“光刻机，新机会”

超亮、高效的自由电子激光器（FELs）有望提供更高的功率，提升吞吐量并将光刻技术扩展至亚纳米尺度。

当半导体器件特征尺寸逼近原子量级，行业最先进的生产设备——ASML NXE和EXE极紫外光刻机正面临光子技术瓶颈。自由电子激光器采用相对论电子束产生比传统激光亮数百万倍的光源，有望以半数能耗实现四倍功率输出。本文深入解析FEL技术原理，探讨其如何破解当前光刻瓶颈，并为迈向亚纳米工艺节点铺平道路。

追逐摩尔定律，迈向原子尺度

试想用电线杆粗细的巨笔书写姓名——这正是现代半导体制造在摩尔定律驱动下面临的精度挑战。

1965年，戈登·摩尔提出，晶体管密度大约每两年翻一番。这一预测几十年来一直是半导体行业的基准与自我实现的预言，塑造了行业的发展轨迹。1970年，每块芯片仅包含上千个晶体管；如今，单块芯片的晶体管数量已超过1000亿，部分实验性器件甚至实现了超过1万亿个晶体管的集成。

要维持这样的发展速度，需要实现重大的技术突破，其中最具挑战性的莫过于极紫外光刻技术。该技术的工作波长为13.5纳米（是此前深紫外技术波长的1/10），是实现近原子尺度半导体特征的关键。

但极端波长带来严峻挑战：几乎所有材料（包括空气）都会强烈吸收EUV光子，导致设备造价高昂且制造艰难。专用EUV光刻掩模采用钼硅多层反射堆栈结构，覆以钌保护层。ASML光刻机单台价值逾2亿美元（新型号翻倍），所需镜面抛光精度需达原子级。英特尔光刻设备总监Mark Phillips评价EUV光刻机是"人类有史以来最精密的技术装备"，此誉并非虚言。然而建造这台奇迹设备虽难，为其提供充足光源同样艰巨。

半导体制造中EUV光刻工艺的示意图，来源：xLight

当前的光源：激光等离子体（LPP）

目前最先进的EUV光源——激光等离子体光源（LPP），堪称工程奇迹。其工作原理是：每秒向真空腔体中注入 5 万次熔融锡液滴。对于每一颗液滴，首先用一束经过精确时序控制的“预脉冲”激光将其整形成圆盘状，然后再用第二束高功率 CO₂ 激光脉冲将其汽化。这束主脉冲会把锡加热到超过 200,000 °C——相当于太阳表面温度的 40 倍，从而激发电子跃迁，释放出所需的 13.5 nm EUV 光子。

然而，这一过程也存在一些明显的缺陷：

1. 功率与能效瓶颈

无论是激光等离子体还是其他方式，极紫外光子的产生效率都极低，这是公认的难题。要产生500瓦的可用极紫外输出，需输入约1兆瓦的功率（效率仅为0.05%）。鉴于半导体工厂的能耗已占据各国电网的很大份额（仅台积电一家就消耗了中国台湾地区约10%的电能），研发更优的极紫外光源已迫在眉睫。

相比之下，在自由电子激光（FEL）中，电子在真空中以接近光速自由传播，并与共传播的电磁波发生能量交换，从而产生指数级放大的、可调谐的强光束。

2. 热量与碎屑问题

LPP 过程中的大部分能量都以热量和锡蒸汽/碎屑的形式损失掉，这些碎屑会污染并加热集光镜。为抑制污染，每分钟需要向光源腔体中注入 600 升氢气，形成所谓的“氢气幕帘”。

尽管如此，集光镜的使用寿命仍然是一项巨大的运营成本。同时，镜面加热也进一步限制了LPP系统的输出功率。

3. 光束特性与工艺精度受限

LPP 光源发出的光是非偏振且宽谱的，EUV 扫描机只能“筛选”出其中一部分用于曝光。这会导致光子数量不足，从而引发随机吸收与图形保真度波动的“随机缺陷”，随着晶体管尺寸的缩小，这类问题会显著降低良率。

