EUV-LPP 光源系列03|EUV光源路线之争：为什么最终盯上了激光等离子体？

开篇：13.5 nm 光从哪里来？

上一期我们讲到：

为了制造先进芯片，光刻进入 EUV 时代。EUV-LPP光源系列02|13.5nm的光，到底有多难制造？

但 EUV 最大的问题不是：

“有没有办法产生 13.5 nm 光？”

而是：

“有没有办法产生一种可以每天运行数十小时、每秒产生数万次、稳定输出数百瓦 EUV 的工业光源？”

从实验室角度：

产生 EUV 并不困难。

但是从晶圆厂角度：

EUV 光源必须同时满足：

于是，在过去几十年里，科学家提出了多种方案：

一、EUV 光源路线全景

二、DPP：最早被寄予厚望的 EUV 光源

1. 工作原理

利用高电流放电，使工作气体或者金属蒸汽形成高温等离子体。
用快脉冲、大电流对介质放电，大电流流过柱状等离子体时产生强的环形磁场，环形磁场与流过等离子体的大电流相互作用，箍缩等离子体向轴心压缩，等离子体压缩过程中离子、 电子之间相互碰撞，形成高温高密度等离子体，从而实现 EUV 辐射光自发辐射输出。

相比于 LPP EUV 光源，DPP EUV 光源放电位置固定，光源稳定性较好。另一方面，DPP EUV 光源工作时产生的大量热量沉积 在电极表面，降低了电极的使用寿命，同时会产生较多的碎屑，容易破坏后续的 光学系统，这就要求此种光源具有较好的冷却系统和去碎屑系统。

2. 发展历史

随着 EUV 光刻概念提出：
美国、日本、欧洲开始研究 EUV source。
DPP 因为：

成为最早研究路线之一。

DPP 阵营的高光时刻在 2008 年 2 月：XTREME technologies 与 Philips Extreme UV 联合宣布，原理实验证明 DPP 的重复频率可以从数 kHz 扩展到 100 kHz，等离子体端输出 500 W，“远超量产所需”。2010 年 EUVA 又把等离子体端推到 1 kW。

但同期 IF 点的实测数字是残酷的：2009 年这个“500 W”光源配上一套收集镜后，IF 点只有 14 W；2011 年 2 月做到 15 W（100% 占空比），2011 年 10 月做到 30 W。Ushio 自己测算：IF 要 500 W，等离子体端得做到约 4000 W。

【注】 为什么“等离子体端 500 W”变不成“IF 500 W”？两个原因叠加：
① 收集效率的物理上限——收集镜只能张约 5 sr 立体角（约占全空间 40%），且多层膜反射率有限，等离子体越大，辐射区越超出收集镜能“看见”的范围，光就白白浪费；
② 碎屑挡板（foil / debris mitigation tool）要挡在光路上，而挡碎屑的同时也挡光——DPP 的碎屑来自电极本身，无法像 LPP 那样靠“质量受限靶”从源头掐断。

商业化结局：

DPP 在曝光路线上失败了，但在“不需要极大功率”的邻近市场活得很好。

美国 Energetiq 2004 年成立于马萨诸塞州 Wilmington，团队源自威斯康星大学与 MIT 等离子体聚变中心的感应耦合等离子体研究积累，其“无极 Z-pinch”（Electrodeless Z-Pinch）光源用纯氙工作，等离子体被自身磁场约束在中心孔道内、不与固体壁面接触，配合碳化硅内衬可承受超过 10 亿次脉冲。

2017 年 10 月被日本滨松光子（Hamamatsu）以 4200 万美元收购，如今是 EUV 掩模白板检测、掩模光化检测、光刻胶产气测试、EUV 光学计量的主流光源供应商。

三、LPP：最终成为工业 EUV 主路线

1. 工作原理

早期采用激光打靶金靶或者金属丝产生 EUV 辐射光输出，但由于转换效率低，Kubiak 基于Fiewdrowich 利用  Xe 介质实现软 X 射线激光的原理，采用 Xe 介质实现了 EUV 辐射光输出，在此基础上，LPP EUV 光源迅速发展。

2. 发展历史

LPP 的历史要先澄清一件事：激光等离子体本身不是为光刻发明的。激光发明后不久，人们就知道强激光聚焦到固体靶上会产生高温高密度等离子体并辐射 X 射线。真正关键的是——谁第一个把它搬进投影光刻系统

这里必须点名三个人：

Chuck Gwyn（Intel，EUV LLC 项目经理）——把整个行业的赌注统一到 13.5 nm 的那个人。没有这个决定，Mo/Si 多层膜、光源靶材、光刻胶、掩模的所有研发都无从收敛。

