近日清华提出的SSMB-EUV光源技术突然引发了群众极大的兴味。一个说法是，中国可以建减速器发生EUV光源，不同频率的光源可以给28nm、14nm、7nm、5nm等多种芯片制程经常使用，用“光刻厂”代替ASML一台台的EUV光刻机，以出乎预料的翻新思想打破美国封锁。这个想象“深刻易懂”，觉得先进的国产光刻机一下有宿愿了。

群众对SSMB-EUV这种很难懂的同步辐射光源发生兴味，基本要素是宿愿打破美国技术封锁，将清华的钻研产业化，协助消费出高性能国产芯片。

本文从产业工程角度，重点引见芯片制作与光刻的一些关系技术细节，也引见SSMB、EUV、同步辐射等关系的迷信原理。了解足够的工程技术细节和迷信原理之后，关于“光刻厂”这类幽默的想象，就能正确看待了。

本文要点：

一、芯片制作产业知识

将四价硅掺杂参与大批三价硼和和五价磷做出PN结，再加上金属氧化物做个控制门，就能做成某类晶体管。海量晶体管密集陈列，按特定设计相互衔接，就是芯片。芯片制作最关键一步是晶圆加工，在FAB工厂里，在高纯度的硅晶圆（wafer）上方，做出一个个的相反的裸芯片（die）。前面须要做出硅晶圆，前面须要将die切开，加盖、加引脚、封装、测试，难度都相对低。

首先要有概念，工业应意图义上的芯片产量是海量的，不然老本太高。如近日引发惊动的某爆款手机的芯片，业界预计有1000万颗的量，后因需求火爆增至1500-1700万颗，又再上调到2000万颗。

上千万颗芯片，如何在不太长的期间内制作出来？关键是一片wafer上能一次性性制作出少量齐全一样的die。以12寸晶圆（指英寸，还有8寸、6寸的）为例，它的直径是约300毫米，面积是70659平方毫米。先进芯片的晶体管密度能到达惊人1平方毫米1亿个，整个芯片有上百亿个晶体管，成功复杂的5G基带与手机SOC配置。假定一个die面积是140平方毫米，一片wafer上就或许有约500个die的位置。

芯片制作有“良率”的概念，便捷地说，假设这500个die在FAB加工终了，下单的商家拿去一测，发现有400个是配置合格的“活”die，良率就是80%。先进芯片加工的良率有时不高，但也不会太低，不然没有商业意义了。如按50%预计，一片wafer也应该有200个以上的die是活的。

FAB工厂的产能普通用每月能加工多少万片wafer来说明，多的可以1个月10万片，少的也有1万片。假设每月1万片，每片200个活die，一个月就有200万颗芯片，一年能消费出2000万颗以上的芯片了。

有些疑问的人会以为，芯片制作全靠光刻机，工厂就是有个外围机器光刻机，晶圆送出来，外面用光在上方把芯片“刻”出来，关键的加工就成功了。如有的人说，买到100个光刻机，就能建100条芯片消费线，或许就是这么便捷了解的。

其实更适合的说法是，芯片上的晶体管是“蚀刻”出来的。用等离子体物理冲击或许化学药水浸泡之类的方法，在wafer上造出沟沟槽槽，最后就把晶体管的外形挖出来了。然而哪挖哪不挖，这是由光刻疏导的。可以说，凡是要蚀刻了，都要先光刻，经过“掩膜板”（mask，光罩）通知蚀刻冲哪下手。而且挖沟槽的的方法十分复杂，有时要重复地挖，经常还要在上方堆积笼罩一层各种资料。每一步做完，还得荡涤。

实践FAB加工晶圆的步骤极为复杂，多的或许要上千步，光刻就要重复做屡次，普通须要多个光刻机。一个复杂的先进制程芯片，用于光刻的一套光罩就或许有好几十个。关键步骤须要精度高的光刻机，也有精度要求低些的，可以用低配的光刻机。如wafer上的晶体管层做好以后，在上方做衔接的金属导线层，精度要求就低不少，由于可以象建楼房一样，分红好几层来放导线，每一层导线的距离可以宽一些。

