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失效分析 赵工 半导体工程师 2025年06月16日 10:28 北京本文讲解
EUV光源的不同技术方案，包含：
基于等离子体发光原理的：放电产生等离子体，激光产生等离子体
基于粒子加速器原理的：同步辐射光源，自由电子激光，稳态微聚束。
1.
描述光的基础物理量是波长和频率，同种传播介质中，二者呈反比例关系，不同波长的光对应的概念如图 1所示，日常生活中肉眼可以识别的可见光，只占了波长范围中很小的一部分。
图1不同波长的光对应的概念描述，图片来源：大学物理教材
光具有波粒二象性，，波长越短，单个光子的能量越高（但不代表光强高低），粒子性越明显；波长越长，单个光子的能量越低，波动性越明显。在半导体光刻领域，目前EUV极紫外光的波长最短达到13.5nm，这个波长条件下，我们通常还是以波动性描述为主，仅在考虑光与物质相互作用导致能量损失时，才会用到粒子性描述。
光的波动性描述下，光可以视为电磁波，其详细图解如图 2所示，垂直于光的传播方向为光波的电场和磁场，二者的振动方向也相互垂直，且均为正弦波。我们通常所说的“光强”，由电场振幅的大小来反映。
图2光的波动性描述，图片来源：大学物理教材
光（电磁波）的产生原理，粗略来说，主要有两种：
1.物质由高能量状态→低能量状态，能量通过光的形式释放，如钨丝高温下发光（白炽灯），半导体中的电子跃迁发光（LED照明灯）；在EUV光源中，该发光机制对应DPP和LPP方案。
2.变化的磁场产生电场，电流和变化的电场产生磁场（由麦克斯韦方程组描述），循环叠加起来就是电磁波，生活中的实例应用为手机的无线信号传输；EUV中对应SR，FEL和SSMB方案。
2.
我们日常生活中，通常认为物质的物理状态有固、液、气三种，实际上在放电状态或极高温下，物质还具有第四种状态，等离子体——由自由电子、离子和中性粒子组成的准中性电离气体，如图 3。
图3等离子体基本概念，图片来源：纳恩科技官网
等离子体中，微观粒子由高能量状态转化成低能量状态，多余的能量以光的形式发射到外界，日常生活中的常见实例是霓虹灯和汞灯。通过适当选择等离子体的成分并控制能量状态（温度，电压），我们就可以得到特定波长的光（如图 4）。
图4等离子体射流，图片来源：中科大APL应用等离子体实验室
实际产生EUV光源的放电等离子体（discharge-produced plasma,DPP）方案如图 5所示，读者可以忽略左边的控制电路和右边的光路系统，中间的光源部分，简单理解就是一个超高能量状态的“汞灯”。电极间的气态锡在高压状态下发生电离，变为低温等离子体，由于箍缩效应（pinch effect），低温状态的锡等离子体会被进一步压缩和升温（可超过20万摄氏度），在超高温状态下辐射发光。专业人士若需要箍缩效应的数学版本描述，可参考：网页链接
图5DPP方案原理图，图片来源：论文《Discharge produced plasma source for EUV lithography》
DPP方案的优势：
1.原理简单，设备结构简单，技术成熟；
2.成本低；无需复杂激光系统；
劣势：
1.超高温等离子体会导致电极的严重腐蚀，从而导致电极寿命短;
2.功率较低（10~100W），无法满足芯片量产需求；
3.工作过程中，放电碎屑污染等离子体所在的真空腔；
3.
激光产生等离子体（Laser-produced plasma, LPP）是目前商用EUV的主流技术方案，其技术原理如图 6和图 7所示。简单来说，先用一个强度较弱的激光脉冲，轰击真空中的液态锡，使其从直径约为30微米（注：1000微米＝1毫米）的小球变为薄饼状，再用一个超高功率的超强激光脉冲轰击薄饼状的液态锡，使其成为超高温等离子态（可达30万摄氏度），直接放射出极紫外光，整个过程在10的-9次方Pa超高真空中环境中完成，时长约为4微秒（注：1000微秒＝1毫秒，1000毫秒=1秒）。读者若为专业人士，可参考图 7题注中的论文。
图6 LPP光源结构图，图片来源：CYMER公司讲座《How An EUV Light Source Works》
图7极紫外光产生过程原理示意图，图片来源：论文《Physics of laser-driven tin plasma sources of EUV radiation for nanolithography》
LPP方案优势：
1.功率高（商用化可达250W以上，实验室超500W），满足HVM需求。
2.碎屑控制较好（通过磁场/缓冲气体防护），光源纯净度较高。
劣势：
1.系统复杂，需超高功率CO₂激光器及超精密加工的反射面；
2.功耗高，效率低，电光转换效率仅~5%；
3.进一步提升功率面临技术原理导致的瓶颈；
DPP和LPP方案中，均需要特定的发光物质（目前是锡）去产生13.5nm波长的极紫外光，但光的波长与发光物本身的物理特性相关，无法人为控制，只能选择。如果未来的EUV要求更短波长的光，以完成更小的图形曝光，怎么办？
于是，做高能物理的人说：还要什么发光物质，我直接控制电子在真空中的运动，用电流产生电磁波（光）就行了，还没有真空腔的污染问题。只要你给得起钱（这是重点^_^），你想要什么波长的光，我们这群搞物理的就给你什么波长的光。
4.