Glenn Kubiak（Sandia 国家实验室）——1996 年与中佛罗里达大学 Martin Richardson 共同获得“氙团簇喷流激光等离子体 EUV 源”专利。

他的洞见是：用超音速膨胀把氙气冷却成含数千原子的范德华团簇，再用激光加热——团簇靶既高效又几乎不产生碎屑（对比金/铜/锡固体靶会溅射出污染光学系统的碎屑）。这就是后来"质量受限靶"思想的雏形。

Igor V. Fomenkov（Cymer / ASML Fellow）——莫斯科物理技术学院博士，1992 年加入 Cymer 做 KrF/ArF 准分子激光，1997 年起转做 EUV。

他在 DPP 与 LPP 两条路线上都做过研究，最终定义了今天量产光源的架构：高重频 CO? 激光 + 锡液滴靶。他持有 100 多项 DUV/EUV 专利，2003 年成为 Cymer Fellow，2014 年成为 ASML Fellow。

Cymer 1986 年由 Robert Akins 与 Richard Sandstrom 两位 UCSD 博士创立，靠准分子激光在 DUV 时代称霸；1997 年启动 EUV 研发时，它选的是看起来更简单的 DPP。七年后，它公开承认 LPP 才是唯一能扩展到量产功率的架构。

LPP 之所以能扩展，是因为它把功率拆成了三个互相独立、可分别优化的乘法因子：驱动激光功率 × 转换效率（CE）× 重复频率。后来的历史完全沿着这三条线走：

商业化主体：

四、LDP：一个聪明到差点成功的折中方案

1. 工作原理

LDP 全称 Laser-assisted Discharge Plasma（激光辅助放电等离子体），EUVA 内部记为 LA-DPP。它的设计哲学非常清晰：既想要 DPP 的高电光转换效率，又想甩掉 DPP 的固定电极磨损问题。

工作流程是这样的：

它同时解决了 DPP 的两个痛点：

2. 发展历史

LDP 输在哪？

一句话：它把最贵的部件（大功率激光器）省掉了，但把难度搬到了另外两个地方——旋转机械与放电本身的稳定性。

功率提升主要靠堆重复频率（kHz → 约 30 kHz），而单次脉冲能量不能加大（否则碎屑、电极烧蚀、热负载全部恶化）。当 LPP 可以从 10 W 一路线性推到 250 W、500 W 时，LDP 停在两位数上不动了。

【注】 一个仍在继续的故事：中国哈尔滨工业大学航天学院（赵永蓬教授团队）自 2008 年起持续研发放电等离子体 EUV 光源，2023 年底其“放电等离子体极紫外光刻光源”项目获黑龙江省高校科研人员创新成果转化大赛一等奖。公开报道称其输出功率约 100–120 W 量级，并已进入面向产业化的测试阶段。由于 DPP/LDP 路线可绕开 LPP 的专利体系，它在中国的国产化叙事中占有特殊位置。

五、Synchrotron / FEL：极高性能，但无法进入晶圆厂

1. 工作原理

同步辐射源(SR)常采用直线加速器与环形加速器协同工作的方式，先将电子加速至GeV能量，随后引导其进入储能环，在电子绕行波荡器的过程中，沿切线方向会发出同步辐射光。

自由电子激光的工作介质是自由电子。

电子被加速到接近光速，电子束进入周期性变化极性的磁场结构（如图4所示），即波荡器，在磁场（典型磁感应强度约1T）作用下，电子运动路径为正弦曲线，产生的横向加速度使电子辐射光子，当辐射足够强时，光子的横向电场与电子产生的横向电流作用，使电子聚集成许多束团，束团电子产生相干辐射的光。

2. 发展历史

先说一句公道话：EUV 光刻是用同步辐射“出生”的。

1986 年，NTT 的木下博雄（Hiroo Kinoshita）用同步辐射光源做出世界上第一张软 X 射线缩小投影图像，分辨率 4 μm（图5）——观众几乎没人相信“X 射线真的能转弯成像”。

1989 年他给出最佳曝光波长、掩模与光刻胶的完整论证。
1990 年 AT&T 用同步辐射把图形做到 50 nm。1990 年代初，LBNL 的先进光源（ALS）与 CXRO 成为整个 EUV 光学、掩模、光刻胶、计量体系的“标准尺”——这个角色至今没有变。

那么，为什么不直接把同步辐射搬进工厂？
1998 年 ASML 拉上蔡司和 Oxford Instruments 成立了 EUCLIDES 联盟，专门回答这个问题。2000–2001 年，德国 BMBF 委托的评估给出了最终结论：

