2023年光刻机产业专题报告：EUV光源主题，源头活水，换道超车

引子：光源变化决定光刻机高度

回顾历史，光源变迁推动光刻机发展

我们以光源变迁为引，简要介绍人工光源和光刻技术的发展历史。光是人最早认识到 的自然现象，但人类理解光、控制光却经历了非常漫长的过程。在人类文明存在之前，阳 光、闪电、火光等自然光都存在于自然界，随着文明的发展，人类逐步能通过小孔成像、 透镜、镜面等光学设备运用光，也诞生了几何光学、量子光学等诸多学科，但关于光的波 粒二象性，直到 1923 年德布罗意在其博士论文中提出波粒二象性，人类才较为全面地认 识光。伴随着对光认识的不断加深，人类创造出了人工光源，对光源的控制能力也不断增 强。在历史的长河中光源发展出了白炽灯、X 射线、荧光灯、激光、LED、同步辐射光源 （RF）、自由电子激光（FEL）等众多类型，每一次光源的创新都代表着科学技术的巨大 进步，推动人类社会生产力不断向前发展。

人工光源的变迁，亮度增强、束流集中、波长可控、相干性不断提升。1879 年爱迪 生点亮碳丝创造出电灯，标志着人类第一次掌握电光源技术，但那时的白炽灯和火光一样 还是宽光谱光源，光的各项物理性能指标都不受控制。1895 年伦琴在做阴极射线实验的 过程中偶然发现了 X 射线，标志着人类第一次能约束光谱的范围，这也标志着现代物理学 的到来。20 世纪 60 年代美国和前苏联一批科学家发明了激光光源，激光由原子核受激辐 射产生，具有散度极小、亮度（功率）很高、单色性好、相干性好等特点。激光是人类制 造出的第一种单色光，是 20 世纪最伟大的发明之一，它的应用深入医学、工业、军事等 各个方面。目前像 ASML、三星、英特尔等企业的光刻机在 7nm-90nm 制程采用的氟化氩 （ArF）、氟化氪（KrF）光源就是准分子激光，是惰性气体和卤素的混合气受到电子束激 发后由激发态向基态跃迁过程中产生的。ASML 在 5nm 及以下采用的极紫外激光（EUV） 光源是使用 193nm 的深紫外光（DUV）将自由下落的锡滴靶材打成云雾状，紧接着用功 率高达 20kW 的二氧化碳激光器再次击打锡雾，并激发出 13.5nm 的 EUV。虽然 EUV 光 源产生的不是激光，但是其制备过程也离不开激光。

回顾光刻机发展历史，ASML 正是选择了激进光源技术才实现了换道超车。DUV 能 利用 ArF 产生 193nm 的深紫外线，这一技术在 20 世纪 90 年代就已经成熟，之后二十年 光刻机光源波长在 193nm 停留了近 20 年，彼时 ASML 的市场规模远小于尼康、佳能这两 家日本巨头。随着技术发展，日本企业选择了更为保守的 157nm 的2线，而台积电资深 处长林本坚提出了水浸式光刻工艺，通过水的折射把 193nm 的 ArF 线转化为 134nm 的等 效波长，是在极限上继续发掘了 ArF 线的潜力。ASML 先是剑走偏锋押注水浸式 DUV 光 刻，在 2004 年一举拿下多家大客户订单，到了 2007 年 ASML 在光刻机市场的的市占率 就达到 60%。待水浸式技术成熟后，ASML 进一步押注了更为激进的 EUV 技术，并在 2006 年搭建出全球首台 EUV 光刻机，进而成为光刻机市场不可撼动的霸主。尼康和佳能都尝 试过开发 EUV 光刻机，但最后因为难度过高最终退出。2012 年英特尔、台积电、三星等 厂商纷纷注资入股 ASML，支持其 EUV 光刻技术改进升级，从而换取优先供货权。回顾 历史，ASML 正是因为率先采取了革命性的光源技术，才超越尼康、佳能这两大光刻巨头， 最终获得了今天的市场地位。

