光刻机四肢紧要手艺装备范围的国之重器，不仅是推测一个国度抽象国力与科技水平的关节目的，还平直关系到国度安全和科技自主可控的翌日。但是，其研制之路却荒谬沉重，充满了重重挑战。近期，工业和信息化部发布的《首台（套）紧要手艺装备践诺应用指令目次（2024年版）》中，特别将氟化氪光刻机与氟化氩光刻机列入了电子专用开发的进军位置，这一举措不仅体现了中国在光刻机自主研发范围取得的紧要清楚，更激勉了公众对光刻机研制难度和挑战的关心。

　　光刻机的职责旨趣和历史演进

　　目下社会生存中，集成电路委果无处不在，小到身份证、手机，大到高铁、飞机，皆离不开集成电路。集成电路自出身于今，一直向着轻微化的目的发展，单个芯片上的晶体管数目也曾由最初的几十个发展到现在的几千亿个。

　　集成电路制造的中枢工序是应用光刻机在硅片上构建电路图案。光刻经过决定了集成电路芯片上电子元件的尺寸和位置。从1961年于今，为越过志集成电路制造的需求，东谈主们研发出了多种类型的光刻机。按照曝光表情来分，光刻机不错分为斗争式、接近式和投影式。斗争式和接近式光刻机的极限差别率均停留在微米量级，难以得志日益减小的芯片特征尺寸的需求。投影式光刻机是目下的主流光刻机，目下最先进的极紫外（EUV）光刻机就属于投影式光刻机。

　　投影式光刻机由多个分系统构成，包括光源、照明系统、投影物镜系统、掩模台与掩模传输系统、工件台与硅片传输系统、瞄准系统、调焦调平系统、环境散伙系统等。这类光刻机骨子上是一种复杂的投影系统：光源通过照明系统均匀照明摈弃在掩模台上的掩模版，掩模版上制作有事前缱绻好的集成电路图案，该图案通过投影物镜系统投影到工件台上涂有光刻胶的硅片，完成一次曝光。之后，工件台转移硅片，再进行另一次曝光。

　　擢升光刻差别率是光刻机演进的干线，极地面推动了集成电路制程节点的高出。商讨东谈主员通过接纳更短波长的光源来擢升投影式光刻机的差别率，轮番发展出了紫外（UV）光刻机、深紫外（DUV）光刻机和EUV光刻机。

　　UV光刻机最早接纳波长为436nm的高压汞灯光源，随起原艺的进一步发展，光源波长裁减至365nm，不错赈济250nm以上制程节点的芯片出产。之后，光刻手艺开动向DUV波段光源发展：1995年，日本Nikon公司初度接纳了248nm波长的氟化氪（KrF）准分子激光器四肢光刻机光源，该类光刻机将制程节点鼓励到180—130nm；到了1999年，Nikon、ASML和Canon等主要光刻开发制造商推出了接纳193nm波长的氟化氩（ArF）准分子激光器四肢光源的光刻机，这使得制程节点进一步削弱至130—65nm。在193nm光源四肢主流光刻机光源的很长一段时老实，各光刻开发制造商主要通过增大投影物镜的数值孔径（NA）来擢升光刻差别率，NA最高达到了0.93。直到2004年，ASML推出了首款商用浸没式光刻机，该光刻机的手艺改换是在镜头与硅片之间引入去离子水四肢介质，使得投影物镜的NA最高达到1.35，再讨好多重图形等手艺可结束7nm的制程节点。为了进一步减小光源波长，擢升光刻差别率，经过30年傍边的研发，光源波长为13.5nm的EUV光刻机终于在2017年参预工业化出产，符号着光刻手艺的又一紧要打破。目下，仅有ASML公司简略出产EUV光刻机，该类光刻机最高简略赈济2nm的制程节点。

　　光刻手艺研发的难点与挑战

　　光刻机，被誉为集成电路产业链上的“王冠上的明珠”，是东谈主类迄今为止所能制造的最精密装备之一，其研发经过不仅手艺难度极高，还靠近着多方面的挑战。手艺方面，光刻机触及光学、材料科学、机械工程等多范围顶端科技，需跨学科团队捏续改换。合作方面，因手艺复杂，需多范围科研机构与企业精细合作，共同处理贵重，并成立有用换取互助机制。资金方面，从研发到出产，光刻机技俩需恒久巨额参预。

　　以EUV光刻机为例，从EUV光刻手艺建议到认真参预工业化出产，商讨东谈主员忽地了30年傍边的时分。20世纪80年代东谈主们开动探索EUV光刻手艺，并在80年代末初度考据了这项手艺的可行性。但由于崇高的经济以实时分本钱，唯独ASML与其合作伙伴不竭奋力于开发可用于工业化量产的EUV光刻机。2010年，ASML寄托了第一台EUV光刻机原型机。从2012年至2016年，ASML先后完成了对先进光源制造商Cymer、电子束计量器具最先供应商HMI等高技术企业的收购，并于2017年寄托了第一台可用于工业化量产的EUV光刻机NXE：3400。目下，ASML捏续与ZEISS、IMEC、Intel等多家先进科技企业以及大众超过180所高校、科研机构合作鼓励光刻手艺的发展。据2023年ASML的财务年报，该公司在研发方面的投资从2022年的33亿欧元增至2023年的40亿欧元。在曩昔的17年中，该公司仅在EUV光刻目的的研发投资就超过了60亿欧元。