尽管如此，集光镜的使用寿命仍然是一项巨大的运营成本。同时，镜面加热也进一步限制了LPP系统的输出功率。

LPP 是一项令人惊叹的技术，但随着EUV光刻向更高光强、更小节点推进，我们需要不同的物理机制。

迈向更高亮度的下一阶梯：FEL

幸运的是，一个有前景的替代方案已经出现：FEL 光源。与LPP相比，FEL不仅能以更低能耗产生数倍的EUV功率，还能提供极高的光束质量。

其决定性优势在于一种关键特性：“亮度”（Brightness）。亮度是衡量光源性能的核心指标，特别对光刻而言至关重要。

亮度是一个专业术语，综合了光功率（P）、聚焦质量（面积A、立体角Ω）和光谱纯度（相对带宽Δλ/λ），其计算公式为：

B ~ P / (A × Ω × Δλ/λ)

自由电子光源的根本优势

这种卓越的亮度源自“自由电子”与“束缚电子”光源的根本区别。

在自由电子激光器（FEL）中，电子在真空中以接近光速自由运动，并与同向传播的电磁波交换能量，从而产生指数级放大的可调谐光束。

从白炽灯丝到如今的激光等离子体光源，传统的“束缚电子”光源最终都会受到材料特性的限制，无论是材料的熔点，还是汽化锡固定的原子发射特性。与之相反，自由电子激光器作为“自由电子”光源，突破了这一限制，具有三大独特优势：

无损伤极限：真空中的自由电子不会像固态激光增益介质那样被高场强损伤。
高亮度、可调谐：输出波长和功率可通过电子束能量和磁结构灵活调节。
能效与输出优势显著：在更低能耗下获得更高EUV功率，为后续亚纳米光刻节点铺平道路。

亮度阶梯图：纵轴为亮度，单位为光子/秒/平方毫米/平方毫弧度/0.1%，横轴为不同光源技术；自由电子光源（自由电子激光器、同步辐射）亮度远高于束缚电子光源（特殊极紫外光源、激光、激光等离子体、发光二极管、白炽灯、轫致辐射），其中自由电子激光器亮度最高，达10³²量级。图源：D. Black

自由电子激光器示意图：加速器产生电子，电子进入波荡器后产生X射线；插图显示电子摆动轨迹在转向点产生光波。图源：Tristanevanslee/维基共享资源

摆动器与波荡器的区别

摆动器与波荡器通过K参数进行区分，该参数与磁场强度及电子振荡幅度成正比。

当K<1时：电子振荡幅度较小，主要沿前进方向发射单一频率的光辐射，此类装置称为波荡器。

当K>1时：电子振荡幅度较大，辐射角度更宽且产生宽带光谱，此类装置通常称为摆动器。

自由电子激光器通常采用较小K参数运行（故属于波荡器类型）。然而，由于自由电子激光器通过相干放大机制产生辐射，其输出亮度比自发辐射型波荡器高出数个数量级。

高选择性放大：由狭义相对论决定的 FEL 共振条件，确保只有完全匹配的光子才能被放大，从而实现极高的光谱纯度。

相干辐射：电子被“微束缚”成密集的亚波长尺度簇团，并以完美同步的方式辐射，这是一个相干过程，使光功率得到平方级增强。

自由电子激光器（FEL）的工作原理

看在 FEL 中，电子在真空中以接近光速自由运动，并与共传播的电磁波发生能量交换，从而产生一束可调谐并经过指数级放大的光束。

1、高能电子束

这一过程始于来自粒子加速器的高能电子束。

微波放大器将电子加速到接近光速的速度。以 1 GeV 的电子束（即一个电子电荷乘以 1 吉伏）为例，电子的速度比光速仅慢一千万分之一。电子束的能量越高，FEL 所能产生的光子能量也越高。

2、加速电荷的辐射

这任何被加速的带电粒子都会辐射光。例如：

轫致辐射（德语Bremsstrahlung，意为“制动辐射”）光源通过将电子撞击到金属壁上，使电子快速减速，电子束通过辐射光和释放热量来消耗能量。

偏转磁体也可以实现类似效果：

若将电子束弯成一个圆轨道，就得到同步辐射光源。
若将电子束沿正弦波轨迹来回摆动，就形成了摇摆器（wiggler）或波荡器（undulator）光源。

同步辐射和摇摆器光源产生的光频率较宽，而波荡器则有所不同：在特定条件下，通过波荡器的电子束可实现激光发射。

3、波荡器

波荡器是由周期性排列的磁体构成的装置，能使高能电子束以特定频率沿正弦曲线振荡（即“摆动”）。对电子束进行这种受控振荡，是产生精准调谐光的第一步。波荡器的周期（λᵤ）与电子束能量共同决定了输出光的波长。