一片wafer开局加工，到最终变成die交付给客户，由于步骤很多，环节或许要几个月。这往往是由于，消费线上的机器，不仅是消费一个芯片，会排班加工别的wafer。如何布置，将不同芯片的wafer在指定的期间送到指定的机器上，是FAB消费流程治理的关键疑问。即使全力保障一个芯片的加工流程先跑，工序多的，一片wafer怎样也要一两个月才跑完。

客户让FAB加工芯片，不是下单就有，即使追加订单，也要过几个月才有。无论如何，几个月就能消费出上千万颗芯片，这是海量的加工才干，量过去了，单个芯片才不会太贵。所以，FAB的消费才干是芯片工业运行的关键，一个月要最少能处置一万片这么多的wafer。

而且，光刻机处置一个wafer，不是一次性能完事的，基本会来好几次，有时要多重曝光，要上十次。所以，即使只处置一个芯片产品，一个月只做1万片，一个光刻机或许也要做10万次光刻。FAB是周末也不敢让机器停的，要排班开工，一个月30天，每天或许要光刻3000次，光刻机平均一个小时做一百次光刻，是很经常出现的节拍。

因此，从工业消费的角度粗略预算，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分到的光刻期间，只要0.1秒这个级别。假设搞不过去，就得加多个光刻机并行处置了。

先进的光刻机就是这么极速运作的。一片wafer放在任务台上，任务台在磁悬浮系统操控下，不停地游动，看上去基本就没有运动。其实这是在“步进扫描”，任务台在按某种智能程序走走停停，停上去就是对准了，在0.1秒期间内光线打上去瞬间成功光刻，把光罩上的图案投影到某个die的区域（实践是shot，可以便捷了解成一个die的大小），和上方涂的特种光刻胶出现“光化学反响”，成功曝光。曝光极速成功，任务台又极速步进扫描到下一个位置，看上去和没停一样。走走停停的减速度十分大，对任务台运动控制、定位的精准度要求十分高，这也是光刻机制作的最外围难点之一。

ASML的光刻机型号有TWINSCAN的说法，从运作录像上看，是两个任务台在上方游动。这并不是两个任务台同时在启动光刻，而是一个在步进扫描光刻，一个在“预对准”。预对准是说，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，判别好是怎样陈列的，每一步要跳多少纳米过去才干准确对准，把这些数据先记上去。等在光刻的那个任务台处置完了，立刻就把预对准的这个任务台挪过去，按测量好的数据布置好步进扫描的智能程序开局光刻。

无论是EUV光刻机还是DUV光刻机，都是很先进的机器，关键在于工业消费的量和速度要求十分高。假设慢腾腾地每一步都要从新对准，假定光刻机一分钟才干处置一个die，一天也就处置1000多个die，只能搞完一两片wafer，那工厂不要开业了，早赔死了。

这是普通人不知道的，不了解光刻机要极速智能精准延续运作，对要求有多高不清楚，容易低估工业运行级别光刻机的性能要求。

用同步辐射EUV光源启动芯片加工，其实不是新颖事。最早的时刻，钻研者就是用同步辐射减速器的EUV光源启动芯片工艺钻研的，如今也不时都有，经常有论文。如保罗谢勒钻研所，常年用瑞士的同步辐射减速器探求EUV光刻的新技术，在学术界，EUV光源也称之为软X光。然而这类钻研的特点是不考究“量产”，也不须要省期间，缓缓地做几片，测一些数据，就可以宣布有探求意义的发现了。以前没有能工业运行的EUV光源，就是这么搞钻研的。

从产业角度看，芯片业最关键的还是要工程运行，要量产，要经济意义上成立。经过上方的计算可知，这个要求特意高，量产的良率与消费速度无法思议地高。假设对芯片制作产业流程没有深化了解，会很难想象，现代的FAB怎样可以如此极速地加工消费出海量的芯片。

