打脸马斯克！被ASML嫌弃的“FEL”，能否成就中国光刻机？

电子发烧友网报道（文/席安帝）根据摩根大通（JP Morgan）引述的最新市场观点，全球独家极紫外光（EUV）光刻机制造商ASML，目前无意采用由马斯克（Elon Musk）所支持的FEL（Free electronlaser，自由电子激光器）和粒子加速器相关方案作为 EUV 光源。

相反，ASML 选择持续深耕现有的“激光等离子体”（LPP，Laser-Produced Plasma）技术路线。这意味着短期内，ASML的研发重心仍会放在既有技术的升级，而非冒险转换至另一套更为复杂的光源架构。

据Semi Doped报道，在摩根大通提供给客户的报告中，ASML称：“鉴于现有技术的商业化进展，ASML认为没有理由去尝试马斯克青睐的新型‘FEL’光源。”

“FEL”为何备受看好？

事实上，自由电子激光器（FEL）和粒子加速器并非新技术。其中，粒子加速器是一种推进带电粒子的系统，很多公司、顶级大学与科研机构都将这类设备用于质子、中子和夸克等微小的亚原子粒子的生成实验，在物理学和一些尖端科学应用上比较常见。而自由电子激光器（FEL）也已出现多年，其本质上是一种能够利用电子产生不同波长光的高功率光源。

从技术原理上来看，自由电子激光器（FEL）是通过将电子加速至接近光速，并使电子束通过波荡器来产生极紫外光的激光器。其中波荡器是一系列交替的磁体，可迫使电子振荡并发射辐射，电子与其辐射之间的相互作用会使电子形成微观束团，并发射波长为13.5 nm的光。

根据“日本加速器学会”的研究显示，与当前用于极紫外光刻曝光工具的激光等离子体（LPP）光源相比，FEL光源具有许多优势，例如极高的EUV功率、无需EUV镜面锡污染、可升级为超越极紫外（BEUV）自由电子激光、具备可调偏振、低电力消耗以及每台扫描仪的成本。

在LPP光源中，由CO2激光器激发的锡等离子体和锡液滴产生非偏振的极紫外光，供给带有极紫外光学系统的光刻机。其中，锡对收集镜的污染是该系统的一大问题，而另一大关键问题则是随机效应，在极紫外光刻系统中，由于光子能量远高于准分子激光器，相同剂量下被光刻胶吸收的光子数量会远少于准分子激光器。如果剂量不足，就会出现随机图案缺陷。

因此，3nm制程节点及更小节点所需的极紫外功率往往会超过1000W，这也意味着未来极紫外光刻将需要更强大的极紫外光源。相比LPP光源来说，同等单位量级的FEL光源能提供比LPP光源高得多的EUV功率，而且一台FEL有可能通过单个FEL和大型EUV光束分配系统取代多个LPP光源。

此外，在光的偏振方面，FEL光源能够对光的偏振进行很好地控制，可满足高数值孔径（NA）光刻的需求，这也意味着FEL光源在高数值孔径的光刻中具有比LPP光源更好的强度和对比度性能，而 LPP 光源仅能够提供非偏振光。

在电能消耗方面，FEL光源也比LPP光源更有优势。“日本加速器学会”的研究显示，LPP光源在250W EUV功率下消耗约1.1 MW电功率，在1000W EUV功率下消耗约4.4 MW电功率。相比之下，FEL光源可以显著降低每台扫描仪的电能消耗，比如在10kW的EUV功率下，总电功率仅为7 MW，即每1000W EUV功率下其总电功率仅为0.7 MW。

建设与运营成本方面，FEL光源的建设及运营成本大致估算为10kW EUV功率下4亿美元和每年4000万美元，因此每1kW EUV功率的建设与运行成本分别为4000万美元和400万美元。通过简单的线性推算，LPP光源的建设及运营成本约为每250W EUV功率2000万美元和每年1500万美元，每1kW EUV功率为8000万美元和6000万美元。特别是LPP光源的运营成本较高，因为收集镜片会因锡滴杂质而被污染，需要频繁更换新的镜片。而且，FEL光源还可以降低每个扫描仪的建设与运行成本。

坚持LPP路线不动摇，ASML要把光源功率干到1000W

ASML所坚持的现代EUV光刻系统，主要是采用激光来产生等离子体（LPP）光源，这些光源将高功率的CO2激光脉冲射向直径约30微米的熔融锡微滴，使其转化为电子温度为数十电子伏特的电离等离子体，并发射出波长为13.5 nm的非偏振的极紫外光。随后，这道光会由一面约0.5米的椭球形收集镜收集，该收集镜镀有钼/硅多层膜，能够尽可能选择性地反射13.5 nm辐射，并将其引导至扫描仪入口处的中间焦点。

