如果把过去几十年的半导体光刻史压缩成一条时间线，你会看到一组很有意思的数字：

436 nm → 365 nm → 248 nm → 193 nm → 13.5 nm→……

从汞灯的 g-line，到 KrF、ArF 准分子激光，再到今天先进制程所使用的 EUV，光刻光源的波长总体上一直在变短。

436 nm 到 13.5 nm，缩短了超过 32 倍。

为什么？

难道芯片制造就是一场“谁的光更短”的比赛？

答案当然没有这么简单。但如果想理解现代光刻，甚至理解为什么后来必须发展出LPP(Laser Produced Plasma，激光产生等离子体)光源，就必须先理解一个最基本的问题：

为什么光刻如此执着于更短的波长？

这也是我们整个 LPP 光源系列故事真正的起点。

一、光刻到底在做什么？

先把复杂的半导体制造放到一边。 光刻最核心的任务，其实可以非常简单地理解为：

把掩模上的电路图形，通过光学系统“投影”到涂有光刻胶的硅片上。

大致过程就是：

光源→照明系统→掩模→投影光学系统→光刻胶→晶圆

光刻系统需要把极其复杂的电路图形，一层又一层地打印到晶圆上。

而芯片想容纳更多晶体管，就需要不断缩小这些图形。

问题来了：

光能够描绘的图形，到底可以有多小？

这就碰到了一个最基本的物理限制——衍射。

ASML 用 Rayleigh criterion（瑞利判据）描述光刻系统能够获得的临界尺寸：

其中：

CD：Critical Dimension，可以理解为可打印特征尺寸；

λ：曝光光源的波长；

NA：数值孔径，反映光学系统收集和聚焦光线的能力；

k?：与光刻工艺、照明方式、掩模设计、光刻胶以及计算光刻等相关的综合因子。

这个式子已经把几十年光刻技术发展的核心方向写出来了：

更短的 λ、更大的 NA、更低的 k?，都可以帮助获得更小的图形。

其中，降低波长往往能够带来非常显著的分辨率跃迁。

所以，从物理上讲：

光刻追逐更短波长，并不是一种技术偏好，而是分辨率方程直接给出的方向。

二、第一代主角：汞灯

如果回到上世纪八九十年代，光刻机里的光源和今天完全不是一个世界。

当时非常重要的一类光源是：

高压汞灯。

汞灯并不是只产生一种波长的光。

当电流通过汞蒸气后，汞原子被激发，会形成具有多个特征谱线的发射光谱。

其中有两条谱线对半导体光刻尤其重要：

简单来说，光刻系统可以通过滤光等方式从汞灯产生的光中选择需要的波段。

436 nm 的 g-line 还处于可见光边缘附近，而到了 365 nm 的 i-line，已经进入人眼不可见的紫外区域。

ASML 回顾其光刻技术历史时提到，早期系统使用 436 nm g-line，随后转向 365 nm i-line；i-line 系统最终能够把特征尺寸进一步推进到数百纳米量级。

图 1｜汞灯曝光系统及高压汞灯典型光谱

注意上面的光谱图。

可以看到高压汞灯不是连续均匀地在所有波长发光，而是在一些波长处存在明显的特征峰。

所谓：

g-line、h-line、i-line

本质上就是这些汞原子特征发射线的历史名称。

于是第一阶段的光刻进化逻辑非常直接：

436 nm g-line→365 nm i-line→波长缩短→分辨率提高

但芯片继续缩小以后，365 nm 也开始不够用了。

这时候，一个关键的问题出现：

还能不能继续从汞灯里找一条更短、同时又足够强的谱线？

答案越来越困难。

于是光刻行业不得不第一次彻底更换光源技术。

三、从“灯”到“激光”：248 nm KrF 登场

进入深紫外时代以后，光刻光源发生了一次非常重要的技术变化：

从放电灯转向准分子激光器。

第一代大规模应用于 DUV 光刻的典型光源之一，就是：

KrF Excimer Laser
即：
氟化氪准分子激光器。

它的工作波长：

相比 i-line 的 365 nm，又短了一大截。

所谓 Excimer，可以理解为一种只有在激发状态下才能稳定存在的短寿命分子状态。KrF 激光器利用含氪、氟的气体体系，在激发过程中形成相应的激发态，并产生深紫外激光输出。

光刻于是进入：

Mercury Lamp 365 nm→Excimer Laser 248 nm

这不是简单的“换了一个灯泡”。

从光源、光学材料、光刻胶，到曝光系统，都必须围绕新的波长重新设计。

ASML 将 KrF 248 nm 称为 DUV 光刻的重要起点；其资料显示，KrF 系统进一步把光刻分辨能力推进到了远低于此前 i-line 的水平。

但是 248 nm 也不会是终点。

四、193 nm：ArF 把 DUV 推向极限

下一站是：

ArF Excimer Laser

氟化氩准分子激光器。

工作波长：

于是主流光刻光源的进化路线变成：

436 nm Hg g-line→365 nm Hg i-line→248 nm KrF→193 nm ArF

ASML 的资料显示，ArF DUV 使用 193 nm 波长，并成为现代 DUV 光刻的核心技术之一。(ASML)