这也是有个环节的，一开局手工制作芯片，或许半智能半手工，产量都高不上去。1977年7月，邓小平与30位科技界代表在人民大会堂座谈，半导体学界的王守武说：“全国共有600多家半导体消费工厂，其一年消费的集成电路总量，只等于日本一家大型工厂月产量的十分之一。”这就是手工与智能的区别，看着芯片制程差距不大，实践面前的制作流程差异很大，技术水平差异很大。

如今，中国一天可以消费10亿颗芯片了，提高十分大，都是智能化机器干出来的。芯片制作曾经肯定是机器智能做的，人只能去治理机器。机器消费芯片，各个流程在十分极速地流转，是规范的流水线消费形式。只是芯片FAB消费线容易出疑问自愿停下，须要很多有技术的人来保养消费线顺畅运转，这一点比其它商品的消费线要艰巨得多。

二、DUV、LPP-EUV光源

上方说的芯片制作环节，对传统芯片（28nm及以上）和先进制程芯片（14nm及以下）都是通用的。目前用的光刻机关键是DUV的，193nm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波长变成134nm。

前面还有汞灯光源（不是激光），g线光刻机是436nm波长，i线光刻机是365nm波长。还有KrF（氟化氪）准分子激光器的248nm光源。

依据瑞利准绳公式和通常结果，193nm光刻机的分辨率是波长的三分之一，能用来做65nm的芯片。浸润式光刻机的134nm波长，按法令可以做45nm的芯片。然而镜头在水里效应优化，又经过OPC补救算法（光罩上图形的角上，弄成特定的复杂外形而非原来的方形，最终成像反而会更凑近方形），最终分辨才干优化到了28nm。这就是经典的28nm芯片的由来，坊间有所谓“28nm光刻机”的说法，其实是193nm的光源。

28nm及以上制程的传统芯片，外面的晶体管是MOSFET，可以了解为一种平面的晶体管，有个控制门Gate，从上往下这“一个方向”施加电压，控制晶体管的0-1导通形态。28nm指的是Source和Drain两个栅极之间的宽度，整个晶体管有100nm以上这么宽。

FINFET晶体管就更新成“平面”的，如上图，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形态。三个方向的平面影响，比MOSFET的一个方向的平面影响要灵便，所以FINFET晶体管的功耗更低、主频更快。然而这个晶体管，就要象鱼鳍一样，造出往上伸出的薄薄的fin，工艺要复杂多了。须要留意，FINFET晶体管在wafer上也还是一层，并没有堆出几层来，泛滥晶体管还是平面陈列的，只是fin是平面结构对控制电压敏感了。

用DUV浸润式光刻机和FINFET晶体管工艺，可以造7nm-14nm制程的芯片。关键的方法是多重曝光，最多是四重曝光。便捷地比喻，先在wafer上造出28-28-28-28nm这样距离的线条，而后移动14nm，再来做一套28-28-28-28nm距离的线条，就能用双重曝光组合出14-14-14-14nm距离的线条。假设四重曝光，就能组合出7-7-7-7nm距离的条纹。当然这只是类比，实践要复杂得多，然而基本原理就是把原本一张光罩做的事，拆成很多张光罩来做。到7nm，工艺就十分费事了，光罩数量须要十分多，然而业界低劣的公司居然真的用DUV光刻机成功了7nm芯片量产。

值得留意的是，28nm及以上的传统芯片，它的“制程”是实打实的，说28nm真实栅极距离就是28nm。而先进芯片的7nm-14nm，包含再往下的5nm、4nm、3nm芯片，栅极宽度并不是标称的值。各家制作芯片的公司各自宣称，依据功耗等性能目的的改良，按摩尔定律算出来一个“等效面积”（PPA，Power Performance Area），说是7nm，实践测量或许是10nm。英特尔说的10nm工艺就是真实的，说是10nm，目的相当于别家的7nm了。

可以看出，用DUV光刻机来做7nm芯片，曾经“穷尽”了招数，才干用193nm的光源，获取7nm的效果。浸润式、镜头改良、OPC补救、多重曝光、晶体管平面化、等效面积，这才从193nm光源方式上成功了7nm的效果。用DUV光刻机加工先进芯片，工艺十分费事，良率低、老本高。

