祛魅才得真光源

李零教授说，去圣乃得真孔子。

对于怪诞离奇又不乏拥趸的“光刻工厂”，我的想法也是：祛魅才得真光源。

因此，我检索过清华SSMB-EUV的相关报道，写过《讲真，所谓的SSMB-EUV光刻工厂，有点脏》和《继续讲真，SSMB-EUV光刻工厂，有点雷》。但我自知，此前的两篇文章只是在常识和逻辑上质疑“光刻工厂”，不够深入，且有些想当然，没有做到给“光刻工厂”祛魅。

要祛魅，需要更多学习。

最好的学习方式，不是读书，而是读论文。

写书的人，哪怕是科普作者，也会照顾读者的需要，甚至迎合目标读者。

论文作者，无论是自然科学论文，还是社会论文的作者，都只需直面学术圈的专业读者，知识密度和纯度更高。就算是剥洋葱，论文作者也不需要照顾读者的泪腺。

我首先浏览了——不敢说读，外行扒着窗户看一眼而已——清华SSMB国际研究组2021年2月发表的论文：《稳态微聚束机理的实验证明》。

可惜，如看天书。

我能抓住的要点，只有这一段：

“总之，我们已经证明了SSMB在电子存储环中的机制。在已取得的成果基础上，我们正在MLS(Metrology Light Source，德国柏林的计量光源)上开展用高重复锁相激光器代替此处（注：MLS？）使用的激光器来维持微束多圈的研究工作。”

我得到的信息是：原理已经得到验证，研究还在继续。

依然如坠雾中。

还得继续检索。

铁鞋踏过无数的无效网页，我检索到了清华大学工程物理系唐传祥教授和邓秀杰博士2022年4月发表在《物理学报》上的论文《稳态微聚束加速器光源》。

这篇论文，是一篇特邀综述，虽非科普，但学习门槛低了不少。

受限于知识背景，我没有能力进行转述或讲解，只能摘选一些我认为重要的干货，供大家了解真实的清华SSMB-EUV光源，了解清华SSMB研究取得的进展，同时加强对光刻机和加速器光源的了解。

一、论文要点

该部分内容，黑字和红色字体部分为摘选内容（文字有删减，标红、加粗、斜体均为提请大家注意），灰色字体部分为必要的解释。

1 加速器光源简介

1、人们从 20 世纪 70 年代开始建设专门用于产生SR（注：Synchrotron Radiation，同步辐射）的电子储存环。…… 至今, SR光源在追求更高的亮度和更好的相干性的发展中，已历经四代。在中国大陆，北京同步辐射装置(BSRF)属于第一代，合肥光源(HLS)属于第二代，上海光源(SSRF)属于第三代，目前正在北京怀柔建设的高能同步辐射光源 (HEPS)属于第四代。”

注：此前网传的所谓“光刻工厂”，即是北京怀柔的HEPS（如下图）

北京怀柔HEPS

2、目前的第四代光源已经达到或接近衍射极限，因此辐射光具有很好的横向相干性。在纵向相干性方面，通过采用优化的波荡器作为辐射光的产生元件，辐射光的单色性相比偏转磁铁辐射显著提高。但是由于同步辐射光源中的电子束团长度通常在毫米到厘米量级 (十皮秒量级)，即便采用波荡器，电子束长还是远远大于辐射光的纵向相干长度，因此束团的辐射作为一个整体而言纵向相干性很弱，或几乎没有纵向相干性。纵向相干性弱的一个结果是电子束团的辐射功率较低，因为不同电子的辐射相位没有关联，辐射电场是非相干叠加。

3、为了实现更高的峰值亮度和真正的短波长相干光源，自由电子激光(FEL)应运而生。FEL的概念由Madey于1971年提出，并于1977年与合作者实验验证。一个基于自放大自发辐射 (SASE) 原理的FEL装置的典型示意图如图1所示。

看不懂图？没关系，我也看不懂。本文所发图片，都是专供大家用于识别流量骗子。

4、FEL按工作模式可分为低增益和高增益两种。早期的发展主要集中在低增益模式，辐射波长相对较长，如红外及可见光波段，辐射在共振腔中被多次逐步放大.。目前世界范围内大力发展的主要是如图1所示的 FEL……由于高增益模式对电子束的品质要求高 (高峰值流强、低发射度、低能散)，目前主要通过直线加速器产生，因此辐射光的重复频率与储存环同步辐射光源相比较低。为了提高重频，基于射频超导 (SRF) 直线加速器的高重频FEL，目前也在发展中，如正在上海建设中的硬X射线自由电子激光装置（SHINE）。

