当然高兴.....何必高调？

——聊聊加速器光源和X射线光克

一觉醒来，国产光克机的新闻大爆发。

别说，这一轮“弯道超车”、“换道超车”，还真够瞧的。您看这个——

”EUV光克机相关， 弯道超车他来了”

"真正的SSMB-EUV光源方案 ，并不简单。”

”加速器周长100~150米，输出EUV功率>1KW”

”鹰酱的极限制裁极大的加速了国内EUV光克机的研发速度，原本这种异想天开的“邪路”只能停留在PPT上和实验室里。现在国家的饱和式研发却让它迅速落地——酷！”

”未来这种一台加速器光源带数台甚至数十台光克机的“光克厂”，我觉得很可能是中国的光克机超越ASML的关键。" 

下面是“弯道超车”的整体方案——清华SSMB-EUV方案 

您再看这个——

“其实我也在研究这个问题”

“下一代光克机一定由中国首先开发出来”

“我相信今天中国的光克机研究，不是什么EUV了，应该是做X-ray光克机。下一代光克机肯定是从这个领域突破。”

“我也相信下一代X-ray光克机一定是中国做出来”

“台湾那智商的洼地，他们会做光克机吗？荷兰也做不了，因为市场已经没有了

“只有中国才有开发最先进的X-ray的动力，荷兰做出来卖给谁？”

“去问问鹰酱人，如果不是我（项立刚）说X-ray光克机，那些鹰酱人谁听说过？”

遇上这么大阵仗，一向喜欢凑热闹的兵器迷，哪能不掺和掺和呢？

先带上钢盔——再开火！

一、昨天和今天

首先聊聊清华的SSMB-EUV方案。

咋说呢，1年多前的事儿了。

再往根儿上说呢，13年前的事儿了。

其实，这个SSMB，是“稳态微聚束”Steady-state microbunching）的意思。而稳态微束的概念，则起源于2010年——是不是13年前的事儿？

而我兔清华大学，是从2017年开始进行相关研究的。2021年2月25日，清华大学工程物理系教授唐传祥研究组，与合作团队在《自然》Nature杂志上，发表了题为“稳态微聚束原理的实验演示”（Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching）的研究论文，报告了SSMB的首个原理验证实验。

当时，唐传祥教授指出“基于SSMB的EUV光源，有望解决自主研发光克机中最核心的卡脖子难题”——这就是后来N多话题的源头 。

唐传祥教授

唐教授这样说，是因为ASML的EUV光克机的光源，是激光等离子体LPP的技术路线。而随着半导体制程向1-3纳米级挺近，EUV光克需要的光功率将达到千瓦量级，此时LPP-EUV光源的功率将遇到瓶颈。所以，新体制大功率光源的研制方向之一，就是加速器光源，其中主要包括两类，也就是同步辐射SR光源和自由电子激光器FEL光源。

同步辐射SR和自由电子FEL两种光源，都是基于电子储存环的加速器光源。这就是我们今天聊的两个话题之一——加速器光源。

同步辐射SR的优点是可实现高频辐射，但是频谱范围太宽，过滤到需要的频段后功率就大大下降了，再加上纵向相干性弱，SR成光的峰值辐射功率上不去。而自由电子FEL的优点是能够实现高峰值亮度（比SR高8—10个数量级），但缺点是脉冲重复频率比较低，所以FEL的平均辐射功率上不去，要做能量回收ERL。

而清华SSMB-EUV，是将储存环加速器中的聚束系统, 由微波射频腔, 改为高占空比的调制激光腔，综合利用了SR/FEL两种加速器光源的优势，峰值辐射功率和平均辐射功率都得到明显提升，可以突破LPP-EUV的功率门槛限制，实现前所未有的千瓦级大功率稳态辐射光，从而成为未来光克机光源的一个战略备选方案。

清华大学持续研究SSMB-EUV，一直到2022年8月，终于在《物理学报》, 2022, 71(15)上，刊登了《稳态微聚束加速器光源》的论文。本文开头的换道超车消息中的截图和数据，就是这么来的——