大家都知道，前面业界是用13.5nm的EUV光源改善了状况，所以才叫EUV光刻机。为什么从193nm光源直接就跳到了13.5nm？之前436-365-248-193nm这样降，前面不应该是再降一点么？

原本确实是这个想法，业界（关键是日本尼康）试了157nm的F2（氟气）准分子激光器光源，光刻机也造出来了。喜剧的是，157nm波长的光，很容易被各种资料排汇掉，曝光性能很不好，要抽成真空来才行，很费事。所以业界丢弃了157nm波长光刻机，相似波段的光都有被资料排汇掉的重大疑问。光源须要经过反射、折射，经过空气、镜面、物镜抵达wafer，必需还有足够能量用于曝光，不能被排汇得功率无余了。

最终发现13.5nm的EUV光源，经过反射以后，强度可以用来搞光刻。这是试验的结果，有很常年间的探求环节。

前面说了，工业运行的EUV光刻机要能极速准确地曝光，0.1秒这么短的期间就要和光刻胶反响好，光的功率也要足够。当任务台将wafer移到特定位置时，强度足够EUV光线就得过去，这十分艰巨。目前工业运行的是二氧化碳激光打在锡滴上，发生EUV光，再经过复杂的光路反射抵达wafer。

这就是LPP-EUV光源（LPP，Laser-produced Plasma），二氧化碳激光打在不时滴落的锡滴里，发生不多的一些EUV光。而后用11个镜子不时反射过滤，最终将这些EUV光疏导到wafer上。由于锡滴发生的EUV光不多，关键是别的杂质光源，如何过滤、汇集、改过光束，十分费事，须要很高水平的镜片系统。

听说EUV光刻机的镜片，是环球上最润滑的物体之一，超越了中子星外表。而且镜片也要十分大，超越一米的直径。假设把镜片加大到地球这么大，外表毛糙度也只要0.2毫米。这是由于镜面反射会加大误差，只要把镜面做得极为润滑平坦才行。

经过屡次反射以后，即使光束每次反射依然有70%的能量，11次也只剩下了2%的能量了。因此，LPP-EUV光源就须要生成渺小的能量。ASML的EUV光刻机是美国Cymer公司担任光源（也是EUV光刻机断供中国的技术源头），须要每秒发射5万次高功率二氧化碳激光轰击锡滴，技术难度十分高。

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发生的，EUV光源只能直接发生一些。然而DUV光刻机的镜头组、对准系统，也是十分艰巨的，精度要求也十分高了。EUV光刻的精度要求更高，但相比DUV光刻，关键还是光源系统更为复杂。由于光源的能量绝大少数糜费掉了，还有额外的散热疑问，风冷水冷一堆费事事。

还有坏信息，EUV光刻机的光源功率做不上去了，也就是500W。EUV光刻机关于3nm芯片加工就有些费力了，老本很高，普通客户曾经不敢下单了，有需求无余的疑问。再往下做，不是老本的疑问，是光源的功率不够了。

业界须要找到更好的光源，而SSMB-EUV光源就是选用之一。

三、SSMB-EUV同步辐射光源

这是清华唐传祥、邓秀杰2022年在《物理学报》上宣布的《稳态微聚束减速器光源》综述文中的总结。综述文显然对SSMB成为更好的EUV光源抱有较大宿愿。

关系的迷信“师承”与关键成绩大概是：

1. 1971年，赵午从台湾到纽约州立大学石溪分校师从杨振宁。杨振宁让赵午学习科朗的减速器课程，1974年赵午博士毕业时，很有目光地压服他不要选出路不大的高能物理畛域，把减速器当关键钻研方向。赵午成为减速器畛域的顶尖学者，在美国斯坦福大学线性减速器中心任职。

2. 2010年，赵午与博士生Ratner提出了SSMB的想象，但学术界和业界没人有兴味。2015年赵午看法到，要被动在学术会议上宣传想法。

3. 赵午成为清华大学客座传授，杨振宁也在清华，协助树立了SSMB钻研团队。

4. 清华团队与德国团队协作，2018年在德国马普所的ELBE环形减速器上启动了改良试验。之后取得了打破，数据很好，开了茅台庆贺，关系成绩2021年宣布在《人造》上。

