解读国产光刻机困局（五）中国的EUV光源在哪里（上）？

　　--我们从哪里来？又到哪里去？2003年长春光机所：金春水博士的EUV光源装置
　　故事再次回到20年前：
　　彼时，后来的科技部副部长、02专项光刻机工程指挥部总指挥 曹健林教授 仍是长春光机所研究员、博士生导师。 曹健林教授的一位博士生金春水 ，也就是后来02专项＂极紫外光刻关键 技术研究＂项目的负责人，于 2003年 发表的博士学位论文 《极紫外投影光刻中若干关键技术研究》 。
　　我们上次已经聊过，金春水博士的EUV演示系统。然而在金春水的博士论文里的8个章节里，我并没有看到有EUV光源这个核心系统的研究 （图1） 。
　　图1：金春水博士的论文章节构成和内容
　　我在2002年金春水博士的一篇中文论文中，看到了部分其实验装置的EUV光源描述 ：激光等离子体光源由脉冲输出能量为1J、重复频率为10Hz、脉冲宽度为10ns的1.06 um YAG激光器 及聚光镜和旋转的金属铜靶 组成。
　　阅读我前几篇解读系列文章的朋友们，现在应该很了解了，ASML的EUV光源采用的是二氧化碳MOPA系统激发射流Sn液滴 产生的250W以上光源。
　　而金春水博士采用的YAG激光器 激发金属铜靶 是三十年前最早的Schwarzschild系统研究采用的设备，距离最新的EUV光源概念还很远。
　　图2：2002年金春水博士的一篇中文论文《极紫外投影光刻原理装置的集成研究》
　　图3：金春水博士论文描述的EUV系统2004年：射流LPP-EUV方案横空出世，EUV的春天即将来临了
　　图4：2004年瑞典皇家理工学院创造性的发明了射流激光等离子体EUV发射装置
　　就在金春水博士为中国第一套EUV演示系统奋战的时候，国外已经如火如荼地开展了大量的EUV光源研究。
　　2004年初，瑞典皇家理工学院创造性地发明了射流激光等离子体LPP-EUV发射装置，成功地将EUV的转换效率提升到2.5%。 而此前采用固体Sn靶的最高记录只有1.6% 。
　　在初期的研究中，瑞典皇家理工学院采用的仍然较为传统的1064nm 的Nd:YAG激光，所以效率提升并不明显。但正是这个射流LPP技术打开了EUV功率提升的大门 。8年之后，ASML正是通过收购Cymer的LPP EUV技术，一举打入EUV光源的市场。
　　图5：瑞典皇家理工学院设计的射流激发LPP EUV系统2004年：日本Gigaphoton如获至宝
　　日本光刻机光源供应商Gigaphoton 自2002年开始一头钻进了LPP方案，一直苦于其LPP转化率太低。当2004年看到这篇射流LPP文章后，立即在当年搭建了自己的射流LPP系统（图6,7,8）。
　　图6：Gigaphoton的LPP 布局图
　　Gigaphoton采用早期的YAG激光MOPA系统，一战而成功。至2005年，通过升级二氧化碳激光器MOPA系统 ，成功将EUV光源转换效率提升到4%（图9） 。
　　图8：Gigaphoton于2004年完成的YAG激光MOPA系统
　　图9：Gigaphoton于2005-2006年发表4篇论文报道提升射流系统的转化效率
　　Gigaphoton不断改进射流系统性能，至2014年实现了100kHz，20微米液滴 的控制（图10）。
　　图10：Gigaphoton不断改进射流系统性能，至2014年实现了100kHz，20微米液滴的控制。2005年：哈尔滨工业大学
　　在2004年的射流LPP方案 出来之后，至今有一百多次的引用。我们在引文资料里，看到了主要的研究单位，除了ASML，瑞典皇家理工以及七八家日本单位里，也看到了哈尔滨工业大学 （图11）。
　　图11：2004年瑞典皇家理工学院论文的引用单位列表
　　哈工大的这8篇论文是 （图12，13）：
　　1，2005年 ：EUV光刻用氙气放电等离子体辐射源
　　2，2008年 ：用于半导体制造的箍缩等离子体辐射的极端紫外源
　　3，2008年 ：Z箍缩放电等离子体中极端紫外辐射与氙气流量的关系
　　4，2008年 ：锡靶高功率EUV光刻源
　　5，2008年 ：EUVL电源预/主脉冲电源的设计
　　6，2010年 ：以Xe为靶的毛细管放电极端紫外辐射的观测与分析
　　7，2011年 ：以Xe为靶的毛细管放电对10~70 nm极端紫外辐射的观测与分析
　　8，2013年 ：He/Ne/Ar对毛细管放电EUV发射和Xe等离子体的影响
　　图12：2005-2008年哈尔滨工业大学发表的EUV光源论文
　　图13：2008-2013年哈尔滨工业大学发表的EUV光源论文
　　然而，打开2005-2013年哈尔滨大学发表的8篇EUV光源相关的论文，我们可以惊奇地看到这8篇居然没有一篇采用了射流LPP方案 ，而是全部聚焦于电驱动的DPP方案 ！