5、加速器光源已经成为人类探索物质结构及动态特性的最前沿工具之一。基于电子储存环的同步辐射光源和基于电子直线加速器的自由电子激光，可分别提供高重复频率和高峰值亮度的辐射光, 是目前加速器光源的两种主要类型。这两种加速器光源大科学设施作为尖端的科研平台，催生了一系列突破性的基础研究与应用基础研究成果，在先进制造和产业带动方面的作用也难以估量，目前，全世界有超过50个运行或在建的同步辐射光源，超过7个运行或在建的 X 射线自由电子激光大设施。可以说，最先进的加速器光源因其无可比拟的光束品质、对科学和工业的支撑带动作用、建设所需的资金投入和技术复杂程度，已成为各个国家综合国力和竞争力的重要体现。

2 稳态微聚束加速器光源原理

6、加速器光源的发展和用户日益增长的需求彼此促进，相互推动。除了同步辐射和自由电子激光，科学界和产业界也期待着有能同时实现高峰值功率和高重频——从而实现高平均功率——的光源出现。为了应对这一挑战，一种基于电子储存环的光源原理——稳态微聚束 (SSMB) 于2010年由Ratner和Chao首次提出。

7、其核心想法是将储存环中的聚束系统，即微波射频腔，用激光调制系统取代。由于激光是横波，其电场与传播方向垂直，无法与平行传播的电子束进行有效的能量交换，需采用扭摆磁铁使电子束产生横向振荡，让激光对电子束产生与射频腔中的微波类似的能量调制，从而实现传统射频腔对电子束的纵向聚焦 (聚束) 功能。SSMB 储存环与传统储存环的对比如图2所示。

8、在量子激发与辐射阻尼的共同作用下, SSMB中的微聚束在储存环中能逐圈重复利用达到稳态，实现高重频发光。“稳态”是SSMB概念的核心，也是SSMB物理研究的关键。通过有机结合微聚束辐射的强相干特性以及储存环的高重频特性，SSMB 可提供高平均功率、窄带宽的相干辐射，波段可覆盖从太赫兹 (THz) 到软X射线。

9、作为一种新型加速器光源，SSMB的潜力是巨大的。从加速器物理发展的角度看，同步辐射光源近十年的研究热点是降低束团的横向发射度，通过提高辐射光的横向相干性来提高光源的亮度，重点在于挖掘束团横向的潜力；而SSMB则重点挖掘束团纵向的潜力，SSMB 储存环内电子束团长度相比传统储存环减小了近6个数量级，其辐射光可实现很好的纵向相干性。让纳米长度的电子束团稳定地储存在环中，为加速器物理的研究提出了一系列崭新的课题。

10、从 SSMB 辐射光应用角度看，SSMB辐射的诸多优异特性有望为加速器光子科学研究及工业应用提供新机遇。如SSMB 是极有潜力满足EUV光刻对千瓦级大功率EUV光源的迫切需求的光源方案之一；能量可调、高通量、窄带宽的 EUV光源可以极大地促进角分辨光电子能谱学在凝聚态物理等研究中的应用；高功率的深紫外和红外光源是原子分子物理潜在的研究工具；高峰值功率和高平均功率的THz源可以用来激发和研究材料新的非线性效应及动态特性。除了高功率，SSMB也可以用来产生相位锁定的超短 (亚飞秒到阿秒) 辐射脉冲串，用于阿秒科学的研究。

注：由此可见，清华SSMB团队取得的突破，是推开了一扇门，开拓出了一个新天地。

3 SSMB 原理的实验验证

11、SSMB从概念提出到建成应用光源，其原理的实验验证是至关重要的一步。清华大学从2017年开始推动SSMB的原理验证实验研究，与德国亥姆霍兹柏林中心(HZB)及德国联邦技术物理研究院(PTB)合作，利用接近SSMB需求的德国MLS(Metrology Light Source，计量光源)储存环，完成了SSMB的原理验证实验。实验示意图如图5所示。

