解读国产光刻机困局（九）哈工大的EUV光刻机光源

　　很多朋友询问哈尔滨工业大学开发的极紫外EUV光刻机光源进展怎么样了 ？
　　在聊这个事情之前，请朋友们做一个简单的小投票，大家认为哈工大的EUV光源功率是多少 ？EUV光源的三种主要原理
　　在聊哈工大EUV光源之前，我们先简单了解主要的3种EUV光源的历史：
　　第一代： 放电等离子体(Discharged Produced Plasma，DPP)
　　DPP是将靶材涂覆在阳极和阴极之间，两个电极在高压下产生强烈的放电使靶材产生等离子体。由于Z箍缩效应，当洛伦兹力收缩等离子体时，等离子体被加热，产生EUV光 （图1）。
　　而早在2003年，Xtreme公司利用Xe气在频率1 kHz条件下放电 ，研发出了XTS 13-35 DPP极紫外光源样机，该样机在2π立体角内获得35 W极紫外辐射功率。这是该公司的第一台商用样机。
　　图1：基于Xe气毛细管放电的DPP EUV技术原理图
　　第二代： 激光辅助放电等离子体(Laser-assisted Discharge Plasma，LDP)
　　LDP是将LPP与DPP结合起来，先用脉冲激光照射靶材，使靶材细化，再运用DPP技术放电使靶材产生EUV光 （图2）。
　　图2： LDP EUV光源技术原理图
　　2004年，荷兰 Philips 公司成功研制出 Nova Tin光源，该光源采用 Sn作为工作介质，可以实现200 W的13.5 nm极紫外光输出。此后，该公司对该光源不断改进， 于2010年将输出功率提高到 2π立体角内420 W，IF处输出功率34 W 。
　　2006年ASML公司激光辅助等离子体光源安装了α样机，但其IF处功率过低，不满足工业化要求。
　　值得一提的是，LDP技术的EUV光源虽然功率达不到大规模量产要求，但其稳定性已经非常高，可以实现28小时4亿次放电的稳定出光 （图3）。
　　图3：LDP EUV光源可以实现28小时4亿次放电的稳定出光
　　第三代：激光等离子体(Laser Produced Plasma，LPP)
　　LPP技术，是以高强度的脉冲激光为驱动能源照射射流Sn液滴，使靶材产生高温等离子体并辐射EUV光。 （图4）
　　图4：LPP EUV光源技术原理图
　　大家知道，目前商用的ASML的高端EUV光刻机采用的是LPP光源 。我们之前已经多次介绍，其基于20-40kW的MOPA二氧化碳激光器来实现高的EUV功率。在此不做赘述，有兴趣的朋友可以翻阅前文。2000-2020年哈工大EUV相关专利情况
　　我们先看看专利数据库调查的哈工大20年来的EUV光源的专利数据，其中有147条记录。图51是哈工大近20年的EUV专利发表的时间分布图。
　　图5：哈工大近20年的EUV专利发表分布图（灰色竖条高度代表专利数量）
　　我们可以看到两个明显的特征：
　　1，2007-2019年期间，其专利数量成每年大幅增加的趋势；
　　2，2019年后突然降低至0。可以看到，
　　众所周知，哈工大参与国家科技重大专项02专项课题--放电等离子体极紫外光源技术研究，正是2009-2015年。因此可以 大概了解这些专利02专项子课题执行期间的成果；可能在02专项一期验收后，EUV光源的研发工作趋于停滞状态。 2000-2020年哈工大EUV专利具体内容
　　由于英文专利数据库中包含了一些临时专利、专利申请文件、专利文件，为了更精确地分析哈工大EUV专利内容，我在中文专利数据库中重点了解了其34篇可查专利资料 。
　　整体上来说，除了一部分实用新型专利外，还存在大量地撤回、终止专利文件（图6，图7）。因此有效地发明专利数量大概10篇左右 。
　　图6：哈工大EUV相关专利中含有部分的实用新型
　　图7：哈工大EUV相关专利中含有较多的撤回和终止申请
　　其中主要的一些发明专利如下：
　　2013-09-23 ：极紫外光刻光源中光学收集镜直接车削加工精加工方法
　　2013-09-24 ：发明极紫外光刻光源中光学收集镜直接车削加工粗加工方法
　　2015-02-16 ：发明Xe介质毛细管放电检测用极紫外光源的放电室