由于几乎所有材料都会吸收极紫外光——即使是专用多层膜反射镜也会吸收其中相当大一部分——因此整个光路必须在真空中运行，并采用反射式光学系统而非传统折射式光学系统，这也是为何当下想要产生足够EUV光源功率仍然存在非常大挑战的原因之一。

尽管面临着重大技术挑战，但ASML如今已将其LPP光源功率从过去的约250 W逐步提升到了约500 W的水平，并计划在未来几年内提升至1000 W。此外，该公司还计划将生成的锡滴数量几乎翻倍，达到每秒100,000个的水平。

如果仅从技术本身来看，FEL在光源性能上会更具优势，可一旦涉及到产业化方面，FEL光源在光刻上不一定那么有优势了。毕竟，现代的EUV光刻系统需要的不只是能实现一束13.5 nm光的光源，而是需要兼具“高功率、高稳定性、高重复频率、高可靠性、低成本、极高运行时间、与反射式光学系统匹配”的商业化落地方案。ASML在LPP光源领域已探索多年，早已形成了完整且可落地的商业化体系，且不说转换技术路线成本巨大，还可能面临一系列潜在的商业风险。

况且，与相对紧凑的LPP光源不同，FEL光源需要高度复杂的粒子加速器、电子源、长波荡器、电子束控制、辐射屏蔽，以及极其复杂的光束分配系统。除此之外，整台机器也必须达到半导体晶圆厂级别的可用性、效率和成本。而这是ASML花费了很多年并付出了巨大代价才实现的目标，如今若再突然转向另一条技术路线，恐怕将给ASML带来投资以及商业等多个层面的重大损失。

“FEL”能否成就中国光刻机？

虽然FEL光源的路线受到马斯克的鼎力支持，甚至极有可能被用于未来的TeraFab工厂当中。但实际上，该领域还处于技术探索的初期，美国初创公司xLight是这条路的坚定支持者。值得一提的是，英特尔前CEO 帕特·基辛格（前Intel CEO）现在正担任xLight执行董事长。

根据官网资料显示，xLight 由一支由光源先驱、光刻师和粒子加速器制造商组成的团队领导。虽然规模很小，但其团队在光刻和加速器技术领域拥有多年的经验，不仅拥有来自斯坦福直线加速器和其他地方的粒子加速器资深研究人士，其首席科学家 Gennady Stupakov 博士还是 2024 年 IEEE 核能和等离子体科学学会粒子加速器科学技术奖 (PAST 奖) 的两名获奖者之一。

在xLight的技术中，电子首先被注入粒子加速器，然后进入自由电子激光（FEL）。xLight曾称，FEL利用来自粒子加速器的电子，并使其穿过具有周期性磁场的波荡器，从而产生相干的高强度光束。

据悉，xLight 目前实现的 FEL 光源产生的功率比目前的 LPP 设备要高出 4 倍，单台设备甚至能够支持20条ASML光刻产线。xLight曾公开表示：“通过提供高达 4 倍的 EUV 功率，晶圆厂可以优化图案改进、提高生产率和良率，从而每台扫描仪每年可额外创造数十亿美元的收入，并将每片晶圆的成本降低约 50%。此外，单个 xLight 系统最多可支持 20 台 ASML 系统，使用寿命长达 30 年，从而将资本和运营支出降低 3 倍以上。”

理论上，xLight 的技术可以用于低数值孔径 EUV、高数值孔径 EUV 甚至超数值孔径 EUV。该技术将在2028年实现商用，并可以保持与现有设备的兼容性。

除了xLight这家公司之外，全球针对FEL光源的研究大多都由研究机构把持。截止至目前，全球已建成和在建的FEL设备达70多台，包括美国国家加速器实验室的直线加速器相干光源（LCLS）、欧洲X射线自由电子激光装置（XFEL）、德国软X射线自由电子激光装置（FLASH）、中国成都太赫兹自由电子激光装置（CTFEL）、上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE）、深圳中能高重复频率X射线自由电子激光项目等。

国内虽然也十分看好FEL光源的发展前景，但目前主要还是处于比如上海光机所、上海微电子、上海高研院等科研机构开展实验与研究的阶段，尚未真正实现商业化。不过，长远来看，接下来会有越来越多国内研究机构在该领域实现进一步的突破。未来，对于中国来说，通过FEL光源这条技术路线，去推动光刻机的进一步国产化，也不无可能。

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