如果只看 Rayleigh 方程，下一步似乎非常简单：

193 nm 不够，那就继续缩短波长。

事实上，行业真的这么尝试过。

比如一度被寄予厚望的：

F? laser：157 nm

在 2000 年前后，157 nm 曾经被认真考虑为 193 nm 之后的下一代光刻技术。

但波长越来越短之后，一个麻烦开始迅速放大：

很多原本透明的材料，不再透明了。

157 nm 对：

光刻胶、透镜材料、光罩、保护膜、污染控制……

都提出了非常苛刻的新要求。

相关研究当时已经指出，157 nm 光刻需要解决光刻胶吸收、outgassing、光学污染等一系列问题。最终，材料和经济性等因素使 157 nm 路线没有成为主流量产技术，而 193 nm 浸没式光刻反而取得了突破。

光刻的发展史在这里出现了一个非常有意思的转折。

五、193 nm 不够短？那就先不换波长

工程师突然发现：

Rayleigh 方程里其实不只有 λ。

还有：

NA

也就是数值孔径。

更完整地看：

波长暂时降不下去了，

那能不能让：呢？

答案就是：

浸没式光刻（Immersion Lithography）

传统“干式”ArF 光刻中，投影镜头最后一片透镜和晶圆之间主要是空气。

浸没式光刻则在两者之间加入一层：

超纯水。

为什么是水？

因为数值孔径可以写成：

其中 n 是介质折射率。

把空气换成折射率更高的水，就可以进一步提高 NA。

ASML 在 2003 年推进浸没式光刻，并最终让 ArF immersion 系统的 NA 达到 1.35。(ASML)

图 2｜干式光刻与浸没式光刻的区别

这其实是一件非常重要的事情。

因为它告诉我们：

光刻并不是只靠缩短波长进步。

193 nm 被使用了远比最初想象中更久。

工程师通过：

更高 NA、浸没技术、离轴照明、相移掩模、OPC、计算光刻以及多重曝光等技术，

不断逼近光学成像的极限。

所以严格来说，

“光刻一直在追逐更短波长”

应该补上一句话：

缩短波长是最重要的突破路径之一，但在两次波长跃迁之间，NA 和 k? 的持续优化同样关键。

六、193 nm 终究还是遇到了天花板

193 nm 浸没式光刻非常成功。

甚至今天，它依然是半导体制造的重要主力技术。

但当图形继续缩小时，需要越来越复杂的：

多重图形化（multiple patterning）。

本来一个图形曝光一次就可以完成。

现在可能需要拆成：

原始图形→拆分→第一次曝光→第二次曝光→更多工艺步骤→重新组合

这可以继续获得更小的有效图形尺寸，但代价也越来越明显：

工艺步骤增加、成本上升、overlay 控制更困难、制造复杂度增加。

比利时微电子研究中心（imec） 指出，193 nm 多重图形化的复杂性正是 EUV 单次图形化能够带来价值的重要原因之一。

这时，整个行业再次回到了那个最原始的问题：

能不能把 λ 再大幅降低一次？

但这一次，不是：

193 nm → 157 nm。

而是直接跳到：

13.5 nm

七、从 193 nm 到 13.5 nm，不是升级，而是“换物理世界”

193 nm 到 13.5 nm 是多大的变化？

简单算一下：

也就是说，EUV 波长只有 ArF DUV 的大约 1/14。

而相对于 g-line 的 436 nm：

这种变化带来的并不只是：

“分辨率更高了。”

而是原来光刻机的很多基础技术都失效了。

第一个问题：没有普通意义上的 EUV 透镜了

在 DUV 系统里：

光→透镜→继续传播

但是在 13.5 nm：

绝大多数材料都会强烈吸收 EUV。

如果还使用传统折射透镜，光还没走出光学系统，就已经损失殆尽。

因此 EUV 光刻不再使用传统透射式投影镜头，而采用：

多层膜反射镜

ASML 的 EUV 系统使用经过极高精度加工的多层反射镜；官方资料指出，这些镜面包含超过 100 层精密材料结构，用来提高 13.5 nm EUV 的反射能力。

第二个问题：连空气都不行

更夸张的是：

EUV 连空气都会吸收。

所以从光源开始，一直到整个曝光光路，都必须工作在高真空环境中。(ASML)