注：把SSMB-EUV光源说成“光刻工厂”，说什么“声东击西”、“战忽”、“星球大战”，都是可以让孙武惊坐起的瞎掰和自欺。正如我此前所说，实验在柏林做，论文发表在Nature，13位论文作者中有7个老外，这样的国际合作前沿研究项目，对鹰酱来说，没有什么秘密可言。

12、“近期（按：2022年4月之前），我们进一步成功地将微聚束在储存环中维持了多圈，实现了电子束的多圈相干发光。”

13、微聚束的形成及多圈维持，证明电子的纵向位置(决定电子感受到的光学相位)，能以短于激光波长的精度在储存环中逐圈关联，使得电子可被稳态地束缚在激光形成的光学势阱中，验证了SSMB的工作机理。该实验是SSMB光源发展的第一个里程碑。

14、换言之，在SSMB原理验证方面，该实验展示的是从0 到1，也即验证机理；而后续工作是从1到N。这是该实验对SSMB的发展具有里程碑意义的重要原因。另外，MLS储存环并非为了SSMB而设计，该原理验证实验的成功，证明了SSMB原理即使在远非理想的情况下依然表现出极佳的鲁棒性(robustness)。这也激励着我们设计建造能够将SSMB机理完美展现的专用储存环。

此处有重点：

（1）清华SSMB团队取得的是从0到1的突破，还需要继续开展从1到N的研究。

（2）要开展从1到N的研究，就需要建设SSMB专用的环形加速器，这是清华在雄安建设SSMB-EUV光源的原因所在。

4 SSMB储存环的核心物理问题及关键技术挑战

15、为了给SSMB光源的实际建设进一步奠定坚实的基础，需要深入研究其核心物理并解决关键技术挑战。

注：没有一蹴而就的成功。从1到N，从SSMB到SSMB-EUV光源，还需要攻克很多难关。

4.1 SSMB在储存环中的产生

干货16~30，均涉及少许技术术语，均为亟需攻克的难题，好奇心不强的朋友可以直接下滑至31。

16、为了实现超短束团和超低的纵向发射度，需要二极铁的偏转角度足够小。

这样的知识点，我只能死记硬背。

17、为了使 SSMB 储存环工作在纵向强聚焦这一全新的工作模式上，需要对纵向强聚焦动力学有系统深入的研究。

18、对于纵向强聚焦储存环这一强混沌系统，与横向动力学孔径的优化类似，纵向相空间中的稳定区 (纵向动力学孔径) 优化的解析分析较为困难， 需要结合数值方法，如遗传算法、机器学习等进行优化。集体效应方面，常用的求解束团稳态分布的方法以及某些不稳定性的分析如相干同步辐射导致的微波不稳定性等需做进一步发展。

19、与电子束团单次通过的高增益FEL不同，SSMB是一个多次通过的装置，需要保证超短束团在辐射段能一圈接一圈地重复出现，也即超短束团在辐射段出现的状态是束团在该储存环中的本征态。如何逐圈利用横纵向耦合，在较低的调制激光功率下实现束团压缩，对储存环的lattice（晶格）设计来说也是新颖而有趣的研究课题。

20、传统储存环的非线性动力学优化主要指的是横向动力学孔径的优化，关注四维相空间；而SSMB需要同时关注横向和纵向，也即六维相空间，需要发展相关的理论，并且结合机器学习、遗传算法等新近快速发展的数值方法对SSMB的非线性动力学进行优化。

21、三维任意耦合以及纵向强聚焦lattice中的IBS研究也不能直接应用基于平面型无耦合环推导的经典IBS公式，而需要基于SLIM的方法或束团包络方法 (beam envelope method)来进行计算……SSMB中需要采用更为精细的尾场模型……绝热近似失效也会对集体效应的研究造成影响。这些课题都会促进束流集体效应研究的进一步深入。

22、非线性效应在SSMB中的显著性，也使对各类误差和噪声的容忍度分析变得极其重要……值得指出的是，由于SSMB的工作模式，如纵向强聚焦、强横纵耦合，不同于一般储存环，其噪声和误差容忍度的解析分析也将相对复杂。如传统射频腔相噪分析中采用的正则微扰论，在纵向强聚焦储存环中就无法直接应，因为该动力系统是不可积的 (混沌的)。另一方面，借助于现有计算机的强大计算能力，可对噪声的影响进行直接的数值模拟研究。