图源：物理学报并向清华致敬

图源：物理学报并向清华致敬

注意，清华设计的SSBM-EUV，辐射波长5-100纳米。这个范围比较大，不过其中13.5-100纳米范围已经被现有光刻机覆盖，因此对下一代光克作业有价值的辐射波长，应该是落在13.5-5纳米——这就大体落到了X射线的波段之内。这就是我们今天聊的二个话题之二——X射线光刻。

注意：清华设计的SSBM-EUV可是2022年发表的。您说，这是不是1年之前的事了？（所以兵器迷比较纳闷的就是——为啥当时没见什么波澜，现在却把1年多前的事情拿出来爆炒......所为何来？）

二、科研与工程

第一：SSBM是下一代光源的候选者，但不是唯一的

在加速器光源范畴内，除了SSBM，其实也还有储存环自由电子激光器、能量回收型直线加速器等不同技术路线，都在研发当中，也成为了SSBM的竞争对手。如果这些领域取得进展，或许将为“换到超车”和“弯道超车”，提供新的谈资，也未可知。

第二：SSBM面临的困难还很多，后面的路还很长

SSBM、SR、FEL这些加速器光源，稳定性强、直线性好、光源纯净，但清华的研究，也仅仅是在SSBM-EUV的研制道路上开了一个头。与其他技术一样，SSBM这项技术，既然有自己的优势，也就有下面谈到的的劣势了。

仅仅从光源的效能-成本角度看，这样的问题就不少：

1 SSBM”稳态微聚束”，顾名思义，核心就是微束化。但高能电子的纵向滑移和转弯，会降低这种微束化。

2 激光腔室的入射激光脉冲与电子束转角，必须达成高度同步，这个难度不小。

3 电子束粒子间的相互作用，会降低辐射功率和亮度，要用专用的反馈回路控制。

4 入射激光可能带来金属靶的碎屑debris，造成污染。

5 加速器光源涉及电子直线加速器和电子储存环，占地较大。

北京怀柔科学城高能同步辐射光源HEPS  并致敬中科院高能所

清华设计的SSBM-EUV，虽然没有HEPS那么大，但周长100-150米，意味着半径也有16米-24米左右，占地也很可观了。

从更广义的角度，即X射线光源对光克机系统整体的影响，就有光源本身之外的更多麻烦。

比如：

X射线的穿透力强，但是也容易被其他物质吸收。而吸收之后，就可能造成其他物质的变化甚至损害——其实X射线的最大应用优势之一，就是利用这种穿透物质和被物质吸收的能力，为人类提供探测物体表面和内部结构的技术手段。大家可以回忆一下X光肺片，就是这种能力的体现，同时其辐射也会对人体带来不利影响。那么光源之后的透镜系统、光克胶，乃至芯片在吸收X光之后会有什么程度的不利影响，如何消除这些影响，此类问题目前仍在研究。

X光射线比之前的光克机辐射波长更短，所以能量更高，这种高能射线长时间照射，会导致反射膜甚至透镜等材料的热变形，引起光路扭曲和光克图案模糊、失真。

采用无掩膜X射线光克机（老毛子目前开发的就是X射线直写光克，不用掩膜投影），那么毫无疑问，光克效率会非常低下，性能也很难达到纳米级水准。

所以，SSBM-EUV以激光调制的高能、高穿透性的X射线光谱作为光源，功率和纯净度确实是上去了，但也将对光刻机光源之外的其他子系统，特别是光学系统和光敏材料，提出前所未有的巨大挑战。

这就是为什么，SSBM加速器光源和软X射线光克，在科学原理上已经没有太大的问题，难度大部分都集中在工程化上。清华研究团队在实验室级的原理验证工作方面已经做得非常出色，但这与企业建立大规模产线级别的工业化生产能力，以及达到商业化可接受的良率-效率-成本均衡，完全不是一个层面的问题。