5. 中国看法到SSMB-EUV光源对光刻机研发的关键作用，在雄安启动了迷信装置投资树立。

从清华2023年终的官网资讯看，雄安SSMB名目登程点就是为了芯片“卡脖子”，有部委允许。可以看出，名目选址地点有了，修建模型有了，但应该还在落地环节中，啥时能建成不太清楚。

因此，SSMB-EUV光源从迷信原理上，国内顶刊《人造》认可。在实践工程上，也曾经开干了，落地雄安。所以，这事相对不是忽悠，钻研团队是真的要把SSMB-EUV光源给干出来，数亿的投资应该批上去了。

要留意到，SSMB目前显然还是在科研阶段，雄安在建的SSMB新型减速器，是要树立科研平台，把SSMB-EUV光源的性能优化。这离实践造出EUV光刻机还差很远，不宜过火失望。LPP-EUV光源从提出想象到开发成功，到进入实践工业运行量产，有超越20年的期间。ASML开收回EUV原型机用了13年，到实践量产运行，又是近10年。

在卡脖子的压力下，假设迷信原理与工程上都是可行的，中国的进度会快许多，但也不太或许立刻处置疑问。本文无法对期间进度作出预计，关键还是引见关系技术背景。其实最关键的还是，SSMB-EUV光源启开工业光刻运行能否可行。只需可行，置信中国肯定无能出来。

为了协助对迷信感兴味的读者了解，前面引见下SSMB同步辐射光源的迷信原理。

SSMB，就是Steady-State Micro-Bunching，稳态微聚束。这个“聚束”，说的是电子汇集。SSMB光源，是说其中的电子在凑近光速的状况下，在磁场中偏转，会在切线方向收回电磁辐射，也就是光。而这就是同步辐射（SR，Synchrotron Radiation）减速器出光的原理。电子在减速器里由于磁场解放绕圈，一秒能几百万圈，相当于存储在环里，一边绕一边发射电磁波。由于电子速度十分高，数量不少，能量也就不低，收回的电磁波就很多。

为什么叫同步辐射，其实是历史的误解，最后发现电子收回切线方向的光，是在通用电器的一个同步减速器里，所以这么叫了。同步辐射光源自身没有啥同步的，特点是全光谱、亮度高、窄脉冲、高准直。

全光谱就是说，从红外到深紫外（EUV）乃至X射线的光谱都有。亮度高，就可以象X光机一样，用来探查物质的外部，而且比X光机功率更高，探查才干更凶猛。其中一些EUV光可以用来作光刻钻研，前面说了，工业化量产是不行的，效率太低。

“功率较低”就是传统同步辐射光源的弱点。只管同步辐射光比X光机要更亮，然而人们总想要更高功率，工业运行要求很极其，EUV光刻就是一个。同步辐射光源为什么功率低，是由于电子束长度太大，没有相干性，电子收回的电磁辐射是“非相干叠加”，功率就不高了。

1971年提出的改良方法是“自在电子激光”FEL（free-electron laser），关键是有一个“波荡器”（Undulator）。电子发生后直线减速到凑近光速，在波荡器里偏转收回SR。然而与电子转圈的减速器磁场不一样，这个波荡器的磁场是震荡的，经过奇妙的布置，电子束团就会变成“微聚束”长度缩得很短，愈加汇集，还有相干性了，出来了“相干辐射”（Coherent radiation），功率指数参与直到下限，亮度能比传统同步辐射高上亿倍，当然是脉冲的。

SRF-FEL（SRF是超导射频）也成为下一代EUV光源的选用之一，功率是强了，然而造价高。留意这个FEL装置是直线搁置的。

稳态微聚束的关键思想，是在传统同步辐射减速器的电子存储环外面，引入了激光调制。原本电子在存储环里，构成聚束是用“微波射频腔”（RF cavity）做的，改用复杂得多的激光调制系统，加上扭摆磁铁，横向纵向下手调制，奇妙地把电子束愈加完美地汇集在一同。SSMB能在《人造》上宣布文章，就是说怎样实践下手，证实了电子束外形确实愈加完美了。