4.2 SSMB 的辐射特性

23、定量地研究电子束团的六维相空间分布对SSMB辐射功率、能谱、空间分布的影响，从而指导SSMB储存环特别是辐射段的设计优化，以及为后续的光束线设计提供输入是有价值的研究课题。

24、除了研究辐射的平均期望值，对辐射的涨落特性分析也是一个重要的课题。对辐射特性包括其涨落的深入研究，有助于用户更好地利用SSMB辐射光。

25、对这些特性的分析和测量也可以作为束流诊断的有力工具，如通过测量相干辐射的涨落反推超短电子束的长度，这一诊断方法在未来的先进光源中有着极佳的应用前景，因为采用常规方法测量SSMB中的超短电子束长是较为困难的。

4.3 SSMB 关键技术挑战

物理问题解决后, 能否真正实现SSMB光源关键就是技术的可实现性。

26、 激光调制器：激光调制器与微波射频腔的对应，是SSMB与传统储存环相比最重要的区别。为了实现 SSMB，需要调制激光功率高、相位锁定；而为了实现高的束流占空比，从而提升SSMB辐射光的平均功率，需要采用连续波或高占空比的调制激光。要同时满足这些需求，SSMB的激光调制系统拟采用光学增益腔。

27、长脉冲注入系统：为了实现高的辐射功率，SSMB的平均流强较高，约为1A大电荷量、长脉冲(百纳秒量级) 注入束流的实现需要专门的设计。

28、 直线感应加速器：为了提高SSMB储存环的束流占空比，除了需要采用连续激光，对长脉冲电子束的能量补充也提出了不同于传统储存环的要求。

29、高精度磁铁、高精度控制系统等也需要在现有的同步辐射光源的基础上进一步发展。

30、需要指出的是，本节论述的SSMB光源可能存在的技术挑战主要是针对短波长波段，如 EUV 或软X 射线。如果目标波长为太赫兹或红外，那么对应的SSMB光源所需技术难度会大幅降低。

5 清华SSMB-EUV光源

31、从2017年开始，清华大学组建了专门的SSMB光源研究团队，针对EUV光刻对大功率EUV光源的需求，研究基于SSMB原理的EUV光源的物理及技术实现。

32、经过五年的努力，团队在SSMB原理验证实验、SSMB的束流动力学、SSMB-EUV光源物理设计以及关键技术研发方面均取得重要进展，给大功率 EUV 光源的突破提供了新的选项。

33、SSMB的束流动力学方面，清华团队对SSMB涉及的单粒子动力学进行了系统深入的研究，解决了超低纵向发射度及超短束团实现需要解决的核心物理问题；束流集体效应的研究， 如相干同步辐射、束内散射、阻抗壁尾场, 也在有序开展。

34、lattice设计方面，完成了能稳定储存长度数十纳米电子束的储存环lattice设计，环的动力学孔径及束流寿命已基本满足工程需求；纵向强聚焦方案的插入段——也即束团最终压缩及辐射产生单元——的设计已经完成，但所需调制激光功率相对较高，为了进一步降低对调制激光功率的需求从而实现 CW 发光模式，目前（注，2022年4月）正进行横纵向耦合束团压缩方案插入段的非线性动力学优化。

35、束流注入系统的初步设计和动力学模拟也已完成。

36、SSMB辐射特性研究方面……我们进行了SSMB辐射理论的解析推导，并开发了相应的数值程序，研究显示在束流平均强度1A，微束团长度3nm的情况下，SSMB可较为直接地实现平均功率大于1 kW的EUV光输出。

