目前人类能够实现的产生极紫外光的方式总共有四种:同步辐射光源、自由电子激光、电激发等离子体光源、激光激发等离子体光源。
ASML的EUV光刻机使用的光源便是第四种,使用高能二氧化碳激光轰击液态金属锡激发极紫外光,英文缩写为LPP-EUV。
但是如果能够跳出“光刻机是一台机器、一台设备”这样的固有思维局限,设想除了“一台设备”之外其他可能存在的形态,或者是除了光刻机之外其他能够实现雕刻晶圆功能的东西,那就能发现许多让人意想不到的方法,比如被人们称作“光刻厂”的SSMB-EUV。
利用同步辐射光源原理生产极紫外光用于芯片制造的思路并非清华首次提出,曾经的日本半导体产业、美国英特尔公司都曾提出过该设想,但都因为各种各样的原因未能走向实际。
此次清华提出的SSMB-EUV也并非普通的同步辐射光源,而是基于同步辐射光源技术,针对芯片制造需求重新设计的一种电子加速器光源系统,其基本原理与同步辐射光源相同,但具体的技术方案有很大的区别。
目前ASML的LPP-EUV光刻机有一个很致命的缺陷就是转换效率极低,经过内部多重能量转换和光路控制后,大约只有千分之二的输入功率可以转化为有效输出功率,其他能量基本都以热量的形式耗散掉了,随着输入功率不断增加,边际递减会越来越严重,同时由于客观物理规律的限制,LPP光源理论最高功率无法超过500瓦;目前ASML第一代LPP-EUV光源输出功率约为250瓦,正在开发的第二代光源据说输出功率达到了接近400瓦的水平,再往上就基本无法提升了。目前LPP-EUV即将遇到瓶颈,因为越高的制程,需要的输出功率越大,要不了多久,LPP-EUV将无法满足未来更高的制程对更大功率的需求。
SSMB-EUV则采用了完全不同的技术路线,得益于同步辐射原理的优越性,SSMB-EUV未来潜力巨大,理论输出功率无上限,且同步辐射的光源质量天生优于LPP这种激发式光源,因此相比LPP体系,SSMB体系可以省去大量的控光组件,大幅精简控光系统,降低系统的复杂性和能量损失,实现更高的可靠性和更高的能耗比。同样也是得益于同步辐射原理,SSMB光源的波长可调,理论上从红外线到X光可以自由调节,想要什么光就可以调出什么光,相比于LPP光源的固定输出波长就是降维打击。同时由于SSMB远超LPP的输出功率,一台SSMB光源可以同时供应多台光刻机生产,产能可以比LPP高出至少两个数量级。
SSMB-EUV最大的缺点就是体量大、消耗大、前期投入大,属于大型基础设施而非传统光刻机这种“可移动的设备”,但是对于中国来说,这些都不算缺点甚至是优点。一旦建成投产,将会对传统光刻机形成“工业化流水线对作坊式生产”的降维打击。这便是ASML的CEO温宁克在电视采访中说出“中国人会以他们意想不到的方式解决问题”的原因
另外还有一个振奋人心的消息是,除了SSMB之外,国内还有另外两条已知的EUV光源路线,且都取得了重大进展,分别是同样激进的基于自由电子激光的光源方案,拥有和SSMB-EUV一样巨大的潜力和体积;以及和ASML相同路线的LPP-EUV。其中LPP-EUV路线应该是起到一个保险作用,防止另外两个或者多个激进方案翻车之后中国无EUV光源可用。