　　2016-05-31 ：发明一种用于毛细管极紫外光刻光源的放电电极
　　2016-06-17 ：发明极紫外光光刻光源收集镜片集成用的基座
　　2016-06-20 ：发明毛细管放电Z箍缩极紫外光光刻光源的收集系统
　　2016-06-22 ：发明一种用于极紫外光源的电源中磁脉冲压缩网络的电路参数的获得方法
　　从专利列表中，我们可以看到哈工大的EUV光源技术实际上是基于Xe气毛细管放电技术 ，是早期的一种DPP光源技术。
　　值得一提的是，其中2016年的一篇专利《发明一种用于毛细管极紫外光刻光源的放电电极 》已经授权于黑龙江省工业技术研究院（图8）。是否采用该技术用于制造DPP光源，目前还不得而知。
　　图8：哈工大EUV专利列表中唯一一篇已经授权研究人员的情况
　　从哈工大的EUV专利资料中看，其中所有专利均出自这四位研究人员：
　　祝东远 、王骐 、徐强 、赵永蓬 。
　　祝东远 是哈工大2012年毕业的硕士研究生（图9），主要研究了极紫外光源收集系统的仿真设计及提出了一套加工方法。
　　图9：祝东远的硕士研究生论文截图
　　王骐 教授，是 哈尔滨工业大学航天学院光电子技术研究所博士生导师，总装备部光电子技术专家组成员，国家自然科学基金委员会学科评审组成员。哈尔滨工业大学核物理专业1964年本科毕业。 主持了2009-2012年的国家自然科学基金项目《放电等离子体极紫外光刻光源关键物理及技术问题研究  》（图10），该项目在国内技术空白的条件下，创新性思维研制了 建造了重频1kHz毛细管放电极紫外光刻光源系统 ，独立设计、研制了全部的各单元部件，突破了国内相关技术空白。该项目可以说奠定了哈工大的DPP研究基础。
　　图10：王骐教授主持的2009-2012年的国家自然科学基金项目
　　徐强 ，2014年9月毕业于哈尔滨工业大学物理电子学专业并获工学博士学位。徐强博士的毕业论文题目是《毛细管放电Z箍缩Xe等离子体EUV光源研究 》（图11），可见是EUV光源的研究主力。
　　图11：徐强博士的博士论文首页
　　徐强博士后来加入东北林业大学物理学院，东北林业大学2018年的主页上有徐强博士的简单介绍资料。徐强博士参与了DPP系统的主要研究，其 早期主要论文也是基于Xe毛细管放电的DPP EUV光源研究  。但可喜的是2019年，徐强博士连续发表两篇LDP研究论文：
　　1.  Xu Qiang, Tian He, Zhao Yongpeng, et al., Influence of Pre-Ionized Plasma on the Dynamics of a Tin Laser-Triggered Discharge-Plasma, Applied Sciences, 2019, 9(23), 4981
　　2.  Xu Qiang, Deng Xiaolong, Tian He, et al., Effect of Time Delay on Laser-Triggered Discharge Plasma for a Beyond EUV Source, Symmetry, 2019, 11(5), 658
　　赵永蓬 ，是哈尔滨工业大学2001年毕业的博士生，哈尔滨工业大学航天学院副院长。自1995年至今一直从事软X射线激光和极紫外光源研究工作，在国内外杂志发表论文70余篇。是EUV光源项目的领军人物。从公开资料看，赵永蓬教授是毛细管放电DPP EUV项目的主要负责人。但其研究方向是 短波长激光， 近期发表了一系列的论文，是基于毛细管放电原理的各种短波长激光器，其专长并非在EUV光源上。 赵永蓬教授也是徐强博士的导师。哈工大EUV研究方向
　　本文开头我们提到主要有三种EUV技术：第一代 DPP放电技术、 第二代LDP技术、 第三代LPP技术 。而 哈工大集中研究的是最早期的第一代基于毛细管放电的DPP技术 。
　　关于毛细管放电极紫外光源的发展历史大概如下：
　　1988年： 美国卡罗拉多州立大学学者Rocca， 首次提出用毛细管放电产生软X射线或极紫外激光 的台式激光器的构想。
