目前ASML是全球唯一的EUV光刻机的生产商，其先进的EUV光刻机由十万个零件组装而成也配合相应软件系统来控制相关零部件。不光是一整体光刻机运作有它的专利，而它的零部件也有自己的技术发明专利。如果有另外的厂商想制造相关EUV光刻机就要在不侵犯别家的专利产权下创造新技术出来。
这些零部件极为复杂，对误差和稳定性的要求极高，都是定制剷和采用的是世界上最先进技术，85%的零部件是和供应链共同研发，甚至是生产这些零件也需要特意的制造设备，如要创造一个新的EUV光刻机这也就要创造新的零部件包括一些部分重要的零部件例如光源系统，光源收集镜和反射镜，晶圆双工件台，各种量测系统等等。
△光源，光源反射镜，晶圆双工件台等（图片来源：ASML官网）
从国家知识产权局的专利公布探究有怎样的路线能绕开ASML的专利从而创造新方式和专利来造出比ASM光刻机更好减少维护时间和维修费，价格更实惠的光刻机，这也能使最终半导体产品价格下降之一的方法。
ASML的EUV光源系统是被称为激光等离子体EUV光源（EUV-LPP），是通过30千瓦功率的二氧化碳激光器轰击以每秒50000滴的速度从喷嘴内喷出的锡金属液滴，每滴两次轰击（即每秒需要10万个激光脉冲），将它们蒸发成等离子体，通过高价锡离子能级间的跃迁获得13.5nm波长的EUV光线，在发射极紫外光的同时会产生碎屑随极紫外光的出射而发出。
根据国家知识产权局公布的信息显示，这项名为《极紫外光源装置》的专利，本发明的目的在于提供一种极紫外光源装置，以产生平均功率千瓦量级、全相干、稳定的EUV光。
专利号CN 116321645 A
申请人是 中国科学院上海高等研究院
发明人是 邓海啸，杨涵翔
在上海高等研究院的網頁介紹上邓海啸是中国科学院上海高等研究院副院长。
根据这项专利说明显示，相關技術是利用电子枪发出高品质的电子束，基于超导频技术的电子直线加速器和种子型自由电子激光器产生稳定的EUV光，且结构紧凑。这EUV光源是全相干的，与ASML的LPP光源是完全不同的路线，以上专利全文件可在国家知识产权局下載。
全相干的极紫外光(自由电子激光)
基于直线电子加速器的自由电子激光(FEL)诞生于20世纪70年代电子经过加速后在周期磁场中以受激发射方式产生高亮度、可调谐、全相干的新型激光脉冲，即 FEL.相对于同步辐射，FEL具有高增益的特性，激光脉冲时间为飞秒和皮秒量级，其峰值亮度(单位时间内单个脉冲内包含的光子数)可高出8～10个 量 级，显示出极大的发展潜力。
自由电子激转至光源的过程
1.光阴极电子枪
光阴极微波电子枪主要是产生高品质的电子源，是国际公认的未来高品质电子源的产生装置，是先进光源、自由电子激光、太赫兹源以及基于高品质电子束流系统的候选电子源。它是由激光轰击光阴极(如无氧铜表面)产生电子，在微波场的作用下，加速引出电子束流。常用的光阴极微波电子枪，微波功率通过圆柱腔侧面开耦合孔，在圆柱腔内部激励微波场。由于开孔位置的非对称性，在圆柱腔内部容易激励多极场。在多极场的作用下，束流发射度增长，束流品质降低。
△直流-射频超导光阴极电了枪
2.光电阴极的诞生背景源于对光电效应的研究
光电效应是指光照射到物质表面时(如无氧铜表面)，物质表面会吸收光能并释放电子的现象。这种现象在19世纪末被首次观察到，但直到20世纪初，爱因斯坦才通过量子理论对其进行了解释。基于光电效应，人们设计出了能够释放电子的电极，即光电阴极。
△激光(红色)撞击无氧铜表面产生自由电子(蓝色)
3. 直线加速器
电子进入直线加速器，电子加速器一种使用人工方法产生高能量的电测装置，原理是使电子在真空中受到磁场力控制、电场力加速而产生高能量(提高电子束的能量)。
需要一套皮秒驱动激光系统照射光阴极产生高亮度、高品质电子束。随后，电子束通过直线加速器进行加速。直线加速器主要包括六段S波段速调管和一台可移动磁压缩装置，电子束通过这一直线加速器被加速到300 MeV。用于消除加速过程中累积能量啁啾的X波段谐波腔也在未来计划之中。通过直线加速器产生的高流强、低能散、低发射度电子束是决定自由电子激光能否达到饱和输出的关键要素。
△图片来源：大连相干光源网
4.种子激光器
种子激光器是一种产生稳定、高质量激光脉冲的激光器。它是一个关键的组成部分，常用于放大器和波荡器中，作为初始激励源。种子激光器能够向复杂和高功率的激光器提供高质量的激光束，起到重要的引领作用。
种子光进入激光放大器后，会被放大器中的介质吸收，然后通过受激辐射的方式，产生更多的与种子光同频率、同方向、同相位的光，从而实现激光的放大。