直到目前，业界仍然认为：加速器光源虽然在性能上有诸多优势，但工程化的条件苛刻，实验操纵复杂，适于科研场所，不适于大规模工业生产。所以清华团队的SSMB技术仍有待后续的验证。这种验证需要多久，尚无明确的定论。

三、兔子和其他

事情的原委说清楚了，再说说开头那些“弯道超车‘’和”换道超车”吧。其中某些异常高调的言辞，认为加速器光源和X射线光克这方面，只有我们兔子在做，或者至少我们兔子比其他国家/地区做得最好似的。

如果是这样，兵器迷可要泼点冷水了——

第一，这X射线光克Xray projection lithography，也就是XPL技术——”地球人都知道”。

因为随着光克机本身的发展，对光克分辨率都要去不断提高，光克机的光源波长在不断减小，从e 线、g 线、h 线、i线发展到远紫外、准分子激光、极紫外已经13.5纳米了。如果波长进一步缩小，那是什么波段——当然就是X 射线波段啊，其波长为10纳米-0.01纳米，就接上13.5nm的极紫外波段了。这是半导体行业光克领域数十年来的一般规律，全业界都知道啊。

更进一步的，X射线光克的工作波长，目标是10纳米-1纳米（实际上业界认为可以向上延伸到30nm），也就是行业所称的软X射线光克技术；而1纳米-0.01纳米，属于硬X射线，能量太高了，暂时还不在光克光源的研究范围内。

而软X射线光克技术的发展，最早可以追溯到什么时候呢？

1984年。

1984年，本子NTT、Nikon、日立等公司开始了相关研究。到1992年NTT 的样机已经可以复制线宽0.15μm 的图形。1993年至1994 年，日立和 Nikon 实现 0.05μm 线宽的光克复制。

鹰酱动手也不晚——1995 年鹰酱 Sandia 国家实验室也开始了相关研究。2007 年工业化制造线宽0.1μum的X射线投影光克。

因此，怎么能说“如果不是我说X-ray光克机，那些鹰酱人谁听说过”这样的话呢？

第二：对各种光源技术全面跟踪的，不只是兔子。

历史上，曾经被考虑用来产生EUV 光源的主流方案，就包括了同步辐射光源SR、自由电子激光器FEL光源、放电等离子体DPP光源、激光辅助放电等离子体LDP光源，和激光等离子体LPP光源，等等，等等。行业内对这些方向的研究、跟踪完全是公开的，不存在只有我们在研究的说法。而全面跟踪和分析光克光源的，也绝非兔子一家。

比如，荷兰ASML，也是对各种光源体制经过分析研究权衡利弊，最终认为LPP光源技术路线是首选，并在收购鹰酱光源公司CYMER后，将LPP发展成为今天唯一实用化的EUV光源。

而在LPP-EUV光源潜力接近枯竭、其他技术路线都未能成熟的今天，再次回头对其他各种光源技术全面跟踪和探索，才是目前的最佳选择。

这需要实力，这需要定力。

能这样做的，目前只有兔子和鹰酱（准确说是鹰酱+ASML）。

兔子的情况就不说了，只说鹰酱。

鹰酱国家标准与技术研究院NIST下属的物理材料实验室 (PML) ，就一直在严密跟踪各项光克机光源技术。在我们今天谈到的同步加速器紫外线辐射设施 (SURF III) 方面，鹰酱一直在进行大量投资。

另一方面，传统LPP-EUV光源，鹰酱也没落下——ASML的EUV光克机，其光源的研发和制造基地可不在荷兰，而是鹰酱位于加利福尼亚州圣地亚哥的Cymer。

在光克光源的领域，本子虽然也在研究,但技术路线没有辣么宽。有资源全面投入跟踪各种技术的，目前仍然只有鹰兔。而产品的技术先进性上，鹰先兔后，才是基本格局，细节后文还会谈到。