37、SSMB关键技术方面，清华团队已经搭建了光学增益腔研究平台，研制了光学增益腔原理样机，并与合作单位研制了MHz重频感应加速单元。

38、清华SSMB团队完成了SSMB-EUV光源的整体初步物理设计，光源方案示意图如图11所示：

39、清华SSMB-EUV光源的总体设计参数，如表1所列：

40、该光源方案具体可简述为：首先利用高重频微波电子枪产生一串电子束，长度百纳秒量级；产生的电子束将在一段直线加速腔中被加速到约400 MeV，此时的电子束是脉冲分布的，间隔为加速所用微波的周期 (约10 cm)；之后将这些电子束团注入到展束环中对束团进行纵向的拉伸，使电流分布由梳状得到展平，得到在纵向上均匀分布的准连续束团；之后将该束团从展束环引出，注入到SSMB 主环中进行储存，在主环中，电子束由于激光调制器的聚束作用并在量子激发和辐射阻尼平衡下保持微聚束状态，束长在数十纳米量级；该微聚束在辐射段被进一步压缩到3 nm左右，实现波长13.5 nm的强相干辐射，从而输出千瓦量级的EUV光；电子束发光损失的能量将由高重频直线感应加速腔补充。

6 SSMB-EUV光源对科学研究及芯片光刻潜在的变革性影响

41、光刻是集成电路芯片制造中最复杂、最关键的工艺步骤。光刻机是光刻技术的关键设备, 由光源、照明、投影物镜、机械及控制等系统组成。光刻技术曝光分辨率的不断提高,支撑着摩尔定律的延续，曝光分辨率由瑞利公式决定……因此，光刻机分辨率的提升主要从减小光源波长、降低工艺因子、增大物镜数值孔径来着手。

42、综合来看，提升光刻曝光分辨率的主要研究方向为减小光源的波长。半个多世纪以来, 光刻机光源的波长从最初的可见光逐步演化到高压汞灯产生的436 nm(G线)、365 nm(I线)，再到KrF准分子激光的248 nm、ArF准分子光源的193 nm。

43、目前，产业界公认的新一代主流光刻技术是采用光源波长为13.5 nm的极紫外光刻。

44、由于13.5 nm的EUV光在所有材料中均会被强烈吸收，其光学系统需要在真空环境中采用多层膜的反射镜组成，每片反射镜反射率最高约70%。为了实现对EUV光的收集、传输、整形等，现有EUV光刻机有一套复杂的光学系统，EUV光从光源到晶圆共经历11次反射。

45、为了使到达晶圆上的EUV光功率满足芯片大规模量产的要求，需要EUV光源的功率足够高。而且随着芯片工艺节点的缩小，对EUV光功率的需求会进一步提升，业界估计在 3 nm 及以下节点，EUV光刻需要在中间焦点 (intermediate focus, IF) 处的EUV光功率将达到千瓦量级。因此，大功率 EUV 光源的突破是EUV光刻技术用于大规模制造的核心与关键。

46、目前世界上唯一的EUV光刻机供应商是荷兰的ASML公司，其采用的是激光等离子体 (laserproduced plasma, LPP) EUV光源。具体来说，通过一台功率大于20kW 的CO₂气体激光器轰击液态锡形成等离子体，从而产生13.5 nm的EUV光。通过不断优化驱动激光功率、EUV 光转化效率、收集效率以及控制系统，LPP-EUV光源目前能够在中间焦点处实现350 W左右的EUV光功率，该功率水平刚达到工业量产的门槛指标。

47、产业界认为LPP光源未来可以达到的EUV功率最高为500 W左右，想要继续将EUV光刻向3 nm以下工艺节点推进，LPP-EUV光源的功率将遇到瓶颈。

48、由于基于等离子体辐射的EUV光源功率进一步突破困难，因此基于相对论电子束的各类加速器光源逐渐进入产业界的视野，如基于超导直线加速器技术的高重频FEL以及SSMB等。表2总结了LPP-EUV光源及基于同步辐射 (SR)、超导高重频自由电子激光 (SRF-FEL) 及稳态微聚束 (SSMB)的EUV光源的主要特点。

49、有望用于EUV光刻的EUV光源为LPP，SRF-FEL，以及SSMB光源。

50、LPP已经是成熟的商业方案，但其功率进一步提升有限，很难满足EUV光刻长期发展的需要。

51、SRF-FEL可实现1~10 kW量级的EUV光，但其造价相对高昂，规模较大。而且，要达到商业化所需能量利用效率，必须对其发光的电子束进行能量回收，也即要采用能量回收型直线加速器 (energy recovery linac, ERL) 方案，大流强、高品质电子源等多项关键技术需要进一步突破。