对弯转磁铁、扭摆器、波荡器三条路线的计算确认了早期结论：常规储存环的带内（in-band）功率不足，同时带外（out-of-band）辐射过量——带外功率一旦超过约 500 W，就会给光学系统带来不可接受的热负载。在所有基于同步辐射的方案中，只有自由电子激光（FEL）能满足 13.5 nm 的严苛规格：一台 500 MeV 直线加速器配超导微型波荡器，可产生超过 50 W 的带内 EUV 功率，且带外辐射可忽略。2000 年夏天，DESY 一个小组独立发表了基于 SASE 的 70 nm 光刻用 FEL 设计，从原理上确认了 FEL 路线的可行性。

结论很清楚：加速器光源的性能不是问题，成本、体积与“工厂适配性”才是问题。一座储存环或一台 XFEL 是国家大科学装置，不是能塞进晶圆厂的一个模块。

FEL 装置的关键年份（供对照）：

【注】 SSMB 是什么？稳态微聚束（Steady-state microbunching）概念由斯坦福教授、清华大学杰出访问教授赵午（Alexander Chao）与其博士生 Daniel Ratner 于 2010 年提出；2017 年唐传祥与赵午发起验证实验，2021 年 2 月发表于《自然》。它的意义在于把同步辐射（高重频、高平均功率）与 FEL（高亮度、相干、窄带宽）两类光源的优点合到一起，理论上可覆盖太赫兹到 EUV 波段，并具备向更短波长（如 6.x nm 的“Blue-X”）扩展的潜力。清华已就“稳态微聚束极紫外光源研究装置”向国家发改委提交项目建议书，申报“十四五”国家重大科技基础设施。

正在发生的产业变量：xLight。
这家 2021 年成立于加州帕洛阿托的公司，是目前把 EUV-FEL 推向商业化的最激进尝试者。

它的班底很有意思——CEO 兼 CTO 是 Nicholas Kelez，董事会执行主席是前 Intel CEO 帕特·基辛格（Pat Gelsinger）。

2025 年 7 月完成 4000 万美元 B 轮（Playground Global 领投），2025 年 12 月美国商务部又给出最高 1.5 亿美元的支持。合作方包括康奈尔 CLASSE（基于 CBETA 能量回收直线加速器）、洛斯阿拉莫斯国家实验室（用机器学习做加速器自动控制）与费米实验室（超导射频腔与低温模组）。
xLight 宣称其系统可提供 4 倍于 LPP 的功率、把单片晶圆成本降低约 50%、一套光源可同时供给 20 台 ASML 扫描机，并计划 2028 年做出可与 ASML 机台对接的全尺寸原型。
这套“一台光源供多条产线”的架构，本质上是在赌 FEL 的另一个优势：功率可以做到极高，因此可以把“一源一机”变成“一源多机”，把加速器的巨额成本摊薄。这是一个非常聪明、但尚未被任何工程实绩证明的赌注。

六、HHG：实验室级超短波 EUV

1. 工作原理

高次谐波产生（HHG）在物理上是最漂亮的：一束飞秒强激光打进惰性气体，电子隧穿电离 → 在光场中加速 → 半个光周期后被拉回母离子复合，把动能加电离能一次性以高能光子形式放出。这就是 Corkum 的“三步模型”。

如图6所示，基于高次谐波的极紫外光源系统主要由三个核心组件组成：

它的产物极其诱人：相干的、类激光的、桌面大小的 EUV / 软 X 射线，脉冲宽度可以到阿秒，光束质量好到可以直接做相干衍射成像。

但面向产业化 EUV 光源时，存在着棘手的问题，即所使用的泵浦光源为紫外或近红外的超短脉冲光源， 本身难以实现高功率，而且转换效率低，2015 年的转换效率约为 5×10??，难以 实现大功率的产业化输出需求。

HHG的商业化主体却很活跃，因为它在另一个赛道上无可替代：

HHG 的正确定位是：**曝光不需要它，但掩模缺陷的“光化检测”（actinic inspection）、EUV 光刻胶的微观机理研究、纳米尺度的相干成像需要它。它是测量工具，不是生产工具。

七、为什么最终选择 LPP？

下面这张表是全文的核心。评分只针对量产曝光（HVM lithography）这一应用场景，不针对计量与科研。

? 差 等离子体端可堆高（500 W–1 kW 已演示），但 IF 点转换不上去。往 Z-pinch 里灌更多能量，等离子体“变大而不是变亮”，辐射体积超出收集镜立体角与系统étendue；IF 从 14 W（2009）到 30 W（2011）后基本停滞

? 优 功率 = 激光功率 × CE × 重频，三个因子独立可调。10 W（2010）→ 250 W（2018）→ 500 W（2024）→ 1000 W 路线图（2028–2030），几乎线性

