前次和朋友们简单聊了13.5nm EUV光刻机光源系统的研究进度，很多朋友提到“光刻机激光器已经被科益虹源攻克了”；还有更多朋友提到“20kW功率激光器不算什么，我们国家早就突破大功率激光器了”；那么事实又是怎么样呢？

为了避免在讨论时出现概念上的误解，我们在聊“激光器”之前，也明确三个基本概念：

1，大家提光刻机光源就必提的科益虹源（也因为华为旗下哈勃公司的入股而备受关注），其打破外国垄断的是193nm ArF准分子激光器（有机会我们再聊这个激光器），这也是大家开口必提的国产28nm DUV工艺的光源(包括这一年来无数炒作的国产化14nm工艺)，但这和我们聊的13.5nmEUV光刻机光源系统的激光器不是一个事情。

图1：常见激光器种类和参数

2，激光器的种类繁多，能达到13.5nm EUV光刻机要求的激光器也是经过长期研究的，例如ASML采用的是德国Trumpf(通快)的基于轴快流二氧化碳激光器泵浦的MOPA（Master Oscillator Power Amplifier，主振荡功率放大器）系统。当然，除了功率这个最简单、最基本的参数，MOPA激光器还有非常多其他的参数，也是一个系统化的工程。

图2：Trumpf为提供的使用多级放大过程产生30 kW的激光脉冲，以使锡液滴电离并产生发射EUV辐射的强等离子体

3，EUV光源必须使用20kW以上功率的MOPA二氧化碳激光器去激发液体锡粒产生300W以上的13.5nm EUV光。因为整个系统的功率转换效率通常不到5%，所以为了激发300W以上的EUV光源，需要非常高的二氧化碳激光器功率，例如，Trumpf为ASML光源提供的是30kW MOPA系统。所以，我们描述MOPA激光器的功率是用kW为单位，描述EUV光源的功率用W为单位。

图3：图中标注“CO2 laser”的绿线是指二氧化碳激光， “IF”是标定13.5nmEUV光源（粉红色）功率的位置。

ASML的EUV光源激光器系统演化

ASML在早期的3100试验型EUV光刻机上采用的是第一代NOMO二氧化碳激光器（无主振荡功率放大器）系统（图4），采用的是三级放大，2011年采用这套系统获得10W的EUV光源（大约有8kW功率的激光辐照在锡滴上，转换效率仅0.8%）。

图4：ASML早期的NOMO二氧化碳激光器系统

仅过两年，在2013年，ASML将系统升级到第三代的MOPA+PP(Pre-pulse,预脉冲技术)，EUV功率已经提升到50W（图5）。通过MOPA系统从12kW提升到15kW，ASML在之后三年2016年又将EUV提升到100W（图6）。

图5：ASML升级的MOPA+PP二氧化碳激光器系统

图6：ASML早期的MOPA激光器系统功率提升带动EUV光源效率的大幅提升。

图7：ASML后期发展的更高功率的MOPA系统包含3个预放大+1个主放大结构

日本Gigaphoton的EUV光源激光器系统演化

日本Gigaphoton公司的EUV光源早期的设计思路几乎是ASML光源一致，也是采取了MOPA系统，并且早期的研究采用的也是Trumpf的轴快流二氧化碳激光器（图8），其中包含2个5kW的预放大激光器（Trumpf型号为TLF-5000）和1个15kW的主放大激光器（Trumpf型号为TLF-15000）。

实际上，2006年Gigaphoton在获得25W的EUV光源后，在论文中预测了之后3代光源（图9），也可以看到通过EUV-MOPA系统的功率对输出EUV光源的重要性，后续的实际发展也基本符合这个预期。

图8：Gigaphoton的MOPA系统：2个5kW的预放大+1个10kW的主放大

图9：Gigaphoton在2007预测的MOPA系统功率提升伴随的EUV光源效率提升数据

值得一提的是，Gigaphoton在之后的研究中，采用了日本三菱电机的二氧化碳激光器（图10），这里已经升级到3个预放大+1个主放大的MOPA系统，功率达到25kW。Gigaphoton比较了三菱激光器和Trumpf的激光器，发现三菱激光器给出的EUV光源均匀性更佳（图11）。