种子激光器主要可以分为固态种子激光器、半导体种子激光器、光纤种子激光器等。光纤种子激光器主要是利用光纤作为激光介质，如掺铒光纤种子激光器。
△种子激光系统
5.波荡器(使电子快速扭摆移动致发出光源 / 微群聚)
自由电子激光的基本思想在于辐射的相干叠加和电磁场的相干放大。单个电子的同步辐射谱大多是在一定范围内的连续分布，通过合理的选择波荡器和电子束参数，使各个电子的同步辐射在一定的波长上相干地叠加，产生相干的辐射；而且电子在整体上将能量交给电磁场，使得辐射被相干放大(电子快速扭摆移动致发出光源)。
△图片来源：大连相干光源网
波荡器真空内
真空内插入件是将磁极置于真空室内。这样，当加速器束流注入时可将磁间隙拉开(减少对注入的影响)，而正常运行时可将磁间隙调节至很小，对提高插入件的工作磁场强度和同步辐射光(微群聚)的性能十分有利。
△真空内波荡器细节(图片来源：DESY)
超导型的波荡器
超导波荡器的峰值磁场强度大大提高，且大大增强了垂直方向的聚焦力，工作点的允许偏移量可达普通扭摆器的十倍左右。
△德国ANKA光源的超导波荡器
专利的装置结构与关键组成
根据图1其特征在于，包括沿电子束传播方向依次设置的电子源、电子直线加速器、第一调制段、第一色散段、第二调制段、第二色散段和放大器，所述第一调制段的上游还设有种子激光发生器；
所述电子源用于产生第一电子束，所述第一电子束经过所述电子直线加速器加速后形成第二电子束；
所述种子激光发生器用于产生种子激光，所述种子激光和所述第二电子束均注入所述第一调制段中，以使所述第二电子束在所述种子激光的作用下产生第一次能量调制，得到第三电子束；
所述第一色散段用于对所述第三电子束压缩，形成第四电子束；所述第二调制段用于使第四电子束产生相干辐射，所述第四电子束被所述相干辐射第二次能量调制而形成第五电子束；
所述第二色散段用于对所述第五电子束压缩，形成第六电子束；所述放大器使所述第六电子束产生辐射并发出千瓦量级的极紫外光200。
具体实施方式
电子直线加速器20可包括依次设置的注入器21和主加速器22，注入器21用于将第一电子束进一步加速至预设能量，例如100MeV(兆电子伏特)量级。由于第一电子束能量较低，空间电荷效应不能忽略，因此注入器可采用螺旋管线聚焦第一电子束，使其能量流强、束长和发射度等参数满足主加速器22的注入要求。主加速器22可采用超导射频技术，在连续波工作模式下，高梯度电场进一步加速第一电子束，并通过磁压缩使其横向尺寸、长度和流强发生改变，最终得到第二电子束。第二电子束的能量可到达1 .4GeV(吉电子伏特)、均方根(rms)能散约为50keV(千电子伏特)、横向发射度小于1mm .mrad、峰值流强700A(安培)、重复频率3MHz(兆赫兹)相下平均流强1.8mA(毫安)，从而满足极紫外光源装置的高重复频率运行的要求。
电子源10用于产生第一电子束，电子源10可以为光阴极电子枪，用于发出高品质的第一电子束。第一电子束的电荷量可以为600pC(皮库) ，第一电子束经过电子直线加速器20加速，从而得到满足预设要求的第二电子束，如图2A所示;
种子激光发生器30用于产生种子激光，种子激光发生器30可采用基于光学参量啁啾脉冲放大技术(是一种利用非线性光学效应实现超短脉冲放大的技术)(Optical parametric chirped pulse amplification ,OPCPA)的掺镱(Yb)光纤激光器产生高重复频率红外光，然后通过倍频后产生紫外种子激光，例如Yb:YAG(掺镱铝钇石榴石) 晶体、Yb:KGW晶体(掺镱钨酸钾钆)、Yb:CaF2晶体(掺镱氟化钙)和Yb:KYW晶体(掺镱钨酸钇钾)激光器等。掺镱光纤激光器可以产生MHz量级的重复频率、ps量级或更短的紫外光。与低重复频率种子激光系统中常用的掺汝YAG晶体激光器和掺钛蓝宝石激光器相比，掺镱的激光材料中可实现高浓度掺杂，因此增益介质有较大的增益带宽、更高的发射截面、更低的量子缺陷率和更低的热负荷。以Yb:YAG晶体激光器为例，其最强线通常在1030nm，而4次谐波257 .5nm是种子激光工作波长。种子激光用于在第一调制段40中对第二电子束产生能量调制，并在第一调制段40的出口引出，仅使用一次。
种子激光和第二电子束均注入第一调制段40中可以为波荡器，波荡器是指产生周期性磁场的磁体阵列，波荡器将迫使加速的电子沿着正弦路径，这种运动将导致电子发光。第一调制段40中引入的能量调制幅度为第二电子束的初始能散的1倍以上，例如为1 .3倍rms能散。以使第二电子束在种子激光的作用下产生第一次能量调制，得到第三电子束，如图2B所示，第三电子束有轻微的能量‑时间啁啾(是指频率随时间而改变（增加或減少）的信号。