从电光源到同步辐射光源，光源变化历史

同步辐射于 1947 年正式观察到，与其他几种光源的原理有根本差异。在 19 世纪麦克 斯韦建立电动力学方程组中，就描述了电荷和电磁波的关系，论证了速度接近光速的带电 粒子在电磁场中做偏转运动时，沿运动轨迹的切线方向会发出电磁辐射，也就是同步辐射 （synchrotron radiation，SR）。由于这种辐射是 1947 年在电子同步加速器上观测到的， 因而被命名为“同步辐射”。自然中的 0 同步辐射广泛存在，最容易观察到的是天体物理 里中子星的高速旋转形成电磁脉冲。随着研究的深入，物理学家发现如果让相对论粒子不 断地走在一条“转弯圆弧加直线”构成的近似圆周的轨道上可以很好地发生 SR 射线，同 时该类 SR 光源具有宽波段、连续可调、高准直、方向性强、脉冲结构、稳定性强、微束 径、准相干等众多优势，自 20 世纪 60 年代起 SR 光源及其实验技术开始快速发展。迄今 为止，有关同步辐射的研究已经获得了 5 次诺贝尔奖。SR 射线是由相对论粒子运动方向 改变发生的，而白炽灯、荧光灯、X 光、激光是由电子原子核从激发态跃迁到基态产生的， SR 光源与其他几种光源的产生原理有根本区别。

由于性能优异，SR 光源在生产实践中有广泛应用。在发展过程中 SR 光源的应用潜 力被不断发掘，迄今为止，世界上约 70%的已知生物大分子结构：蛋白质、DNA、RNA、 核糖体、核小体、病毒等，都是借助同步辐射光了解的。在所有与微观结构有关的领域， 如物理学、化学、生命科学和医学、材料科学和工程、能源科学和技术、地球和环境科学、 纳米科技等，同步辐射光源都有非常广泛的应用，它是理想的多学科交叉研究平台。由于 SR 光源和激光都是具有优异特性的电磁波，仅仅是发生方式不同，SR 光源亦能应用在硅 基集成电路加工的光刻环节。

同步辐射光源光刻产业化需配套光刻系统升级

同步辐射光源结构和原理

SR 光源由电子枪、加速器、储存环、插入件等结构组成，通过 SR 辐射产生电磁波。 SR 光源首先需要让电子枪发出电子，通过加速器将电子加速到接近光速，再让相对论电 子以不变的能量稳定运行相当长一段时间，同时还需要粒子在运行过程中周期性地释放电 磁辐射。为满足上述物理目标，物理学家设计了超高真空度（10−4Pa-10−10Pa）1的存储 环（Storage Ring）。在电子释放电磁辐射的过程中能量会发生衰减，因此存储环也需要扮 演同步加速器的角色加速粒子。在存储环中除了转弯磁铁可以产生电磁辐射外，物理学家 还设计了频移器、波荡器、扭摆器等插入件。插入件是用来获得高质量同步辐射的装置， 其数量多寡和功能强弱已经成为评判同步辐射装置优劣的标志。这些插入件的结构设计各 有差别，但物理原理上是一致的，即通过改变电子束运动方向产生同步辐射。

SR 光刻与 EUV 光刻曝光原理相同，光路大幅简化

同步辐射光刻技术在 1980 年提出，经过了近 40 年发展已趋于成熟。LIGA 是德国 Karlsrube 核研究中心在 1980 年提出的，它是德文 Lithographic（光刻），Galvanoformung （电铸成型），Abformung（塑铸成型）的缩写，其过程包括 X 射线深度光刻、电镀和模 压。其中，同步辐射深度光刻技术是 LIGA 的第一步，也是最为重要的一步。从电子储存 环中发生的一束同步辐射光经过滤光片后照射在掩膜后面的样品上，再通过扫描电机带动 掩膜和样品进行往复运动从而实现二维方向上的曝光。为了提高芯片上元器件的密度，光 线刻宽的缩小受到衍射和半影的限制。衍射与光的波长有关，半影与光的平行度有关。

高能 X 射线光刻采取反射滤波方式，光路较现有光刻机大幅度简化。在 LIGA 工作站 运行有几个步骤，首先是从同步辐射储存环中引出光束，通过滤波获得所需的曝光波长， 在确保入射光束与样品垂直的基础上，获得均匀的曝光面积。如果光源中高能 X 射线含量 较低，滤波系统只需要多采用吸收薄膜过滤低能 X射线；如果光源中高能 X射线含量较高， 为达到最佳曝光波长，滤波器（Be 窗）需要分别滤去高能入射光和低能入射光，使得样 品的同步辐射主要波段在最佳曝光波长附近。对于前者，LIGA 光束线站中没有光学器件， 结构较为简单；对于后者，LIGA 光束线站中包含镀有各种反射膜的反射镜，并且需要精 确控制掠入射角，结构相对复杂。目前 ArFi 线的 DUV 光刻机采用了蔡司设计的 193nm 水 浸式折射-反射镜系统，该投影透镜组一共使用了 25 片透镜，对比现有的 DUV、LPP-EUV 而言，高能 X 射线光刻或能大幅简化光刻机的光路系统。