图10：Gigaphoton的3+1MOPA系统采用三菱电机的FAF二氧化碳激光器

图11：Gigaphoton的采用三菱二氧化碳激光器获得更优质的光源（第一排为三菱，第二排为Trumpf）

Trumpf的轴快流二氧化碳激光器

Trumpf是一个传奇的德国百年老店。1985年，Trumpf便自主研发和制造了第一款CO2 激光器Trumpf TLF1000 ，该激光器功率超过1 kW。我在Fraunhofer主页上看到在上世纪90年代，Trumpf就在和Fraunhofer研究所合作共同开发40kW轴快流激光器。可见Trumpf在这一块的技术积累是非常深厚的。EUV光源的MOPA系统也是Trumpf同Zeiss、ASML长达十年合作共同开发推进的。

图12：Trumpf自主研制的CO2 激光器

图13:1994年，Trumpf和德国Fraunhofer研究所共同开发40kW工业级轴快流二氧化碳激光器

图14：Trumpf的EUV激光器系统

国产轴快流二氧化碳激光器

国内从上世纪80年代开始有单位研发轴快流二氧化碳激光器，有报道长春光机所釆用涡轮风机、直流激励方式，实现了1.1kW轴快流CO2激光输出。2005年，华中科技大学研制出国内首台40轴快流CO2激光器，而主导研究开发的是王又青教授，至2013年已经报道实现了2kW-10kW轴快流CO2激光器产品（图15）。

图15：华中科技大学王又青教授突破轴快流二氧化碳激光器技术

公开的资料显示，华中科技大学的相关技术在武汉光谷科威晶激光技术有限公司进行产业化。从该公司主页可以了解到，目前的主要产品是1-5kW的中功率轴快流二氧化碳激光器。有资料显示，该公司有10-20kW高功率轴快流二氧化碳激光器产品在研或研制成功。所以，随着高功率轴快流二氧化碳激光器的成熟，在未来对EUV光刻机的国产化也是非常大的支持。（不过在查看该公司资料时，注意到该公司在成立之初引入美资，是一家中美合资企业，未来不清楚是否受到美国政策的左右。）

图16：武汉光谷科威晶激光技术有限公司的轴快流二氧化碳激光器

图17：武汉光谷科威晶激光技术有限公司官网资料

在看了这几份资料后，我有几点感受：

1，ASML/Trumpf的二氧化碳激光器MOPA系统，经历了十几年的技术演化，形成了MOPA+PP的成功组合方案，有了这些明确的技术路线，必然会大大降低国内开发探索的时间。单从突破MOPA激光器的功率来看，似乎并不是特别巨大的障碍，但是基础工艺的掌握也是需要一定的时间。

2，Gigaphoton在长期的学习、追赶过程，也逐渐形成了自己的体系，技术路线向本国的产业链靠拢，也是非常值得思考的，单是用三菱的激光器成功取代Trumpf激光器已经是一个很大的进展。

3，很惊喜看到国内在轴快流激光器领域有多年积累，也已经形成产业化规模，这种工业级规模的技术对未来EUV光源的研制和产业链国产化是非常有利的。我相信更大家也可以从Trumpf、三菱电机和武汉科威晶的对比中看到产业链中的成熟的环节对新技术突破的重要性。

4，EUV光源系统非常复杂，这里只提了MOPA系统的最基本设备之一--轴快流激光器，而文中提到的大部分进展仍是5年前、10年前的，可能连7nm技术的门槛都还没有达到。可以想象仍有相当庞当的系统性工程问题需要攻关。

注：本文在资料调查过程有可能存在遗漏或解读错误之处，敬请指正。

参考1：https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/9422/94220B/Performance-optimization-of-MOPA-pre-pulse-LPP-light-source/10.1117/12.2087421.short?SSO=1

参考2：https://www.gigaphoton.com/wp-content/uploads/pdf/6151-126.pdf

参考3：http://euvlsymposium.lbl.gov/pdf/2016/Oral/Tue_S1-2.pdf

参考4：http://www.cwgchina.com.cn/