学习时报刊文：光刻机研制为什么难

科技 2024-12-19 17:11 广东

光刻机作为重大技术装备领域的国之重器，不仅是衡量一个国家综合国力与科技水平的关键指标，还直接关系到国家安全和科技自主可控的未来。然而，其研制之路却异常艰难，充满了重重挑战。近期，工业和信息化部发布的《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（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设备的重要位置，这一举措不仅体现了中国在光刻机自主研发领域取得的重大进展，更引发了公众对光刻机研制难度和挑战的关注。

光刻机的工作原理和历史演进

当今社会生活中，集成电路几乎无处不在，小到身份证、手机，大到高铁、飞机，都离不开集成电路。集成电路自诞生至今，一直向着微细化的方向发展，单个芯片上的晶体管数量已经由最初的几十个发展到现在的几千亿个。

集成电路制造的核心工序是利用光刻机在硅片上构建电路图案。光刻过程决定了集成电路芯片上电子元件的尺寸和位置。从1961年至今，为了满足集成电路制造的需求，人们研发出了多种类型的光刻机。按照曝光方式来分，光刻机可以分为接触式、接近式和投影式。接触式和接近式光刻机的极限分辨率均停留在微米量级，难以满足日益减小的芯片特征尺寸的需求。投影式光刻机是目前的主流光刻机，当今最先进的极紫外（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组成，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、对准系统、调焦调平系统、环境控制系统等。这类光刻机本质上是一种复杂的投影系统：光源通过照明系统均匀照明放置在掩模台上的掩模版，掩模版上制作有预先设计好的集成电路图案，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，工件台移动硅片，再进行另一次曝光。

提高光刻分辨率是光刻机演进的主线，极大地推动了集成电路制程节点的进步。研究人员通过采用更短波长的光源来提高投影式光刻机的分辨率，依次发展出了紫外（UV）光刻机、深紫外（DUV）光刻机和EUV光刻机。

UV光刻机最早采用波长为436nm的高压汞灯光源，随着技术的进一步发展，光源波长缩短至365nm，可以支持250nm以上制程节点的芯片生产。之后，光刻技术开始向DUV波段光源发展：1995年，日本Nikon公司首次采用了248nm波长的氟化氪（KrF）准分子激光器作为光刻机光源，该类光刻机将制程节点推进到180—130nm；到了1999年，Nikon、ASML和Canon等主要光刻设备制造商推出了采用193nm波长的氟化氩（ArF）准分子激光器作为光源的光刻机，这使得制程节点进一步缩小至130—65nm。在193nm光源作为主流光刻机光源的很长一段时间内，各光刻设备制造商主要通过增大投影物镜的数值孔径（NA）来提高光刻分辨率，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，该光刻机的技术创新是在镜头与硅片之间引入去离子水作为介质，使得投影物镜的NA最高达到1.35，再结合多重图形等技术可实现7nm的制程节点。为了进一步减小光源波长，提高光刻分辨率，经过30年左右的研发，光源波长为13.5nm的EUV光刻机终于在2017年投入工业化生产，标志着光刻技术的又一重大突破。目前，仅有ASML公司能够生产EUV光刻机，该类光刻机最高能够支持2nm的制程节点。

光刻技术研发的难点与挑战

光刻机，被誉为集成电路产业链上的“皇冠上的明珠”，是人类迄今为止所能制造的最精密装备之一，其研发过程不仅技术难度极高，还面临着多方面的挑战。技术方面，光刻机涉及光学、材料科学、机械工程等多领域尖端科技，需跨学科团队持续创新。合作方面，因技术复杂，需多领域科研机构与企业紧密合作，共同解决难题，并建立有效沟通协作机制。资金方面，从研发到生产，光刻机项目需长期巨额投入。

以EUV光刻机为例，从EUV光刻技术提出到正式投入工业化生产，研究人员花费了30年左右的时间。20世纪80年代人们开始探索EUV光刻技术，并在80年代末首次验证了这项技术的可行性。但由于高昂的经济以及时间成本，只有ASML与其合作伙伴继续致力于开发可用于工业化量产的EUV光刻机。2010年，ASML交付了第一台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、电子束计量工具领先供应商HMI等高科技企业的收购，并于2017年交付了第一台可用于工业化量产的EUV光刻机NXE：3400。目前，ASML持续与ZEISS、IMEC、Intel等多家先进科技企业以及全球超过180所高校、科研机构合作推进光刻技术的发展。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。在过去的17年中，该公司仅在EUV光刻方向的研发投资就超过了60亿欧元。

