革命尚未成功,中国突破13.5纳米的极紫外光源技术将改写世界半导体产业格局

EUV光刻机是用于半导体芯片制造的核心设备之一，它使用的是13.5纳米波长的极紫外光源进行曝光。由于技术难度极高，目前全球只有少数几家公司能够生产EUV光刻机。
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8 a) Q/ C# \6 V& `' s1 |' U: d如果中国能够突破13.5纳米的极紫外光源技术，将对中国半导体产业的发展和全球半导体市场的格局产生深远的影响。具体来说：

提高中国半导体产业自给率：目前中国半导体产业还存在很大的依赖进口的问题，尤其是先进制程方面。突破EUV光刻机技术将使中国在半导体制造方面具备更高的自主创新能力，从而提高中国半导体产业的自给率。
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. S: W( \6 W: T/ V3 A2 f促进中国半导体产业发展：EUV光刻机是制造先进芯片的必备设备，突破这一技术将推动中国半导体产业向更加先进的制程发展，提高产品质量和性能水平，从而增强中国半导体产业的竞争力。

! {; n+ E1 A% R$ R, f0 s) v& Q影响全球半导体市场格局：目前全球半导体市场的格局主要由美国、欧洲、日本和韩国等国家和地区主导，中国在半导体市场上的地位还比较低。但是，如果中国能够突破EUV光刻机技术，将有可能打破现有的市场格局，推动中国在全球半导体市场上的地位和影响力的提升。
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半导体工业皇冠上的明珠——以极紫外（EUV）光刻机为代表的高端光刻机，则是我国集成电路（IC）产业高质量发展必须迈过的“如铁雄关”。

. Q* b3 k" ^+ b- q+ I如何在短期内加快自主生产高端光刻机的步伐，打破国外的技术封锁和市场垄断？笔者认为，应找准关键技术，攻克核心设备，跻身上游产业。
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1 W' e- C2 R9 M) n# Y) {' ^认清光刻关键技术
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对于光刻机，凭什么美国可以左右荷兰阿斯麦公司（ASML）EUV光刻机的出海国家？ASML又为什么“愿意”听从美国的“摆布”？

( g$ l" p9 s& J" S& u0 t) q" i一方面，美国在ASML早期研发阶段给予大力扶持，帮助其获取最新的研究成果；作为继续扶持ASML的条件之一，ASML供应链里至少要有55%的美国供应商。另一方面，在美方协助下，ASML得以顺利收购几大可能阻碍其技术升级的关键供应商，例如通过收购全球准分子激光器龙头企业美国Cymer公司，控制了EUV产业链上除镜片组外最重要一环——13.5纳米极紫外光光源。
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鉴于此，美国通过下注ASML及推动其在上游产业建立技术壁垒，完成了对光刻机产业链的控制。
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从技术层面看，Cymer公司采用的是激光等离子（LPP）技术路线，这一技术离不开泵浦激光器。泵浦激光器是德国TRUMPF公司专门量身定制的正方形折叠腔轴快流二氧化碳（CO2）激光器，它的原理是由高功率密度、高重频、波长10.6微米的激光束照射锡液滴（液相锡靶），光/热复合致锡原子电离，锡等离子体直接辐射波长13.5纳米、功率约250瓦的极紫外光。这是国际公认的最具工程实现价值的技术路线，其他如同步辐射、自由电子激光等方法距离规模化应用还差很远。

$ r9 L/ u; x; w: D1 m9 J/ A' O攻克EUV光源核心设备
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# f0 @( j2 L8 R% _笔者认为，如果我国能提供财力、人力、物力，精准定位并攻克LPP关键技术，还是有望打破高端光刻产业技术瓶颈的。
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EUV光刻机是一套极其复杂的光机电系统，主要核心设备是EUV光源、光学镜组、高速超精密运动双工件台，其中EUV光源是光刻机最核心设备，而高端CO2激光器又是EUV光源更基础的核心设备，是“光源中的光源”。
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$ x3 P0 E+ l4 s1 i) F. f" Z因此，我们应首先攻克高端CO2激光器，研制比轴快流更先进的大功率板条波导（SLAB）CO2激光器，即万瓦级的SLAB CO2激光器件，打造具有国际竞争力的高精尖端气体激光器产品，在EUV光源供应链中对标德国TRUMF公司。
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" V' J3 ]8 F, W9 l( g  ~第二步，攻克EUV光源。目前，Cymer公司采用液相锡靶的LPP方案研制的EUV光源仅能输出约250瓦极紫外光，使ASML的EUV光刻机每天只能处理约200片晶圆，生产速度和效益较低，不能满足IC制造商有关日处理300~500片及以上晶圆的急迫要求。要想实现此目标，EUV光源需要提高30%以上输出功率，而液相锡靶LPP技术很难再提高。

如果用更先进的CO2激光器结合全新概念的气相锡靶技术方案，研制更大功率EUV光源，将使我们快速跻身核心零部件提供商行列。

如能攻克这两个核心设备，成为独立掌握极紫外光源制造技术的国家，将大幅提升我国在高端光刻机国际市场的话语权。

关键成果及技术难点

CO2激光器作为EUV光刻机的核心部件，引发全球对气体激光技术的重新认知。这充分说明气体激光器是一类非常重要的激光器件。

CO2激光器已发展4代，而今标志性的SLAB气体激光技术是国际能量光器件制造商们追逐的技术高地。
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  |$ k4 ]* I0 n  G+ c德国Rofin公司是全球第一家拥有SLAB专利技术体系、能够生产千瓦级以上SLAB激光器件的企业。美国Coherent公司2016年出资9.34亿美元收购了Rofin，获得梦寐以求的SLAB技术。
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8 R/ D# ]+ m% j5 a目前，我国是国际上第二家独立拥有SLAB专利技术体系、能够生产千瓦级以上SLAB激光器件的国家，并创新性研发了“板条放电预电离横向激励大气压激光器”，为打造具有国际竞争力的尖端气体激光器产品、跻身高端光刻机全球产业链奠定了知识产权和产业化基础。
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凭借相关技术储备，我国有机会在较短时间内攻克万瓦级SLAB CO2激光器核心设备。不过，研制EUV光源会面临三大技术难关：一是精密流量控制的气相锡靶；二是激光束照射方式；三是极紫外光收集镜制造和镀膜。
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SLAB CO2激光器性能优于轴快流激光器，中国有机会走一条“继承+创新”的技术路线，推出更先进的CO2激光器，再攻克更大功率的EUV光源，成为EUV光刻机全球供应链中关键一环。