上图，图ab是没有经过激光调制的波形，是宽的。图cd是激光和磁铁启动了一次性调制的结果，两边五个束冒出来了。图ef是加了个滤波的结果，结果更显著了。当然试验只干了一次性调制，继续调制应该是有技术艰巨要克制，是后续任务。

SSMB就发生了和FEL相似的“微聚束”，然而关键还加上了“稳态”。FEL不是稳态，电子团在波荡器里自在相互作用，最后收回强光完事。SSMB是让电子束在存储环里绕圈，这样就有或许是“稳态”的，关于重复发光很关键。也就是两个特性联合：微聚束的相干辐射发强光 + 存储环高重频。

清华钻研论文以为，这两个特性联合，SSMB-EUV光源启动光刻就很有后劲。看上去是比直线的SRF-FEL好，愈加好控制。让电子束在存储环里转圈，须要发强光了，就让微聚束收回相干辐射，导出EUV光源启动光刻。

据赵午2021年在杨振宁学术思想研讨会上的视频引见，SSMB-EUV光源做光刻机的好处是：只需三块反射镜（由于SSMB-EUV光源比LPP-EUV光源要污浊），镜全面积要求也小得多，只需十分之一。这看上去是渺小的好处，光源品质上比ASML的EUV光刻机强，零件开发难度必需能降低不少，镜片的要求就降低了。

然而这渺小好处，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》的论文综述中都真实地提出了，技术细节较尴尬懂。一类是微聚束在存储环中发生与维持的疑问，一类是SSMB相干辐射发光的疑问，都须要很多后续钻研。

电子微聚束听上去不错，然而电子在转弯，会纵向滑移，聚束就没法维持了。激光和电子微聚束要以奇妙的角度调制，怎样坚持好角度，也很艰巨。这类实践疑问，在工程中会成为渺小的费事，让看上去不错的通常结果迟迟无法成功落地，出现一时难以克制的大疑问简直是肯定的。

这也是科研中经常出现的现象，实践搞研发的人一身冷汗，一堆疑问等着处置，在加班加点不假思索。外界看见点苗头，就说得好象成功在即了，美国技术封锁马上完蛋了。有些人甚至把北京的减速器图片拉来说是光刻厂，其实齐全不相干。

团体判别，SSMB-EUV是一个好方向，从通常上很有后劲，相比LPP-EUV光源好处显著。假设最终SSMB减速器建成，成功地提供EUV光源启动光刻，这确实是一个形式打破，从小型的EUV光刻机，变成靠大型装置处置疑问。

然而最终成功还有两大步要超越。一个是SSMB减速器落地雄安，发生出了高品质的EUV光源，搭建好以大迷信装置为基础的研发平台。再一个是以优质的SSMB-EUV光源为基础，以量产为目的，研发适配的EUV光刻机，只管难度应该比ASML的LPP-EUV光源的光刻机要低，但也是很艰巨的。

EUV光刻机有光源、工件台、物镜、激光干预仪等关键部件，每个部件的开发都十分难。更艰巨的是，将一切部件组分解完整的系统时，相互婚配会很艰巨，甚至捉襟见肘出现抵触。

一个研发选用是，清华SSMB减速器出光以后，不是直接研发EVU光刻机，而是先与DUV光刻机对接，光束能量损失较小，先在难度低一点的平台上成功阶段义务。

这几大步即使成功，期间不会太短。然而，中国在美国倒逼协助下，开局想各种方法处置极为艰巨的迷信与工程疑问，许多人将奇思妙想与工程成功联合，这个环节将是激动人心的。越是艰巨的疑问，成功的收获越是渺小，咱们可以学习了解迷信原理与技术背景，并耐烦期待。

■ 作者简介

陈经

中国迷信技术大学计算机迷信学士，香港科技大学计算机迷信硕士，科技与策略风波学会会员，《中国的官办经济》作者。