第三：我们自己的研究，也不是闭门造车。

清华对SSMB的研究非常深入，而其中也不乏国际合作的结果。比如，13年前最先提出SSMB概念的，是斯坦福大学教授、清华大学杰出访问教授、著名加速器理论家赵午和他的博士生Daniel Ratner。

这位说了，赵午教授不是清华的吗？

哦对，兵器迷错了，少打四个字，应该是“岛省新竹清华”——赵午博士是美籍岛省人士。

赵午博士一直持续推动SSMB的研究与国际合作。2017年清华大学研究SSMB过程中，还一直与与德国亥姆霍兹柏林中心(Helmholtz-Zentrum Berlin, HZB)、德国联邦技术物理研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB)进行学术合作。

后来唐传祥教授搞的那次SSMB实验验证, 则是清华唐传祥与斯坦福大学赵午教授一起发起；研究组主导完成了实验的理论分析和物理设计，并开发测试实验的激光系统；并利用德国MLS (Metrology Light Source)储存环（因为这台加速器非常接近SSMB的验证需求）进行实验，并完成了实验数据分析与论文撰写，最后合作团队联名发表论文。

所以，清华的SSBM研究，是与鹰酱和汉斯相关学者与科研机构高度合作的产物。

还有人说“岛省那智商的洼地，他们会做光克机吗？”。还是去了解一下：

1988年ASML如何在岛省艰难拓展光克业务得到台积电的雪中送炭；

2004年，岛省林本坚博士又如何提出浸没式光克，打破光克机分辨率不再提升的魔咒，帮助ASML战胜光克机传统霸主尼康和GCA； 

近20年来，ASML在EUV光克机和下一代High NA EUV光克机方面如何密切合作。

他就会明：ASML和TSMC正是在45年的无间合作中，才成就了彼此在半导体领域的霸主地位。没有TSMC的配合，哪里有ASML光克机的今天？

第四：我们在进步，别人也没闲着

先说传统光源领域——

我们前文说过，业内研制其他光源技术的原因是，LPP光源难以达到千瓦级高功率，甚至有专家认为LPP光源的极限只有500W，不会突破的。

好吧。ASML确实在200-300W的里程碑处，徘徊许久。

然而——

2023年初，ASML(+Cymer)宣布，其下一代High NA EUV光克机EXE:5200的Cymer光源，光功率已经达到了600W ——5年前才250W——并且能够进行短时间700W级的运行。

算不算传统LPP-EUV光源的重大突破？

回头看我兔，在研的DPP路线125W尚未正式官宣成功。

再说加速器光源领域——

前文说过，我兔清华设计的SSMB-EUV，光功率能够达到1千瓦，周长100-150米。这是2022年8月的设计，目前尚未看到官宣的设备就绪。

再看看Lyncean，缘起鹰酱斯坦福大学的初创企业，投资方为英特尔和三星，目的也是为光克机研制新型加速器光源。 

2021年7月，Lyncean展示了下一代紧凑型加速器光源技术——只有10米长。

其中四大模块的物理原理设计均已完成，大部分的工程设计也完成或进行中。

Lyncean同时公布了新系统的EUV光源——X射线光源的功率——2千瓦。

完成度95%。

如果像某人说的那样，清华1KW光源“未来这种一台加速器光源带数台甚至数十台光克机的光克厂”......好吧，就先当这不是玩笑，是事实。

那么请问——

ASML之EXE:5200的鹰酱Cymer光源，600W,能带多少光源？

鹰酱Lyncean的2KW光源，又能带多少台光克机？

最后，我们当真确信——如果能有个弯道超车，换道超车的，就一定，是兔子？

清华SSMB-EUV研究有成绩，我兔光克光源有进展，国产化有希望...

对，都对！

看了这样的消息，只要是中国人,如何能不开心——自主可控有一丝一毫的进步，我们都要鼓励，都要鼓掌，都要高兴。

当然高兴！

......

何必高调？

≈网图侵删哦≈