? 中 只能靠堆重频（kHz → 约 30 kHz），单脉冲能量受碎屑与电极烧蚀封顶。IF 15 W（2011.2）→ 30 W（2011.10）→ 74 W（2012）后再无面向曝光的公开突破

? 差 固定电极，每次放电都从电极上啃掉材料，电极既是消耗品又是碎屑源

? 优 真空室内没有任何电极。寿命瓶颈从电极转移到收集镜与腔体清洁，而后者可以原位清洗、可更换

? 中 旋转圆盘电极 + 锡熔池镀膜，磨损被摊薄到整个圆周，远好于固定电极；但电极仍在，且“高速旋转 + 锡熔池恒温 + 高压放电”的机构复杂度极高

? 差 数十千瓦功率密度直接灌进电极与毛细管壁，需要直接水冷；热形变会导致 pinch 位置漂移，进而破坏剂量稳定性

? 优 真空室内没有任何电极。寿命瓶颈从电极转移到收集镜与腔体清洁，而后者可以原位清洗、可更换

? 中 旋转电极有天然的散热优势（热量被带到腔外），但锡熔池恒温控制、电极热形变与镀膜均匀性仍是关键工程难点

? 差 碎屑来源无法关闭（电极材料本身）。必须靠物理挡板（foil trap / DMT）拦截，而挡板一定挡光，直接牺牲收集效率

? 优 碎屑只来自锡靶，可从源头做“质量受限靶”（20–30 μm 锡液滴，能烧的就这么多）。三道防线：① H? 缓冲气减速中性粒子；② 磁场偏转离子（超导磁场实验已证实 Sn 离子可被完全清除）；③ H? 生成挥发性 SnH? 原位清洗 + 收集镜保护盖层

? 中 激光只从电极表面取走极少量锡，进入等离子体的额外质量少，碎屑水平显著优于固定电极 DPP；仍需 DMT + 缓冲气，Ushio 估计收集镜寿命 > 1 年

? 中 早年产品限于数 kHz；XTREME 2008 年宣称原理上可扩展到 100 kHz，但验证的是物理可扩展性而非产品能力

? 优 量产地 50 kHz 液滴已成常态，液滴发生器 40–100 kHz 已实现（2026 年报道新型发生器可达 100 kHz）。重频越高，单脉冲能量越低，碎屑越少、剂量稳定性越好（更多脉冲平均）

? 中 约 10–30 kHz，受限于旋转电极线速度、锡膜均匀性与放电恢复时间

? 优 结构最简单：电源 + 电极 + 真空腔。但“简单”的代价是物理约束最难突破

? 差 最复杂：40 kW 级 CO? MOPA、20–30 μm 锡液滴发生器（横向稳定性须远小于液滴尺寸、时序抖动<1%）、预脉冲与主脉冲的空间时间对准、约 5 sr 大尺寸多层膜收集镜、磁场 + H? 碎屑抑制、原位清洗、实时剂量闭环

? 中 省掉了最贵的大功率激光器，只要一台触发激光；但换来高速旋转机构、锡熔池、镀膜均匀性控制与高压放电时序

一句话总结：LPP 在六个维度里拿了四个“优”、一个“差”（工程复杂度），而这个“差”正是它赢的原因——它主动选择了“用复杂度换可扩展性”。DPP 与 LDP 都是“用简单换天花板”，而天花板是物理给的，工程改不动。

八、结语：胜出的不是最优雅的，而是最“可迭代”的

回望这四十年，五条路线的命运可以这样概括：

今天这个故事还没有写完。
ASML 正在把光源从 500 W 推向 1000 W
Low-NA 机型产能可从约 160 片/小时提升到 250 片/小时以上
High-NA 的 EXE:5200 也能从 120–150 片/小时提升到约 220 片/小时。
再往后，Hyper-NA（数值孔径 > 0.75，瞄准 2030 年代中后期）被提上日程，而它很可能要求把波长从 13.5 nm 再往下推到 6.x nm——那意味着靶材、多层膜、真空环境全部推倒重来，又一轮路线之争即将开始。

与此同时，牌桌上出现了新玩家：押注 EUV-FEL 的 xLight，押注 SSMB 的清华大学，走固体激光 LPP 路线（避开受出口管制的 CO? 激光器）的中科院上海光机所（公开报道带内转换效率 3.42%），以及继续深耕放电等离子体的哈尔滨工业大学。

所以，与其说“最终盯上了激光等离子体”，不如说：

产业选择的从来不是物理上最优的方案，而是那个把不确定性拆得最细、最便于分工攻克、因而最可持续迭代的方案。LPP 用四十年时间证明了一件事——在极端工程里，“可被持续优化”比“当前最优”值钱得多。

附：EUV 光源大事年表