同步辐射光刻技术在产业化上的难点

SR 光源光子能量和发散角完全满足要求，非相干光功率较低限制了其工业化量产。 光刻过程对光源的要求主要在于光子能量、辐射强度和发散角。在光子能量方面，SR 光 源不仅能覆盖 EUV 光源 13.5nm 的波长范围，还能把波长进一步提高至 X 射线光刻最佳曝光波长 0.7-1.2nm 附近。在发散角方面，同步辐射软 X 射线波段是发散角极小的准平行 光，对曝光精度的影响非常小。在功率方面，由于 SR 光源束团长度较长，产生的光相干 性较差功率较小，限制了其在工业领域的大规模量产，SR 光刻仅停留在实验室阶段。SR 光源一直用于高端光刻胶的测试，国内的科研和产业用户基于上海光源 XIL 线站已开展了 大量工作，并已取得了一系列进展。

掩膜是软 X 射线光刻技术中最关键的部分，随制程推进国产替代需求更加紧迫。由于 软 X 射线是 1:1 的接近式曝光，为了实现很高的曝光分辨率，对掩膜版的要求非常高。由 于掩膜衬底薄膜的厚度通常只有1μm，非常容易破损，因此成品率很低。随着制程向前推 进，光子能量不断提高波长不断减小，掩膜版的壁垒会更高，国产替代紧迫性会更急切。 目前掩膜版市场仍被美日企业把持，根据半导体行业观察数据，英特尔、三星、台积电等 自建配套工厂模式占全球 65%的市场规模，第三方厂商模式中日本 Toppan 占比 11%、美 国 Photonics 占比 10%、日本 DNP 占比 8%，其他厂商仅占 6%。

曝光台对操控精度要求极高，国内仍处于追赶阶段。同步辐射软 X 射线的曝光面积一 般为 30mm×30mm 左右，要求曝光台能够进行往复运动，实现分次多步曝光。纳米图形的对准套刻对曝光台精度的要求非常高，加工难度非常大。如果采用样品扫描的方式获得 均匀的曝光会对曝光台的要求更高。国际上不少软 X 射线光刻试验站采用商业化曝光系统 来实现软 X 射线光刻，常用的有德国蔡司（Karl Zeiss）、美国硅谷光刻集团（SVGL）、日 本尼康（Nikon）和日本佳能（Canon）等公司的产品。国内来看，上海微电子双工作台 产品及技术开发的供应商华卓精科招股书显示，其已发货的 DWS 系列产品运动平均偏差 为 4.5nm，可用于 45nm 及以下工艺节点 IC 前道光刻机，接近国际同类设备水平。

随光源迭代光刻胶需要继续开发，国内高端光刻胶国产替代市场空间广阔。光刻胶是 利用光化学反应的原理将光刻系统中经过衍射、滤波后的光信息经过曝光、显影过程后完 成掩膜图形的复制。光刻胶需要与光源波长高度匹配，随着光源波长降低，未来也需进一 步研发适配 X 射线的新型光刻胶。根据 TECHCET 和中商产业研究院数据，目前全球半导 体光刻胶市场中 ArFi 和 KrF 仍然占主导地位，分别占比 38%和 35%，EUV 光刻胶仅占 3%。在国内市场中，半导体光刻胶仍然被日美企业垄断，国产替代市场空间广阔。

SSMB 方案适用于 EUV 光刻，具备产业化优势

相较于 SR 光源，SSMB 方案光束相干性和功率更优

自 由 电 子 激光 峰 值亮 度更 高 ， 同 时能 实 现短 波长 强 相 干 性。 自由电 子激 光 （free-electron laser，FEL）的概念由 Madey 于 1971 年提出，其基本工作原理是自放大 自发辐射（SASE）：速度接近光速的电子束经过波荡器时会产生 SR，该辐射与电子束在 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，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。FEL 拥有三个独特的优点：1）输出性能由电子束团品 质决定，理论上不存在绝对上限；2）输出波长连续可调，可以在太赫兹到 X 射线的任意 波段输出；3）光束性质可通过操纵电子束团来深度定制。绝大多数自由电子激光装置通 常由加速器、波荡器和光束线站系统三部分组成。