光源是光刻机的核心部件之一。光刻机对光源的工作波长、功率、转换效率以及寿命等参数均有着严格的要求。以目前唯一商用的EUV光刻机为例，该光刻机采用激光等离子体（LPP）光源，为了获得高转换效率和长寿命，需要在光源内部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，其运动速度可达到80m/s，相当于复兴号高铁的速度；先利用一束预脉冲激光将高速运动的锡液滴打成饼状的靶材，然后再利用另一束主脉冲激光轰击靶材，将靶材转化为等离子体的同时放射出EUV光，这一双脉冲的打靶过程需要在百万分之几秒内完美地配合完成。因此，需要一套精准的测量及控制系统，能够进行高速、高精度的测量与打靶控制，方可满足工业化量产的需求。

光刻机的投影物镜系统是成像光学的最高境界，其波像差需要达到纳米甚至亚纳米量级，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都提出了严苛的要求。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的反射镜表面需要加工到面形均方根误差小于0.02nm，相当于在中国国土面积内仅有人类头发丝直径大小的高度起伏。

光刻机的机械系统设计巧妙地融合了稳定性与高效能的双重需求。以EUV光刻机为例，工件台的运动速度可达5m/s，并且工件台和掩模台需要高速同步运动，同步运动误差的平均值需要小于0.5nm，相当于两架以时速1000km飞行的飞机，相对位置偏差的平均值控制在0.03μm（人类头发丝直径的几千分之一）以内。工件台还需具备惊人的加速度——达到7倍重力加速度（7g），这一性能确保了硅片能在极短时间内迅速定位至预定位置。

掩模版作为光刻系统图像信息的来源，其制备过程中形成的脏污、刮伤、图形异常等缺陷均会改变掩模的光学特性，从而影响成像质量，降低芯片成品率。由于光刻掩模版制备要求高、工艺难度大且需要根据光刻技术的发展而更迭，长期的技术积累与充足的研发资金均不可或缺。国际领先的掩模版制造商Toppan一直致力于掩模版业务，其于2005年收购了杜邦光掩模公司，并于同年开始与IBM、格罗方德半导体、三星联合开发高端掩模版技术，从最初的45nm制程节点发展至目前的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率直接相关，也是随着光刻技术的发展而发展的。在从DUV光刻向EUV光刻过渡的过程中，研究人员遇到了严峻的挑战，即在相同条件下，光刻胶吸收的EUV光子数量仅为DUV193nm波长的1/14。这就要求要么在EUV波段创造出极强的光源，要么发明更灵敏的光刻胶。考虑到进一步提高EUV光源的功率极具挑战性，为弥补光刻胶对EUV光子的低吸收率，EUV光刻胶需要具有不同于前几代光刻胶的独特性能。经过JSR、Inpria、LamResearch等EUV光刻胶领先供应商的多年持续研发，实现了EUV光刻胶灵敏度与分辨率的突破，方使得EUV光刻在2018年进入7nm及以下制程节点的大规模量产。

光刻技术的发展趋势

目前，最先进的EUV光刻技术已被应用于2nm制程节点的芯片量产，并且仍在持续优化中。为了不断逼近EUV光刻技术的理论分辨率极限，并确保光刻机具备可靠的系统性能，还需要继续深入研究如何有效管理提高光源功率所带来的热效应，同时开发边缘粗糙度更低且能保证特征尺寸精确控制与良好附着力的EUV光刻胶。此外，减少光源内部的碎片污染以延长收集镜的使用寿命，以及降低曝光过程中污染物附着在掩模上的概率，也是当前重要的研究课题。

在EUV光刻技术实现量产的同时，许多研发机构也在尝试研发纳米压印以及定向自组装（DSA）等成本相对较低的下一代光刻技术。针对这些新兴的光刻技术，需要重点研究新型材料的集成应用、立体图形化工艺的开发，以及以实际应用需求为导向的图形设计。

（作者系中国科学院上海光学精密机械研究所研究员）

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文章刊载于《学习时报》2024年12月18日第6版

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