彼时,后来的科技部副部长、02专项光刻机工程指挥部总指挥曹健林教授仍是长春光机所研究员、博士生导师。
曹健林教授的一位博士生金春水,也便是后来02专项“极紫外光刻关键技能研究”项目的卖力人,于2003年揭橥的博士学位论文《极紫外投影光刻中多少关键技能研究》。

我们上次已经聊过,金春水博士的EUV演示系统。
然而在金春水的博士论文里的8个章节里,我并没有看到有EUV光源这个核心系统的研究(图1)。

图1:金春水博士的论文章节构成和内容

科技html解读国产光刻机困局五中国的EUV光源在哪里上 Webpack

我在2002年金春水博士的一篇中文论文中,看到了部分其实验装置的EUV光源描述:激光等离子体光源由脉冲输出能量为1J、重复频率为10Hz、脉冲宽度为10ns的1.06 um YAG激光器及聚光镜和旋转的金属铜靶组成。

阅读我前几篇解读系列文章的朋友们,现在该当很理解了,ASML的EUV光源采取的是二氧化碳MOPA系统引发射流Sn液滴产生的250W以上光源。

而金春水博士采取的YAG激光器引发金属铜靶是三十年前最早的Schwarzschild系统研究采取的设备,间隔最新的EUV光源观点还很远。

图2:2002年金春水博士的一篇中文论文《极紫外投影光刻事理装置的集成研究》

图3:金春水博士论文描述的EUV系统

2004年:射流LPP-EUV方案横空出世,EUV的春天即将来临了

图4:2004年瑞典皇家理工学院创造性的发明了射流激光等离子体EUV发射装置

就在金春水博士为中国第一套EUV演示系统奋战的时候,国外已经风起云涌地开展了大量的EUV光源研究。

2004年初,瑞典皇家理工学院创造性地发明了射流激光等离子体LPP-EUV发射装置,成功地将EUV的转换效率提升到2.5%。
而此前采取固体Sn靶的最高记录只有1.6%。

在初期的研究中,瑞典皇家理工学院采取的仍旧较为传统的1064nm 的Nd:YAG激光,以是效率提升并不明显。
但正是这个射流LPP技能打开了EUV功率提升的大门。
8年之后,ASML正是通过收购Cymer的LPP EUV技能,一举打入EUV光源的市场。

图5:瑞典皇家理工学院设计的射流引发LPP EUV系统

2004年:日本Gigaphoton如获珍宝

日本光刻机光源供应商Gigaphoton自2002年开始一头钻进了LPP方案,一贯苦于其LPP转化率太低。
当2004年看到这篇射流LPP文章后,立即在当年搭建了自己的射流LPP系统(图6,7,8)。

图6:Gigaphoton的LPP 布局图

Gigaphoton采取早期的YAG激光MOPA系统,一战而成功。
至2005年,通过升级二氧化碳激光器MOPA系统,成功将EUV光源转换效率提升到4%(图9)。

图8:Gigaphoton于2004年完成的YAG激光MOPA系统

图9:Gigaphoton于2005-2006年揭橥4篇论文宣布提升射流系统的转化效率

Gigaphoton不断改进射流系统性能,至2014年实现了100kHz,20微米液滴的掌握(图10)。

图10:Gigaphoton不断改进射流系统性能,至2014年实现了100kHz,20微米液滴的掌握。

2005年:哈尔滨工业大学

在2004年的射流LPP方案出来之后,至今有一百多次的引用。
我们在引文资料里,看到了紧张的研究单位,除了ASML,瑞典皇家理工以及七八家日本单位里,也看到了哈尔滨工业大学(图11)。

图11:2004年瑞典皇家理工学院论文的引用单位列表

哈工大的这8篇论文是(图12,13):

1,2005年:EUV光刻用氙气放电等离子体辐射源

2,2008年:用于半导系统编制造的箍缩等离子体辐射的极度紫外源

3,2008年:Z箍缩放电等离子体中极度紫外辐射与氙气流量的关系

4,2008年:锡靶高功率EUV光刻源

5,2008年:EUVL电源预/主脉冲电源的设计

6,2010年:以Xe为靶的毛细管放电极度紫外辐射的不雅观测与剖析

7,2011年:以Xe为靶的毛细管放电对10~70 nm极度紫外辐射的不雅观测与剖析

8,2013年:He/Ne/Ar对毛细管放电EUV发射和Xe等离子体的影响

图12:2005-2008年哈尔滨工业大学揭橥的EUV光源论文

图13:2008-2013年哈尔滨工业大学揭橥的EUV光源论文

然而,打开2005-2013年哈尔滨大学揭橥的8篇EUV光源干系的论文,我们可以惊奇地看到这8篇居然没有一篇采取了射流LPP方案,而是全部聚焦于电驱动的DPP方案!