52、SSMB也可以实现大于1 kW的EUV光功率，且造价和规模适中。作为一种新型光源原理，SSMB原理实验验证已经实现，需要建设运行在EUV波段的SSMB加速器光源研究装置，培养科学及产业用户，并提高其技术成熟度。另外，基于加速器的光源还具有易向更短波长拓展的优点，有望成为下一代采用波长6.x nm的Blue-X光刻技术的主流光源。

总结来说，SSMB-EUV光源用于EUV光刻具有以下特点及潜在优势：

53、高平均功率：SSMB储存环支持安装多条EUV光束线，可同时作为光刻大功率照明光源及掩模、光学器件的检测光源，还可以为EUV光刻胶的研究提供支撑。

54、窄带宽与高准直性：SSMB光源容易实现EUV光刻所需的小于2%的窄带宽要求, 并且波荡器辐射集中于集中于近~<1 mrad的角度范围内。窄带宽以及高准直的特性可为基于SSMB的EUV光刻光学系统带来创新性的设计，同时可以降低 EUV光学反射镜的工艺难度。

注：“~<”为数学中的“波浪小于”符号，一时找不到正确的输入办法，只好摆烂。

55、高稳定性的连续波输出：SSMB输出的是连续波或准连续波辐射，可以避免辐射功率大幅涨落而引起的对芯片的损伤。储存环光源的稳定性好，采用top-up运行模式的SSMB储存环，可使光源的长时间可用性得到进一步提升。

56、辐射清洁：与LPP-EUV光源相比，波荡器辐射的高真空环境对光刻的光学系统反射镜不会产生污染，镜子的使用寿命可以大大延长。

57、可拓展性：SSMB原理上容易往更短波长拓展，为下一代采用波长6.x nm的Blue-X光刻技术留有可能。

58、SSMB-EUV光源的实现有望帮助我国EUV光刻实现跨越式发展。

59、同时, SSMB加速器光源可以提供高平均功率、窄线宽的太赫兹到软X射线波段的相干辐射，且时间结构大范围可调，对物理、化学、能源、环境等学科的前沿基础研究与应用基础研究，可以提供前所未有的工具和手段。

60、SSMB加速器光源已经引起了科学界及产业界的广泛关注。随着对SSMB储存环物理研究的深入，以及对其关键技术的掌握，SSMB加速器光源作为光刻产业光源及科学研究光源是可以预期的，其性能也必将会不断提高，造价也会逐渐降低，同时SSMB加速器光源的应用也会得到更加广泛的拓展。

二、结语

“子绝四：毋意、毋必、毋固、毋我。”斯为至训。

然而，如今人自为媒，情绪包裹内容，流量能把粪球盘到包浆玉化。身处其间，要做到“绝四”，极不容易。

想做到“绝四”，只有以我为主，主动检索、筛选出可信的信源，不断校正的自己的认知。

就拿清华SSMB-EUV这事来说，只有读过唐、邓两位学者发表在《物理学报》上的《稳态微聚束加速器光源》，才能得出如下结论：

1、清华SSMB团队不仅取得了0的突破，还取得了大于1的进展，但距离实际应用还有很长的路要走。

2、EUV光刻只是SSMB光源潜在应用中的一个方向，SSMB光源更大、更确定的用途在于为物理、化学、生物等学科的前沿基础研究与应用基础研究提供前所未有的手段。

3、SSMB-EUV光源目前只是完成了整体初步物理设计，前方关山万千重，任重且道远，只有说“正在筹建中”才算妥帖。

所以，我坚持此前的两个逻辑判断：

其一，“原理验证”只是实验，“潜在应用”只是可能，“潜力”不是能力，“解决思路”不是解决方案。

其二，一个还在吃奶的孩子，打不了男足的比赛。

同时，我要修正此前的展望。

我此前说过：“雄安的SSMB-EUV，不管它是SSMB，还是SSMB-EUV，十年之内，恐怕连一束光也看不到。”

我现在要说：雄安的SSMB-EUV，十年之内，恐怕连一片晶圆也刻不了。

EUV光刻机是使用EUV光源的光刻系统。

理就是这么简单。

三、致敬

不做调查就没有发言权，不做正确的调查同样没有发言权。

注重调查！

反对瞎说！