这意味着：

DUV光源→透镜→空气/水→晶圆

到了 EUV 变成：

EUV Source→真空→Collector→多层反射镜→反射式 Mask→多层投影反射镜→Wafer

这已经不是简单地：

“把光源从 193 nm 换成 13.5 nm”。

几乎整个光刻系统都需要重新设计。

图 3｜EUV 光刻采用全反射式光路，并工作在真空环境中

八、还有一个更大的问题：13.5 nm 的光从哪里来？

到了这里，真正属于我们这个 LPP 光源系列的问题终于出现了。

193 nm 可以通过 ArF 准分子激光器直接获得。

但到了 13.5 nm：

不能简单制造一台“13.5 nm 激光器”，然后把它装进光刻机。

ASML 在回顾 EUV 开发时明确提到，为了获得可用于光刻的 EUV，必须开发一种全新的光源架构。早期研究曾探索 4～40 nm 范围的多种波长，最终 13.5 nm 成为实际 EUV 光刻的重要工作点。

为什么是 13.5 nm？

因为这并不是随便选的一个数字。

它涉及两个非常重要的匹配：

等离子体能不能高效地产生这个波段的光；

以及：

光学系统能不能把这个波段的光有效反射和传输。

对于现代 EUV 光刻，锡等离子体在 13.5 nm 附近具有适合利用的强辐射，而 Mo/Si 多层膜也能够在这一波段获得较高反射率。相关综述报告的优化 Mo/Si 多层膜在 13.5 nm 附近实验反射率可达到约 70% 的量级。

于是，一个非常“疯狂”的工程方案诞生了。

九、没有 13.5 nm 灯泡，那就制造一团等离子体

现代高功率 EUV 光刻光源采用的重要方案就是：

LPP（Laser Produced Plasma）

中文通常译为：

激光产生等离子体。

它的最基本逻辑反而非常简单：

激光→靶材→高温等离子体→EUV辐射

现代工业 EUV 光源中，一个典型方案是让微小的熔融锡滴高速进入真空腔体，然后利用激光作用于锡滴，使其形成高温锡等离子体。

这团等离子体随后产生：

13.5 nm 附近的 EUV 辐射。

Collector 再把其中有用的 EUV 收集起来，送入后续光刻机光学系统。ASML 当前公开资料描述的工业 EUV 光源，需要以每秒数万次的频率重复这一过程。(ASML)

到这里，我们终于完成了一条跨度数十年的光源技术链：

汞灯 436 nm g-line→汞灯365 nm i-line→KrF Excimer Laser 248 nm→ArF Excimer Laser 193 nm→ArF Immersion193 nm + Higher NA→EUV13.5 nm→LPP

十、为什么越短的光，代价反而越来越大？

现在回头看这段历史，会发现一个非常有意思的规律：

436 → 365 nm

还可以继续使用汞灯。

365 → 248 nm

需要换成准分子激光器。

248 → 193 nm

需要新的激光、光学材料、光刻胶和整个 DUV 技术生态。

193 nm 继续延寿

需要浸没技术，把水真正放进高速扫描的光刻系统里。

193 → 13.5 nm

几乎需要重新发明光刻机：

透镜变成镜子；

透射式掩模变成反射式掩模；

空气环境变成真空；

普通光源消失；

光源本身变成了：

激光 + 靶材 + 高温等离子体。

这也是为什么 EUV 的开发持续了二十多年。

研究人员真正挑战的，并不仅仅是：

“如何产生 13.5 nm 的光？”

而是：

如何产生足够强、足够稳定、足够干净，而且能够每秒重复数万次的 13.5 nm 光。

实验室里看到一次 EUV 闪光是一回事。

让它进入晶圆厂，连续生产数百万片晶圆，则完全是另外一个难度等级。

十一、光刻光源的发展史，本质上是一场与物理极限的长期博弈

现在再看：

436 → 365 → 248 → 193 → 13.5 nm

它就不再只是一串数字。

每一次波长改变背后，其实都是一次产业级技术迁移。

ASML 也将光刻系统的持续演进概括为对 Rayleigh 方程几个核心参数的长期优化：缩短波长、提高 NA，以及降低有效的 k?。

所以，“追逐更短的光”不是目的本身。

真正的目的始终只有一个：

在晶圆上可靠、经济地制造更小、更密集的结构。

波长，只是其中最重要的一把钥匙。

写在最后

从今天回头看，436 nm 汞灯似乎非常“原始”。

但如果没有：

g-line→i-line→KrF→ArF→ArF Immersion

这一系列几十年的技术积累，也不会突然出现今天的 EUV。

而当波长从：

193 nm

一下跳到：

13.5 nm

一个更大的问题出现了：

我们到底怎样在一台机器里，稳定制造出足够强的 13.5 nm 极紫外光？

普通灯做不到。

普通激光器也不能直接提供所需的 EUV 输出。

最终，工程师选择了一条看起来近乎“暴力”的路线：

用激光制造一团高温等离子体。

而这正是：

LPP 光源

故事真正开始的地方。