而看过我前面几篇解读文章的朋友,又可以惊奇地创造,这8年正是LPP光源实现了商业化节点的关键8年!
Gigaphoton正是利用这一契机,一举实现光源的打破,大步迈向了250W光源的目标而去(图14)。

图14:Gigaphoton的LPP光源2004-2010年景上进度。

而这失落去的EUV光源发展的黄金10年,中国产学研界到底发生了什么?我不得而知。

2011年:华中科学技能大学,LPP-EUV光源的蹒跚起步

与此同时,当长春光机所还苦于没有光源,而哈尔滨工业大学正犹豫满志地开拓DPP光源之际,我们另一位主角登场了:华中科学技能大学。
华中科技大学的目标所向,必是LPP光源。

我们在2012年的一篇论文中,可以看到华中科技大学的王新兵教授及学生吴涛揭橥了《基于脉冲CO2激光锡等离子体光刻光源的极紫外辐射光谱特性研究》(图15)。

这篇论文中利用的是二氧化碳激光器引发固态Sn靶(图16),是2004年射流方案揭橥之前,常用的一个EUV研发系统利用的方案,还未提及射流LPP的观点。

图15:2012年王新兵教授揭橥《基于脉冲CO2激光锡等离子体光刻光源的极紫外辐射光谱特性研究》

图16:2012年王新兵教授揭橥《基于脉冲CO2激光锡等离子体光刻光源的极紫外辐射光谱特性研究》的实验系统

然而,在2011年的一篇硕士学位论文中,王新兵教授的硕士研究生王晶揭橥了其硕士学位论文:《激光等离子体极紫外光源液滴锡靶发生器的研究》(图17)。

我们终于看到国产的射流发生器了。
为了让朋友们看得更清楚一点,我特地摘录了所有主要的图片(图18-22):包括图21的液体Sn靶的容器和图22的射流照片。
文中提到,该系统可以稳定事情数小时。

图17:2011年王晶揭橥的硕士论文封面

图18:2011年王晶揭橥的硕士学位论文关于射流系统的描述

图19:2011年王晶揭橥的硕士论文中射流系统的构造示意图

图20:2011年王晶硕士论文中的射流系统图

图21:2011年王晶硕士论文中锡容器和真空腔实物

图22:2011年王晶硕士论文描述的射流Sn液滴照片

工欲善其事,必先利其器,此后华中科技大学相继于2013年揭橥了转换效率最高达到1%的LPP数据,以及2014年揭橥了二氧化碳激光器和YAG激光器的引发射流Sn液滴的初步干系研究。
但是我们也可以看到,此时完成的还仅仅是重现2004年瑞典皇家理工学院的部分事情(图23,24),可能还没有达到当时的指标。

图23:华中科技大学揭橥EUV转化效率随激光功率的关系图

图24:华中科技大学完成初步的二氧化碳激光器和YAG激光器引发射流Sn液滴的测试

值得一提的是,华中科技大学于2013年揭橥了《一种激光等离子体极紫外光源的液滴靶产生方法及其装置》(图25,专利号: ZL201310062528.7)。
这可能是海内比较早期的LPP-EUV光源的专利,我也会在我的解读EUV光源专利系列里,再讲一下这篇专利。

图25:2003年华中科技大学王新兵教授课题组揭橥的LPP-EUV光源专利信息

结语

犹如前次一样,阅读轰轰烈烈的EUV技能资料历史,我的内心总是彭湃澎湃。
这里谈谈我的感想熏染:

1,瑞典皇家理工学院的射流LPP设计,看上去如此幽美、简洁,却蕴含着科技创新的聪慧。
(大概我只是由于知道了它带来的技能变革,才会有这种想法吧)。

2,日本Gigaphoton极其敏锐地捉住了这一个瞬间,终有大成。

3,哈尔滨工业大学入场早,却赶了晚集,的确令人唏嘘。

4,华中科技大学的LPP研究为中国的EUV光源重新打开了一条路,虽然此时已经由去了将近十年的EUV发展的黄金韶光。

我们没有情由去抱怨暂时的掉队,也没有情由去责怪任何人。
都是一样的路,只是我们可能跑得慢了一点。
下一个8年,又会发生什么激动民气的故事呢?哈尔滨工业大学和华中科技大学谁与争锋?又会有谁加入攻关军队?我们下次再聊!

参考1:https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.1690874

参考2:https://www.gigaphoton.com/wp-content/uploads/pdf/EUVSourceSupplierupdateGigaphoton.pdf

参考3:https://www.gigaphoton.com/wp-content/uploads/2017/10/2017_Development-of-250W-EUV-light-source-for-HVM-lithography.pdf

参考4:https://www.doc88.com/p-9768750607764.html

参考5:https://www.doc88.com/p-9002053031144.html

参考6:http://tto.hust.edu.cn/info/1015/2358.htm