关于自由电子激光（FEL）过程，还有一个谜团：当螺旋器磁体的周期长度达到几厘米时，它是如何产生如此高能量（短波长）的光的呢？

4、滑移效应与波长选择

自由电子激光（FEL）利用所谓的“滑移效应（slippage）”来选择特定波长的光。在波荡器（undulator）中，电子以接近光速运动，但并非完全等于光速。由于电子在螺旋器中按照正弦轨迹“摆动”，它的实际行进路径略长于直线路径；而光则沿直线、以光速传播。

结果是，电子束在螺旋器中总是被自己产生的光波稍微“甩在后面”。在共振波长条件下，电子束每完成一次摆动，就会相对于光波“向后滑移”正好一个光波波长。

这种严格的同步条件保证了光波能够被电子束持续放大，从而推导出 FEL 的辐射波长公式：

λr= λu/ (2γ2 ) (1 + K2/2)

（其中λᵤ为波荡器的磁场周期，λᵣ为辐射波长，γ为电子的相对论能量，K为描述磁场强度的参数）

5、微聚束与相干辐射

由于电子束包含大量电子，当每个电子发射的光相位一致（即相干）时，才能实现最强的放大效果——这正是自由电子激光器中“激光”特性的体现。前期过程中产生的光场会反作用于电子，将电子分选成密集的周期性簇（即微聚束），这些微聚束的间距恰好等于一个光波波长。

要理解微聚束过程，可想象这样的场景：一个电子吸收光子后，能量会略微增加，速度也随之加快；而其前方的另一个电子可能会辐射光子，导致能量损失、速度减慢。速度较快的电子会逐渐追上速度较慢的电子，最终形成密集的电子微聚束。

由于微聚束内的电子几乎紧密排列，它们会产生相干辐射。而这种光场会进一步反作用于电子束，形成反馈循环：一方面增加微聚束的密度，另一方面扩大电子的能量分布，进而使光放大效果呈指数级增强。最终，微聚束的能量分布差异会超过其密度压缩效应，电子开始分散，这一阶段被称为饱和，此后光放大过程便会停止。

微聚束与相干辐射示意图：初始电子束无密度调制，辐射非相干（左）；电子通过波荡器时，与增强的光场相互作用，逐渐形成微聚束（中）；微聚束间距恰好为一个波长，辐射完全同步，实现光的指数级放大，最终形成完全相干的辐射（右）。图源：D. Black, D. Nguyen

6、相对论因子实现高能光

自由电子激光器的工作原理中，有一个疑问始终存在：波荡器磁铁的周期可达数厘米，为何能产生高能（短波长）的光（如波长仅13.5纳米的极紫外光）？答案在于狭义相对论的“双重增强”效应，该效应与散射过程共同作用，实现了波长的大幅缩短。

以波荡器磁铁为参考系：在这一参考系中，波荡器静止，其周期为λᵤ，电子束则朝波荡器运动，速度接近光速。而在电子的静止参考系中，情况则完全相反：电子束静止，波荡器朝电子束运动。因此，在电子静止参考系中，运动的波荡器会发生洛伦兹收缩，其周期会缩短γ倍，变为λᵤ/γ——这是第一次增强。

在电子束参考系中，波荡器的磁场也会发生变换。对于静止的电子而言，运动的波荡器磁场看起来就像入射的光波。这些光波会被静止的电子束散射，并向相反方向辐射——这就是散射过程。

散射过程结束后，我们脱离电子束参考系，回到实验室参考系观察散射光。在实验室参考系中，探测器会看到电子束以接近光速的速度朝自己运动，同时也会观测到散射光波。由于多普勒效应，散射光波会发生蓝移，蓝移因子约为1/(2γ)，最终辐射波长与λᵤ/(2γ²)成正比。与此同时，波荡器磁场也会变回原来的静止状态，周期恢复为λᵤ——这是第二次增强，至此整个波长缩短过程完成。

通常情况下，极紫外自由电子激光器中γ值较大（可达1000或更高），其输出光的波长会比波荡器的物理周期短数百万倍。这一特性不仅使我们能利用厘米级的磁铁产生纳米级波长的光，还让光源具备了可调谐性：只需略微改变电子束的能量（即调整γ值），就能改变输出光的频率。

相对论变换实现波长缩短示意图：从电子束静止参考系看，入射电子束与波荡器磁场相互作用，产生蓝移的波荡器场与散射光；回到实验室参考系，散射光进一步蓝移；通过相对论变换，厘米级磁铁可产生纳米级光。图源：D. Black