　　1994年： Rocca小组首次实现了毛细管放电类氖氯产生 46.9 nm的激光
　　1997年： 美国学者Klosner的研究组利用LiH毛细管放电获得了 13.5 nm的软X射线 输出
　　1998年： Klosner研究组在 充有Xe的毛细管放电 过程中观测到强度较高的10~16 nm软X射线输出，实现技术突破。
　　也就是说，哈工大实际上掌握的是1998年美国Klosner研究组的DPP技术 。哈工大EUV研究结果
　　2018年12月 ，哈工大教授赵永蓬 教授发表综述文章（图1），讲述了哈工大在13.5nm放电Xe等离子体极紫外光源的工作。文中展示了最新的重复频率为1 kHz的放电Xe等离子体极紫外光源样机的实物（图13） 。
　　图12：:2018年论文综述哈工大EUV光源研究结果
　　图13：重复频率为1 kHz的放电Xe等离子体极紫外光源样机的实物
　　回到本文开头提到的投票环节，这里我们可以给出哈工大的EUV光源的功率了。数字请看图14。  朋友们？这个数字和你们的估计是一样的吗？
　　图14：哈工大论文中关于EUV功率的描述，其在IF点功率约为100mW结语
　　哈工大早期具有良好的EUV研究基础，王骐教授的博士生，张兴强，在2008年的博士毕业论文《毛细管放电的X光激光若干特性及紫外光刻光源研究》。此时距离美国发明Xe等离子体放电DPP技术也才10年，距离2003年，Xtreme公司推出的首款35瓦光源也仅仅过去5年。
　　然而可惜的是，当欧美日正在轰轰烈烈地开展LDP和LPP研究的同时，中国鲜有动作。并且在02专项依然以最落后的Xe气等离子体DPP技术作为攻关课题 ，失去了追赶的技术。而即便是在已经被市场暂时淘汰的DPP和LDP技术上，中国的基础研究也是相差太大。这期间，我发现哈工大有一位2014年硕士研究生李小强，做了一些激光辅助放电Sn等离子体13.5 nm极紫外辐射研究，然而并没有后续的工作。
　　更遗憾的是，我们并没有看到哈工大一代又一代毕业的学生能在EUV技术上坚守。当然这和科技发展的客观规律有关，我们不能苛责大学里几位教授、博士可以完成国外投入几十亿、几百亿、几十个顶尖光刻机制造团队共同攻关才得以完成的产业化大业。目前已经完成的公开报道的DPP光源也只有1998年美国研究的水平 。
　　我们从长春光机所、华中科大、上海光机所，一直讲到哈工大 ，其实我相信大多数朋友应该已经意识到，国内高校的整体研究状况和现实情况。我们并没有非常差，但是也并没有外界想象中的已经具备非常好的实力和技术储备。反而，我们看到，大多数技术仅仅停留在2000-2005年这一个时间节点上 ，也就是说，我们并没有开展任何EUV光刻机产业化的组织和能力。
　　至此，我想朋友们对国产EUV光源的研究情况应该已经有了比较全面的了解了吧？
　　下次见！
　　参考1：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/opph.201190189
　　参考2：http://www.chinaaet.com/article/3000019711
　　参考3：https://www.docin.com/p-1698390168.html
　　参考4：https://www.ipfeibiao.com/patent/view/2016103788627.html
　　参考5：https://science.nefu.edu.cn/info/1224/2235.htm
　　参考6：https://science.nefu.edu.cn/info/1197/1352.htm
　　参考7：http://homepage.hit.edu.cn/zhaoyongpeng
　　参考8：https://www.engr.colostate.edu/ece/faculty/rocca/pdf/journals/ECEjjr00092.pdf
　　参考9：http://www.opticsjournal.net/Articles/Abstract/zgjg/45/11/1100001.cshtml