　　光源是光刻机的中枢部件之一。光刻机对光源的职责波长、功率、诊治后果以及寿命等参数均有着严格的要求。以目下唯独商用的EUV光刻机为例，该光刻机接纳激光等离子体（LPP）光源，为了获取高诊治后果和长命命，需要在光源里面进行极其精确的激光打靶：液滴发生器产生直径20—30μm的锡液滴，其通达速率可达到80m/s，特别于恢复号高铁的速率；先应用一束预脉冲激光将高速通达的锡液滴打成饼状的靶材，然后再应用另一束主脉冲激光轰击靶材，将靶材动荡为等离子体的同期辐射出EUV光，这一对脉冲的打靶经过需要在百万分之几秒内竣工地配合完成。因此，需要一套精确的测量及散伙系统，简略进行高速、高精度的测量与打靶散伙，方可得志工业化量产的需求。

　　光刻机的投影物镜系统是成像光学的最高田地，其波像差需要达到纳米以致亚纳米量级，这对投影物镜的镜片级加工与检测，以及系统级的检测与装调等皆建议了严苛的要求。以EUV光刻机为例，为确保成像性能，投影物镜的镜面必须以极高的精度进行加工：在ASML公司最先进的高NA EUV光刻投影物镜系统中，口径1.2m的反射镜名义需要加工到面形均方根误差小于0.02nm，特别于在中国国土面积内仅有东谈主类头发丝直径大小的高度升沉。

　　光刻机的机械系统缱绻奥妙地交融了雄厚性与高遵循的双重需求。以EUV光刻机为例，工件台的通达速率可达5m/s，而况工件台和掩模台需要高速同步通达，同步通达误差的平均值需要小于0.5nm，特别于两架以时速1000km飘动的飞机，相对位置偏差的平均值散伙在0.03μm（东谈主类头发丝直径的几千分之一）以内。工件台还需具备惊东谈主的加快度——达到7倍重力加快度（7g），这一性能确保了硅片能在极短时老实飞速定位至预定位置。

　　掩模版四肢光刻系统图像信息的来源，其制备经过中造成的脏污、刮伤、图形荒谬等弱势均会改变掩模的光学特质，从而影响成像质地，贬抑芯片制品率。由于光刻掩模版制备要求高、工艺难度大且需要凭据光刻手艺的发展而更替，恒久的手艺积贮与有余的研发资金均不能或缺。国外最先的掩模版制造商Toppan一直奋力于掩模版业务，其于2005年收购了杜邦光掩模公司，并于同庚开动与IBM、格罗方德半导体、三星集中开发高端掩模版手艺，从最初的45nm制程节点发展至目下的2nm制程节点。

　　涂覆于硅片上的光刻胶与电子器件的性能和良品爽平直有计划，亦然跟着光刻手艺的发展而发展的。在从DUV光刻向EUV光刻过渡的经过中，商讨东谈主员遭遇了严峻的挑战，即在通常条目下，光刻胶经受的EUV光子数目仅为DUV193nm波长的1/14。这就要求要么在EUV波段创造出极强的光源，要么发明更贤慧的光刻胶。研讨到进一步擢升EUV光源的功率极具挑战性，为弥补光刻胶对EUV光子的低经受率，EUV光刻胶需要具有不同于前几代光刻胶的独有性能。经过JSR、Inpria、LamResearch等EUV光刻胶最先供应商的多年捏续研发，结束了EUV光刻胶贤慧度与差别率的打破，方使得EUV光刻在2018年进入7nm及以下制程节点的大限度量产。

　　光刻手艺的发展趋势

　　目下，最先进的EUV光刻手艺已被应用于2nm制程节点的芯片量产，而况仍在捏续优化中。为了束缚靠近EUV光刻手艺的表面差别率极限，并确保光刻机具备可靠的系统性能，还需要不竭潜入商讨若何有用料理擢升光源功率所带来的热效应，同期开发角落粗俗度更低且能保证特征尺寸精确散伙与艰深黏着力的EUV光刻胶。此外，减少光源里面的碎屑遏抑以延伸麇集镜的使用寿命，以及贬抑曝光经过中遏抑物附着在掩模上的概率，亦然现时进军的商讨课题。

　　在EUV光刻手艺结束量产的同期，很多研发机构也在尝试研发纳米压印以及定向自拼装（DSA）等本钱相对较低的下一代光刻手艺。针对这些新兴的光刻手艺，需要重心商讨新式材料的集成应用、立体图形化工艺的开发，以及以试验应用需求为导向的图形缱绻。

　　（作家系中国科学院上海光学精密机械商讨所商讨员）kaiyun官方网站