SSMB 有望大幅提高光束相干性，克服 SR 光源功率不足的问题。SSMB 的核心想法 是将储存环中的微波射频腔聚束系统，用激光调制系统取代。由于激光是横波，其电场与 传播方向垂直，无法与平行传播的电子束进行有效的能量交换，需采用扭摆磁铁使电子束 产生横向振荡，让激光对电子束产生与射频腔中的微波类似的能量调制，从而实现传统射 频腔对电子束的纵向聚焦。在 SSMB 储存环中，由于激光波长(微米量级)比微波波长(米量 级)短了约 6 个数量级，配合精心设计的磁聚焦结构，其聚束产生的电子束团长度将远小于 现有同步辐射光源上常见的毫米级束团，达到亚微米至纳米量级，即形成了微聚束；同时 束团间隔也从微波波长缩短到激光波长，也即单位长度内的束团数目相应提升了 6 个数量 级。在微聚束中，不同电子的辐射场相位一致形成相干辐射，相干辐射功率与电子数平方 成正比， 远高于与电子数目线性正比的非相干辐射。SSMB 具有能量可调、高通量、窄带 宽等众多优异特性，是极具潜力的 EUV 光源方案之一。

LPP-EUV 方案渐进瓶颈，SSMB 具有产业化优势

产生 EUV 主要有四类方案，ASML 方案渐近瓶颈。四类方案分别为放电等离子体 （Discharge produced plasma，DPP）、激光等离子体（laser produced plasma，LPP）、 同步辐射（synchrotron radiation，SR）和自由电子激光（Free electron laser，FEL）。目 前世界上唯一的 EUV 光刻机供应商荷兰 ASML 采用的便是 LPP-EUV 光源。具体而言， 通过一台功率大于 20kW 的 CO2气体激光器轰击液态锡形成等离子体，从而产生 13.5nm 的 EUV 光。通过不断优化驱动激光功率、EUV 光转化效率、收集效率以及控制系统， LPP-EUV 光源目前能够在中间焦点处实现 350W 左右的 EUV 光功率，该功率水平刚达到 工业量产的门槛指标。产业界通常认为 LPP 光源未来可以达到的 EUV 功率最高为 500W 左右，想要继续将 EUV 光刻向 3nm 以下工艺节点推进，LPP-EUV 光源的功率将遇到瓶 颈。

清华 SSMB 由四代 SR 光源技术变迁而来，技术同源但应用不同。X 射线作为探测物 质结构的探针，其光源亮度是最为关键的指标。1947 年，基于高能粒子加速器的 X 射线 产生技术，诞生了同步辐射光源，其性能远比常规 X 射线源先进。在半个多世纪的发展历 程中，同步辐射光源经历了三代的演化：与高能物理研究兼用的第一代，专用于同步辐射 实验的第二代和基于低发射度储存环并以波荡器插入件为主要辐射源的第三代同步辐射 光源。世界各地前三代同步辐射设施的加速器能量小至 200MeV（NIST），大至 8GeV （SPring-8）；周长从数米到 1.4km；储存环电流范围为 100-500mA。通常，同步辐射光 源被围在射线防护掩体内，防护掩体外侧设置实验光束线和实验站，光束线长度最长达到 1km。当前世界上目前在运行的光源约有 50 余台，其中约有 15 台属第三代光源。随着瑞 典的 MAXIV 等低发射度储存环光源的成功建造，极低发射度储存环光源逐渐被公认为环 形同步辐射光源的主要发展方向。这种光源在加速器上采用多弯铁消色散的新型磁聚焦结 构，可将储存环的束流发射度降低到 0.1nm∙rad 以下，获得高出目前第三代光源 1-2 个数 量级的亮度。 基于相对论电子束的各类加速器光源逐渐进入产业界的视野，如 SR、超导高重频自 由电子激光（SRF-FEL）以及 SSMB 等。SSMB 可实现大于 1kW 的 EUV 光功率，具备 窄带宽与高准直性等优势，且造价和规模适中，作为一种新型光源原理，SSMB 原理实验 验证已经实现，需要建设运行在 EUV 波段的 SSMB 加速器光源研究装置，培养科学及产 业用户，并提高其技术成熟度。

第四代 SR 光源技术路线其中之一便是可产生相干光的自由电子激光（FEL）。其是利 用波荡器使电子束与光相互作用，通过诱导发射产生高亮度光的装置。同时，能量回收型 直线加速器（energy recovery LINAC，ERL）亦被提出用以得到高品质电子束。ERL 已 逐步实现由几十 MeV 向 GeV 水平跨越。目前，世界上仅有 3 台在运行的、2 台在建设中 的第四代同步辐射光源。在运行的包括美国先进光子源（APS）、欧洲同步辐射装置（ESRF）、 日本 SPring-8，以及在建的德国的 PETRA-III、中国怀柔的 HEPS。