稳态回旋加速器的基本原理，大部分人在高中和大学的基础物理中已接触过。在图 8中，电子沿圆形轨道运动（黑色虚线）做匀速圆周运动，形成环形电流，根据麦克斯韦方程组中“电流和变化的磁场产生电场”，电子做圆周运动，速度方向一直在变，因此会产生电磁波辐射（光），通过控制电子的运动速度，就可以控制光的波长。
图8同步辐射基本原理，图片来源：网页链接
但需要注意的是，基础物理中讲的回旋加速器，只讨论了低速非相对论情况，即图 8中的蓝色图部分，辐射光分布在空间中呈扁饼状，且理论上光的波长单一；而如果我们要获得13.5nm的极紫外光，需要用到同步辐射（Synchrotron Radiation，SR）加速器，同步辐射中电子是高速状态，需考虑相对论效应，其辐射光会沿电子运动轨迹的切线发出（如图 8中红色图部分，但轨道无需是严格的圆形运动轨道），且波长发生显著展宽，其光强-波长关系，如图 9所示。
图9同步辐射光强-单光子能量（波长）关系图，图片来源：北京大学高能物理课件
在EUV光刻中，长波光具有更强的衍射效应导致图形变形，短波光可能会导致光刻胶发生我们不希望的化学反应，或者直接对芯片造成辐射损伤，因此，我们通常希望光源的波长是单一的，这就意味着，图 9中，我们需要人为排除波长13.5nm以外的所有光（技术上可以实现），这会损失绝大部分能量，因此，SR方案如果作为EUV光源，能量利用率会很低。
SR方案优势：
1.光束质量高，准直性、稳定性好；
2.技术成熟；
劣势：
1.平均功率低，获取单色光需做特定波长段的滤波，能量利用率低；
2.设施过于庞大，目前已有的各国同步辐射加速器，周长400~1500米；
3.成本高；
5.
既然同步辐射在能量利用率和单色性方面有劣势，自然有人想到可以控制直线运动的电子，来产生特定波长的光，这就是自由电子激光（free-electron laser），其原理如图 10所示。电子从左侧的电子源发射，经直线加速器加速后，经过波荡器（undulator，极性交替的磁极阵列），发生垂直于磁感线的振荡，发出电磁波（光）。通过控制电子运动的速度，磁极的结构参数，就可以控制光的波长（频率）。发出的光与电子束在波荡器中相互作用进而改变电子束的纵向密度分布,形成以辐射波长为周期的密度集中, 也即微聚束（microbunch）,而微聚束又进一步产生相干辐射, 该过程形成正反馈, 导致辐射强度沿波荡器长度以指数形式增长直至饱和。
图10FEL原理示意图，图片来源：论文《The physics of x-ray free-electron lasers》
从原理上来讲，FEL对电子束的品质要求高（高峰值流强、低发射度、低能散），目前高品质电子束只能通过直线加速器获得，和SR方案相比，FEL辐射光的峰值功率极高，相干性好，但是发光峰的重复频率较低，发出的光是“分立”的（明暗交替）。
方案优势：
1.峰值功率可达1~10千瓦量级，是所有方案中最高的；
2.光源波长可调，单色性和相干性极佳；
劣势：
1.能量峰的重复频率低，发出的光是分立的；高频的FEL需要超导体材料和相关的射频技术，目前还在研发中；
2.设施巨大，直线尺寸300米~数千米；
3.成本极高，参考值：欧洲XFEL建设成本约9.86亿欧元；中国SHINE项目，总成本约15亿欧元；
4.技术尚处于实验室研发阶段，运行维护极其复杂；
6.
SR的能量连续，但是单色性不好，而FEL的单色性好，峰值功率高，但是发光峰是不连续的。那么，有人想到可以把SR和FEL结合，获得高重复频率、高峰值功率的近似连续的单色光源，这就是稳态微聚束 (steady-state micro-bunching, SSMB)。目前，清华大学唐传祥教授团队的邓秀杰副研究员，已在实验室实现此技术。
图11SSMB原理图，图片来源：清华大学论文《Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching》
SSMB原理图见图 11，这部分涉及高能物理和射频技术的细节，笔者也只看懂了一部分，只能粗略描述：
电子经SR加速至250MeV后，从图 11中蓝色的准等时存储环，进入下方波荡器（图中NS磁极阵列），波荡器的参数经过预先设置，会让电子束横向振荡的频率与1064nm的激光（左下方红色箭头）频率相匹配，电子束的横向振荡与1064nm的激光相互作用，导致电子束的能量出现微小差异。经激光调制具有不同能量的电子束，从波荡器右边再进入蓝色的准等时环，再做一圈环绕，电子束内电子的能量不同会导致这一圈环绕运动所用的时间不同，并且电子会汇聚成束排列（图 11中下方Microbunching one turn lateer字样旁的蓝色点线），间隔为调制激光的波长（1064nm）。同一列的电子束经过波荡器时集体发生振荡，发出的电磁波峰强，会比随机分散的电子发生振荡发出的电磁波强很多。如此便获得了高重复频率、高峰值强度的近似连续的单色光（光强-时间关系，图 12）。
图12清华大学SSMB实验，光强-时间信号图，图片来源同图11
此处为防笔者物理水平有限，导致描述有误，附唐传祥教授的中文特邀综述，供专业人士参考：
网页链接
方案优势：
1.光源为近似连续的能量输出，平均功率高，单色性和准直性好，稳定性高；
2.从物理原理上来说，SSMB方案更容易向更短波长扩展，且具体波长可以人为控制，符合EUV光源的发展要求；
劣势：
1.贵，成本极高；
2.技术不成熟，目前处于研究阶段；
3.短波长条件下，能量转化效率待定；
7.
目前DPP方案由于电极寿命原因，主要在科研条件的小批量应用场景使用，另外4种方案的主要对比如下表：
表1LPP与基于加速器的EUV光源方案，特点对比。表来源：论文《稳态微聚束加速器光源》
先进制程的提升，所需的成本巨大。从技术层面来看，短期内先进封装是救命稻草，而长期而言，算力的未来，可能在光子计算机和量子计算机。
来源：半导体在线
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