　　而看过我前面几篇解读文章的朋友，又可以惊奇地发现，这8年正是LPP光源实现了商业化节点的关键8年 ！Gigaphoton正是利用这一契机，一举实现光源的突破，大步迈向了250W光源的目标而去（图14）。
　　图14：Gigaphoton的LPP光源2004-2010年发展进度。
　　而这失去的EUV光源发展的黄金10年，中国产学研界到底发生了什么？我不得而知。 2011年：华中科学技术大学，LPP-EUV光源的蹒跚起步
　　与此同时，当长春光机所还苦于没有光源，而哈尔滨工业大学正踌躇满志地开发DPP光源之际，我们另一位主角登场了：华中科学技术大学。 华中科技大学的目标所向，必是LPP光源。
　　我们在2012年的一篇论文中，可以看到华中科技大学的王新兵教授及学生吴涛发表了《基于脉冲CO2激光锡等离子体光刻光源 的极紫外辐射光谱特性研究》（图15）。
　　这篇论文中使用的是二氧化碳激光器激发固态Sn靶 （图16），是2004年射流方案发表之前，常用的一个EUV研发系统使用的方案，还未提及射流LPP的概念 。
　　图15：2012年王新兵教授发表《基于脉冲CO2激光锡等离子体光刻光源的极紫外辐射光谱特性研究》
　　图16：2012年王新兵教授发表《基于脉冲CO2激光锡等离子体光刻光源的极紫外辐射光谱特性研究》的实验系统
　　然而，在2011年的一篇硕士学位论文中，王新兵教授的硕士研究生王晶发表了其硕士学位论文：《激光等离子体极紫外光源液滴锡靶发生器的研究 》（图17）。
　　我们终于看到国产的射流发生器了。为了让朋友们看得更清楚一点，我特地摘录了所有重要的图片（图18-22）：包括图21的液体Sn靶的容器和图22的射流照片。 文中提到，该系统可以稳定工作数小时。
　　图17：2011年王晶发表的硕士论文封面
　　图18：2011年王晶发表的硕士学位论文关于射流系统的描述
　　图19：2011年王晶发表的硕士论文中射流系统的结构示意图
　　图20：2011年王晶硕士论文中的射流系统图
　　图21：2011年王晶硕士论文中锡容器和真空腔实物
　　图22：2011年王晶硕士论文描述的射流Sn液滴照片
　　工欲善其事，必先利其器，此后华中科技大学相继于2013年发表了转换效率最高达到1%的LPP数据 ，以及2014年发表了二氧化碳激光器和YAG激光器的激发射流Sn液滴 的初步相关研究。但是我们也可以看到，此时完成的还仅仅是重现2004年瑞典皇家理工学院的部分工作 （图23,24）， 可能还没有达到当时的指标。
　　图23：华中科技大学发表EUV转化效率随激光功率的关系图
　　图24：华中科技大学完成初步的二氧化碳激光器和YAG激光器激发射流Sn液滴的测试
　　值得一提的是，华中科技大学于2013 年发表了《一种激光等离子体极紫外光源的液滴靶 产生方法及其装置》（图25，专利号： ZL201310062528.7）。这可能是国内比较早期的LPP-EUV光源的专利，我也会在我的解读EUV光源专利系列里，再讲一下这篇专利。
　　图25：2003年华中科技大学王新兵教授课题组发表的LPP-EUV光源专利信息结语
　　如同前次一样，阅读轰轰烈烈的EUV技术资料历史，我的内心总是汹涌澎湃。这里谈谈我的感受：
　　1，瑞典皇家理工学院的射流LPP设计，看上去如此优美、简洁，却蕴含着科技创新的智慧 。（也许我只是因为知道了它带来的技术变革，才会有这种想法吧）。
　　2，日本Gigaphoton极其敏锐地抓住了这一个瞬间 ，终有大成。
　　3，哈尔滨工业大学入场早，却赶了晚集 ，的确令人唏嘘。
　　4，华中科技大学的LPP研究 为中国的EUV光源重新打开了一条路，虽然此时已经过去了将近十年的EUV发展的黄金时间。
　　我们没有理由去抱怨暂时的落后，也没有理由去指责任何人。都是一样的路，只是我们可能跑得慢了一点。下一个8年 ，又会发生什么激动人心的故事呢？哈尔滨工业大学和华中科技大学谁与争锋？又会有谁加入攻关队伍？我们下次再聊！
　　参考1：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.1690874
　　参考2：https://www.gigaphoton.com/wp-content/uploads/pdf/EUVSourceSupplierupdateGigaphoton.pdf
　　参考3：https://www.gigaphoton.com/wp-content/uploads/2017/10/2017_Development-of-250W-EUV-light-source-for-HVM-lithography.pdf
　　参考4：https://www.doc88.com/p-9768750607764.html
　　参考5：https://www.doc88.com/p-9002053031144.html
　　参考6：http://tto.hust.edu.cn/info/1015/2358.htm