我们认为 SSMB 方案实现难度较 FEL 更低。此次清华 SSMB 与 HEPS 等为代表的 FEL 技术原理不同，均属于自由电子激光技术路线，但 FEL 用途更为广泛，而 SSMB 为 EUV 光刻专用，因此造价、规模、可商业化难度更低。根据高能加速器研究组织（KEK） 《实现 EUV-FEL 大功率光源的挑战——EUV-FEL 研发现状》，3nm 及以下光刻用 EUV-FEL 光源的实现将分为三个阶段：1）开发可行的技术，以及处理峰值功率 EUV-FEL 光；2）建立 10kW 级 EUV-FEL 系统并建立相关光学系统；3）建立 EUV-FEL 光刻国际 发展中心，与设备供应商和终端用户合作开发 EUV-FEL 光刻及相关工艺。

HEPS 投资规模较大，基本实现核心零部件自主可控

参照同步辐射光源，激光调制为 SSMB 独特设计

HEPS 项目投资高达 47.6 亿元，为我国首台第四代同步辐射光源。HEPS 为第四代 同步辐射光源，具有更为优秀的亮度和相干性，首期将面向工程材料、能源环境、化学、 地质等领域的高校、科研院所，以及航空航天领域的企业等用户全面开放。HEPS 项目主 要建设内容包括加速器、光束线站、配套设施等，根据《中国科学报》报道，高能同步辐射光源项目占地 976 亩，总投资 47.6 亿元，预计 2025 年建成运行。HEPS 将是我国第一 台高能同步辐射光源，也是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一。

HEPS 项目预期 2025 年建成，届时有望用于先进制程光刻可行性验证。HEPS 项目 于 2019 年启动建设，目前 HEPS 项目已基本完成土建结构施工，正在进行设备安装及调 束准备。2023 年 3 月 14 日，HEPS 成功加速第一束电子束，束流能量达到 500MeV。中 国科学院高能物理研究所预计今年底增强器将把电子束加速到额定的最高能量 6GeV。

加速器是光源的主体，可为光束线站提供高品质同步光源。HEPS 加速器由储存环、 增强器和直线加速器三台独立的加速器，以及连接这三台加速器的 3 条输运线组成。根据 《中国科学报》内容，HEPS 的工作原理可以概括为“加速电子，产生光”。HPES 加速的 带电粒子是由电子枪产生的高品质电子束，经过直线加速器加速到 500MeV，然后进入增 强器，在增强器被加速到 6GeV。最后，6GeV 的电子束团将从增强器环中被引出，进入 专门为电子发光准备的储存环。

HEPS 供应商基本已达到自主可控，关注真空系统国产替代机会。目前，HEPS 加速 器组成已部分完成招标，根据 HEPS 官网以及中国政府采购网信息，HEPS 加速器的电子 枪、微波功率源、磁聚焦结构、机械结构、束测系统、配套仪器等供应商基本以国内厂商 为主，供应商包括沈阳科学仪器、宝胜科技、北京高能锐新科技、合肥科烨、合肥聚能、 爱科赛博、杭州永磁等；但真空系统配套设备组件采购仍较大程度依赖海外厂商，包括普 发真空、美国 MT、三井光中真空、韩国希尔泰等。

HEPS 首期建设 14 条用户线站，14 条线站分成两批推进。真空内插入件引出的 8 条 光束线站列为首期第二批线站，包含硬 X 射线纳米探针、结构动力学、相干散射等光束线 站。第二批线站将着重发挥 HEPS 高亮度、高相干、高能量等优势，面向国家重大需求和 科学前沿，对微观结构从静态构成到动态演化，提供多维度、实时、原位的表征，解析物 质结构生成及其演化的全周期全过程。

SSMB 储存环由激光调制器替代射频腔。根据《稳态微聚束加速器光源（2022）》（作 者：唐传祥，邓秀杰），SSMB 方案使用激光调制器替代射频腔，由于激光波长（微米量 级）相较于微波波长（米量级）短了约 6 个数量级，配合磁聚焦结构（lattice），其聚束产 生的电子束团长度将远小于现有同步辐射光源上常见的毫米级束团，达到亚微米至纳米量 级，即形成了微聚束。同时，束团间隔也从微波波长缩短到激光波长，也即单位长度内的 束团数目相应提升了 6 个数量级。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）