第一色散段50用于对第三电子束压缩并产生密度调制，形成并输出具有一定微群聚的第四电子束，第一色散段50的基本原理是：由于第三电子束是被种子激光调制的，具有能量‑时间啁啾，具有不同能量的电子在色散段的路径不一，束团压缩时尾部电子追赶头部电子，从而实现对束团纵向上/时间上的压缩，最终在目标波长上产生微群聚。第三电子束在经过第一色散段50后，其能量调制转换为密度调制，形成具有微群聚的第四电子束，第一色散段50可为磁压缩器(chicane)，包括依次排列的第一二极铁51、第二二极铁52、第三二极铁53和第四二极铁54，第一二极铁51、第二二极铁52与第三二极铁53、第四二极铁54呈对称分布且长度相同。第四电子束随后进入第二调制段60中。如图2C所示：
第二调制段60用于使第四电子束产生相干辐射，第二调制段60可为一个具有周期性磁体阵列的波荡器，其结构可以与第一调制段40设计相同。在其他实施例中，第二调制段60也可以与第一调制段40结构不同，可根据实际需要进行设置。第四电子束在第二调制段60中共振在种子激光的基波上。在第二调制段60中，第四电子束产生相干辐射，同时被其自身产生的相干辐射第二次能量调制，从而形成第五电子束，第五电子束的能量‑时间分布为准正弦形。第五电子束被第二调制段60输出后进入第二色散段70中。由于第二调制段60中没有引入种子激光，第四电子束是被其自身的相干辐射能量调制，因此第二调制段60也可以称为自调制段。并被自身的相干辐射第二次能量调制而形成第五电子束，如图2D所示，第五电子束具有明显的能量‑时间啁啾；
第二色散段70用于对第五电子束压缩并产生密度调制，第二色散段70可包括沿电子束传输方向依次排列且长度相同的第五二极铁71、第六二极铁72、第七二极铁73和第八二极铁74，二极铁的排布与第一色散段50相同，即，第五二极铁71、第六二极铁72与第七二极铁73、第八二极铁74呈对称分布。第二色散段70与第一色散段50的区别在于色散强度不同。第五电子束经过第二色散段70后，会形成微群聚的第六电子束，第六电子束随后进入放大器80中，形成并输出如图2E所示的具有一定微群聚的第六电子束；
放大器80用于使第六电子束产生辐射并发出千瓦量级的全相干的EUV光200，放大器80可包括多个依次排列的波荡器。在放大器80中，发生着自由电子激光的高增益过程，即能量调制‑密度调制‑光场增强的正反馈过程。具有极紫外波段微群聚的第六电子束在放大器80中进一步辐射，发出高重复频率全相干的EUV光200。在一些实施例中，放大器80的任意相邻两个波荡器之间还可以放置束流准直和诊断等设备。在一些实施例中，放大器80可采用波荡器渐变技术，即各波荡器之间的间距沿电子束传播方向逐渐变大，这样，随着电子束持续损失能量，波荡器磁间距变大会相应减小波荡器磁场强度，从而保持波荡器共振关系，辐射持续放大出光，有潜力提升EUV的平均功率至10千瓦量级。采用波荡器渐变技术，可提高自由电子激光的转换效率，脉冲能量一般可提升3到5倍。
以上EUV光源系统的总长并没有在专利中写述，从专利描述部分裝置看，估計大约是70米左右的总长度；
△第一色散段50的总长度为4 .2m
△第二色散段70的总长度为3.3m
△放大器总长度为15m
△第二调制段60的长度为1.6m
小结：
全相干，稳定高功率的EUV光源装置已是突破性的装置之一，全相干的光源如用在光刻机时就需做去相干(利用相關反射鏡)令光线均匀和保持稳定，暂时不知相关装置的电耗量和零部件的成本。
从以上光源装置的功能，它代替了ASML EUV光刻机里的30KW二氧化碳激光器，其主要作用就是提供10600nm波长的高功率激光，用来照射锡（Sn）金属液滴。
代替了液滴锡靶产生器，其主要承担提供并控制锡金属液滴以每秒50000滴的速度从喷嘴内喷出，并利用通快集团的30KW二氧化碳激光器对每滴锡金属液滴每秒进行两次轰击（即每秒需要10万个激光脉冲），从而产生稳定的13.5nm波长的EUV光，以及代替精度非常高的收集镜由德国蔡司来生产。
同步加速器辐射和自由电子激光（FEL）系统这两类型的技术和发展也有懒于国内的快速建立让国内科研员能接触和探研相关技术的潜能，同步加速器辐射是高速电子在受各种磁结构约束的明确定义的轨道上运动所产生的高亮度宽带电磁辐射。自由电子激光源尤其具有超短光脉冲的亮度和相干性。这些光脉冲的波长范围从一毫米到几纳米（如x射线）。同步加速器辐射和自由电子激光源引起了许多重大的科学发现。
作者：Wong Jimmy 编辑：芯智讯-林子
