以明白SSMB的优势了吧？![]()
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再来介绍一下SSMB-EUV光源的核心人物：赵午教授。重要的脉络包括：![]()
1. 1971年，赵午从台湾到纽约州立大学石溪分校师从杨振宁先生。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，杨振宁说服他放弃高能物理，把加速器作为主要研究方向。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，但学术界和工业界没人感兴趣。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年在马克斯·普朗克研究所的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，相关成果2021年2月发表在《Nature》。![]()
5. 中国意识到SSMB-EUV光源对光刻机研发的关键作用，在雄安开始科学装置投资建设。![]()
例如2023年1月，河北清华发展研究院对雄安SSMB项目落地的报道里说：“实地考察SSMB项目选址地点……介绍了SSMB项目作为突破‘卡脖子’关键核心技术的重要意义……就SSMB项目落地的有关事项和进度安排进行了深入探讨……”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，建成时间还不明确。![]()
从正面来看，SSMB-EUV光源在科学原理上发了《Nature》，在实际工程上也已经开干了，落地雄安。所以，这事肯定是真的。同时也要注意到，SSMB目前还是在基础研究阶段。雄安的SSMB新型加速器不是光刻厂，而是要建立科研平台，把SSMB-EUV光源的性能提升。对照一下历史，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，花了超过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，如果科学与工程上都是可行的，中国的进度会加快，但也不太可能立刻解决现实问题。我们无法对时间进度做精确估计，主要还是介绍技术背景。其实最重要的是，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。你可能会问：说了半天，SSMB究竟是啥？如果你真的想了解科学原理，下面我们来介绍一下。SSMB的全称是Steady-State Micro-Bunching，稳态微聚束。这个“聚束”，说的是电子聚集。SSMB光源是一种同步辐射光源。![]()
同步辐射的意思是，电子在接近光速的情况下做环形运动，会在切线方向发出电磁辐射，也就是光。一个常用的比喻是，下雨天转伞，就会有许多雨滴从伞的切线方向飞出去，这就好比同步辐射。同步辐射光源有很多优点，如全光谱、亮度高、窄脉冲、高准直。中国科学技术大学1989年建成的合肥光源，就是我国最早的大科学装置之一。![]()
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全光谱的意思是，从红外到深紫外以至X射线，各种频段都有。亮度高，就可以像X光机一样，用来探查物质的内部，而且比X光机功率更高，探查能力更强。其中EUV光可以用来作光刻研究，但前面也说了，不能工业化量产。![]()
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传统同步辐射光源的弱点，就是功率较低。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？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）。电子直线加速到接近光速，在波荡器里偏转发出同步辐射。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振荡的。通过巧妙的安排，电子束团就会变成“微聚束”，缩得很短，更加聚集，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。![]()
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SRF-FEL（超导射频自由电子激光）也是下一代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储存环里面，引入了激光调制。本来电子在储存环里，形成聚束是用“微波射频腔”（RF cavity）做的。现在改用复杂得多的激光调制系统，加上扭摆磁铁，横向纵向调制，把电子束更加完美地聚集在一起。SSMB在《Nature》的文章，就是说怎么实际调制，把电子束聚集得更加完美了。![]()
图a、b是没有经过激光调制的波形，比较宽。图c、d是激光和磁铁进行了一次调制的结果，中间有五个束冒出来了。图e、f是加了个滤波的结果，结果更显著了。实验只做了一次调制，继续调制应该是有技术困难，是后续工作。这样，SSMB就产生了和FEL类似的“微聚束”，但关键还加上了“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。SSMB是让电子束在储存环里绕圈，这样就有可能是“稳态”的，对于重复发光很重要。也就是说，它结合了两个特性：微聚束的相干辐射发强光 + 储存环高重频。![]()
这两个特性结合，SSMB-EUV光源进行光刻就很有潜力。看上去，确实比直线的SRF-FEL容易控制。让电子束在储存环里转圈，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光源纯净），镜片面积也只要十分之一。这看上去是巨大的优点，光源质量比激光打锡滴强，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》的综述中都提出了。一类是微聚束在储存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落地。这也是科研中常见的现象。实际搞研发的人在加班加点绞尽脑汁，而外行往往听风就是雨，有点进展就说得好像成功在即了，甚至已经成功了。有些人还把北京正负电子对撞机的图片拉来说是光刻厂，其实完全不相干。总体而言，SSMB-EUV是一个好方向，理论上很有潜力，相比LPP-EUV光源有明显的优势。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。但是离成功还有两大步要跨越。第一步是SSMB加速器产生出高质量的EUV光源，搭建好以大科学装置为基础的研发平台。第二步是以SSMB-EUV光源为基础，以量产为目标，研发适配的EUV光刻机。这一步虽然可能比LPP-EUV光源的光刻机容易一些，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。一个有趣的选择是，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。DUV的光束能量损失较小，先在难度低一点的平台上完成阶段任务。这几大步即使能够成功，时间也不会太短。但大图景是，中国在美国倒逼的“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。这是人类历史上少见的奇景伟业。雄关漫道真如铁，而今迈步从头越。
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