报告出品方：中信证券

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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。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。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19nm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1.5nm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。

光源变革是光刻机技术迭代最有力的推动者，其他技术的变革是对光源迭代的回应。阿贝公式是光学设备分辨率公式，也是决定光刻机加工精度的核心：

该公式显示，光学系统最小分辨尺寸和三个参数有关，第一个是波长（??），第二个是数值孔径（NA），第三个是工艺因子或制程因子（??1）。简单来说波长越小，数字孔径越大，工艺因子越小，分辨率就越高（CD数值小）。根据卡尔蔡司光学专家SaschaMigura博士的研究，光刻机加工精度的改善沿着“??下降→NA增大→??1下降”的顺序逐步迭代。光源变革是光刻机加工精度最有力的推动者，因此我们也都用光源波长来区分光刻机代际差异。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19nm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19nm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nm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19nm的ArF线转化为14nm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，在年一举拿下多家大客户订单，到了年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。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（synchrotronradiation，SR）。由于这种辐射是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。

光源的物理描述。在爱因斯坦提出的质能方程中，静止物体的质量和能量的关系被描述为??0=??0??2，考虑到运动物体的能量是静止能量和动量之和，我们有：

爱因斯坦为了解释光电效应，创造性地认为光子能量仅和其频率相关，即??=???，其中?为普朗克常数。光子的速度为光速c，因此其频率和波长的关系为??=????。由于光子的静止质量为0，因此光子能量仅与动量相关，我们又有??=????，进而能得到光子动量：

以上，我们尽可能简单的给出了光子能量、动量、频率、波长之间的关系。由于在实际电子束团中电子数量众多，它们的速度略有差异，因此偏转过程产生的SR光频率也略有差异。无数电子所发出的辐射组成了电子束团所发辐射的频谱，它是一个覆盖范围很大的连续谱，能从红外线一直延伸到硬X射线。在SR光源中除了光子的属性外，我们还需要描述同步辐射的束流，包括强度、发散角、时间结构、谱函数、偏振性等。通常我们用光谱亮度来描述光源的强度，光谱亮度是单位时间内，单位立体角、单位光源面积和单位带宽内辐射出的光子数。用物理公描述如下：

发散角是电子发出电磁波与其前进方向的夹角??，对同步辐射加速器中的相对论电子

和其发出的同步辐射来说，电子能量越大发散角越小，发散角可以被描述为：

同步辐射光源能量分布较宽，亮度极高，准直性极好。图中的横坐标是光子的能量及波长，纵坐标是对应的亮度。在图9中可以看到，连续谱的亮度只有ph/(s·mm2·mrad2·0.1%BW)，特征谱可以到，同步辐射起码也是，高的甚至可以达。北京建设的第四代同步辐射光源（HEPS）设计亮度高达，能量高达00keV，是世界上亮度最高的光源之一，比以上海光源（SSRF）为代表的第三代光源提高～0倍，比太阳亮度高1万亿倍（2），比实验用X光机亮10万亿倍（），比灯泡亮度高1亿亿倍（6）。HEPS设计的发射度仅为0.06nm?rad，相当于束流以每秒0万千米的光速飞行1秒只形成一个半径为1.8厘米的光斑。

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（StorageRing）。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。对接式曝光受衍射现象限制的最小分辨距离为：

其中??是光的波长，g是掩膜和硅片之间的距离。显然，光的波长越短分辨率越高，当光的波长及进入纳米数量级时，光在光刻胶中产生二次电子散射的作用范围随波长的缩短而明显扩大，从而使分辨率随之下降。考虑到两个因素共同作用，最小分辨距离和光源波长的关系有如图14关系。图14中可以看到采用1.1nm的单色辐射效果最好。从光刻机诞生到现在最为先进的的EUV光刻机，其实已经经历了6代，这6代分别是g线、i线、KrF、ArF、ArFi和LPP-EUV，对应的曝光波长分别为为46nm、65nm、nm、19nm、14nm和1.5nm，波长呈现出不断缩小的趋势。LPP-EUV采用高能量激光轰击锡液滴，光源波长可达到1.5nm，或能将光刻的技术节点（制程）推进到1.0nm附近。但1.5nm光源距离最佳波长1.1nm仍有不小的差距。同步辐射有连续的X射线谱，可按需要选择任意波段，或用单色仪获取某波长的单色光，有望直接把光源波长推到全新的高度。特别是同步辐射的平行性极好，亮度特别高，曝光速率特别快，适合于大规模生产的需要，因此同步辐射是比较理想的X射线光源。2

同步辐射光刻与EUV光刻均采用XIL技术，上海光源的XIL线站已运行超过10年。EUV光刻技术的原理是X射线干涉光刻（XIL），是利用两束相干X光束的干涉条纹对光刻胶进行曝光。具体来说是利用双光栅产生的两束相干衍射光在光刻胶层发生干涉，并将干涉条纹图案转印到光刻胶上。光刻胶上的干涉条纹周期与光栅掩膜周期还有参与干涉的衍射光级次有关：

式中D为干涉条纹周期，P为分束光栅周期，n为衍射级次。发生干涉时，空间频率倍乘，倍数只取决于所选择的衍射级次，与波长无关。干涉条纹周期与波长无关这一性质使得同步辐射的能谱宽度能够被充分利用，光栅掩膜处的照射功率密度与W的EUV商用光刻机照射功率密度大致相当，可以让光刻胶获得接近商用EUV光刻机的曝光条件。上海光源的XIL线站（BL08U1B）于年建成并向客户开放，已经稳定运行十多年。该线站采用波荡器高亮度光来源，经四刀狭缝、光束线偏转系统和狭缝S调制后，输出低谐波含量的空间相干光。根据上海同步辐射光源

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