RLS 权衡（RLS Tradeoff）

几十年来，光刻胶的性能一直受限于RLS权衡方程：

模糊度³×线边缘粗糙度²×剂量≈常数。

这意味着，若要改善其中任意一个参数（分辨率、线边缘粗糙度（LER）或灵敏度），必然会导致另外两个参数的劣化。例如，传统光刻胶通过化学放大实现高灵敏度，但放大过程中酸的随机扩散会产生模糊；新型金属氧化物光刻胶可完全消除酸扩散，有望同时提升分辨率并降低粗糙度。同样，更高功率的自由电子激光光源能降低对剂量的要求，从而为优化线边缘粗糙度和模糊度创造空间。

从实验室到工厂：迈向工业化EUV

我们通过这六个步骤已经对自由电子激光器（FEL）的工作原理有了充分的理解。虽然FEL的物理机制非常优雅，但它的真正价值并不止于此，而在于解决半导体制造在向原子级特征尺寸推进过程中所面临的具体且紧迫的挑战。FEL不仅仅是一种更强大的光源，更是一种与“埃米时代”高度契合的根本性新工具。

从直接的技术优势来看：下一代高数值孔径（High-NA）EUV扫描机依赖陡峭的光线入射角，但当使用等离子体光源发出的非偏振光时，会导致图像对比度下降。而FEL天然产生偏振光，能够在关键区域最大化图形保真度。其相干、窄带输出曾一度被认为可能引发散斑问题，但这一问题已通过当前曝光机中的创新多区照明系统得到有效缓解。如今，这一特性反而被视为机遇——它使得一些依赖于相干光的新型原位计量技术成为可能，而这些技术在混乱的等离子体光源下是无法实现的。

FEL最具说服力的优势在于其可扩展性。随着晶体管尺寸不断缩小，随机缺陷（由

光子稀缺引起的曝光图形随机波动）对产率的影响愈发显著。唯一的解决之道就是提高光源功率。而目前，FEL是唯一一种已被验证可扩展到多千瓦功率水平的技术。

从经济性角度来看，FEL同样具备压倒性优势。现有的激光等离子体（LPP）光源要产生500 W的EUV光需消耗约1.1 MW电力——若要驱动8台EUV光刻机，总耗电约为8.8 MW。而一套FEL装置只需4 MW就能为8台高NA扫描机各提供2000 W的光功率——在功率上提升4倍的同时，能耗却减半。如果将加速器中的纯铌（Nb）超导腔替换为Nb₃Sn材料，总功耗可进一步降至2 MW，使FEL的能效比现有方案高出16倍以上。再加上免除每年数百万美元的集光器更换费用，单一FEL设施不仅在技术上更优，也在经济上具有竞争力，显著降低整厂的运营成本。

更为关键的是，FEL的波长是连续可调的。而等离子体光源受限于特定元素的原子发射谱线——当前的LPP系统依赖锡的发射线。如果行业未来转向6.7 nm波长，就必须用其他元素替代锡，最可能的候选元素是钆，但其毒性带来严峻的集成挑战。相比之下，FEL只需调节电子束能量即可实现波长调谐，为进一步向亚纳米节点及更先进工艺演进提供了直接路径。

随着晶体管尺寸不断缩小，随机缺陷开始严重影响良率。唯一的解决方案就是——提高光源功率。自由电子激光器（FEL）是目前唯一已被验证、能够实现多千瓦级功率输出的光源技术。

提高效率：能量回收直线加速器（ERL）

使工业级自由电子激光器（FEL）具备高能效的关键技术之一是能量回收直线加速器（ERL）。

在电子束通过波荡器并产生光（仅损失极少部分能量）之后，并不会被直接丢弃，而是被引导回加速器，但与加速腔场的加速相位相差 180°。

在这个减速相位中，电子束会将其剩余的大部分能量返还给加速腔，这些储存的能量随后用于加速下一批新的电子束。

这种能量循环利用显著提升了整个系统的市电能效（wall-plug efficiency）。

隧道尽头的光

向加速器驱动的EUV光源过渡，不仅仅是一次渐进式改进——它是一场范式转变（paradigm shift），其意义堪比上一代从汞灯向准分子激光器的迁移。

通过登上亮度阶梯的顶峰，自由电子激光器（FEL）提供的不仅仅是更多的光子，而是更优质的光子：