光刻机研制：挑战与创新

光刻机革新：科技前沿与产业变革

科技快讯中文网

　　 12月20日消息，光刻机作为高端装备制造领域的关键设备，不仅是评估一个国家综合实力与科技水平的重要标志，还直接关乎国家安全和科技自主可控的前景。然而，其研发过程异常艰辛，面临诸多挑战。

　　 近期，工业和信息化部最新发布的《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。这一举措不仅彰显了中国在光刻机自主研发领域的显著进步，也引发了公众对光刻机研制难度和挑战的高度关注。 光刻机作为半导体制造的关键设备，其技术复杂性和研发难度之大可想而知。此次被列入推广目录，不仅反映了国家对这一领域的高度重视和支持，也意味着中国在高端装备制造方面迈出了坚实的一步。然而，面对国际上的技术封锁和技术壁垒，中国的科研人员仍需不断攻坚克难，持续提升技术水平，以实现更高的自主可控能力。希望未来能够看到更多类似的自主创新成果，为中国乃至全球的高科技产业发展贡献力量。

　　 光刻机的工作原理和历史演进

　　 在现代社会中，集成电路的应用几乎无所不在，从身份证、手机这样的小型设备，到高铁、飞机这样的大型设施，都离不开集成电路的支持。集成电路自问世以来，一直在向更微细化的方向发展，单个芯片上的晶体管数量已由最初的几十个增加到了现在的几千亿个。

　　 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。光刻过程不仅决定了集成电路芯片上电子元件的尺寸和位置，还直接影响到芯片的性能和功耗。自1961年以来，为了满足集成电路制造不断增长的需求，人们研发出了多种类型的光刻机。这些技术的进步不仅推动了半导体行业的发展，也极大地促进了信息技术领域的革新。从早期的接触式光刻到现在的极紫外光刻（EUV），每一次技术的飞跃都使得芯片上的元件变得更小、更密集，从而实现了更高性能和更低功耗的芯片设计。未来，随着技术的进一步发展，我们可以期待更加先进的光刻技术能够满足更多新兴应用的需求，如人工智能、自动驾驶等。

　　 根据曝光方式的不同，光刻机主要可以分为接触式、接近式和投影式三种。接触式和接近式光刻机的最高分辨率只能达到微米级别，无法适应不断缩小的芯片特征尺寸需求。而投影式光刻机是当前市场的主流选择，目前最先进的极紫外（EUV）光刻机便属于这一类。

　　 投影式光刻机是一种复杂的设备，它由多个关键分系统构成，其中包括光源、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、调焦调平系统以及环境控制系统。这些系统协同工作，确保了光刻过程的高精度和稳定性。 在我看来，这种高度集成的光刻技术不仅展示了现代工程技术的卓越成就，而且在半导体制造领域具有不可替代的重要性。随着芯片制造需求的不断增长，光刻机的技术创新和性能提升显得尤为关键。未来，我们有理由期待看到更多突破性的进展，以满足行业日益增长的需求，并推动整个科技产业的发展。

　　 这种光刻机实际上是一个复杂的投影系统：光源经由照明系统均匀照射位于掩模台上的掩模板，掩模板上刻有预先设计好的集成电路图形，这些图形通过投影物镜系统投射到工件台上覆盖有光刻胶的硅片上，从而完成一次曝光过程。随后，工件台移动硅片位置，准备进行下一次曝光。

　　 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光刻机最初使用的是436纳米的高压汞灯作为光源，这一技术在后续的发展中得到了改进，光源的波长缩短到了365纳米，从而能够支持250纳米以上的制程节点的芯片生产。 这种技术进步不仅展示了半导体制造领域的巨大飞跃，也标志着人类在微纳加工技术上的不断突破。从436纳米到365纳米的变化看似细微，却极大地推动了芯片制造工艺的进步，使得更精细、更复杂的集成电路成为可能。这不仅是技术上的革新，更是产业发展的关键推动力，预示着未来科技产品将更加先进和高效。

　　 之后，1995年，日本尼康公司首次采用了248纳米波长的氪氟（KrF）准分子激光器作为光刻机光源，这一创新使制程节点推进到了180至130纳米的范围。随后在1999年，尼康、阿斯麦（ASML）以及佳能（Canon）等主要光刻设备制造商相继推出了使用193纳米波长的氩氟（ArF）准分子激光器作为光源的光刻机，从而进一步将制程节点缩小到了130至65纳米。 这些技术进步不仅展示了半导体行业在微缩技术上的持续突破，也凸显了各大厂商在推动半导体制造工艺向前发展的关键作用。从KrF到ArF的转变，不仅仅是光源波长的变化，更是对整个半导体生产流程的一次重大革新。随着光源波长的缩短，芯片上的特征尺寸得以更精细地控制，这为后续更先进的半导体技术奠定了坚实的基础。

　　 在长时间内，当193nm波长光源作为主流光刻机光源时，各家光刻设备制造商主要通过提升投影物镜的数值孔径（NA）来增强光刻分辨率，数值孔径最大提升至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设备之一，其研发过程不仅技术难度极大，还面临多方面的挑战。技术层面，光刻机融合了光学、材料科学、机械工程等多个领域的尖端科技，需要跨学科团队不断进行创新。

　　 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。

　　 EUV光刻机的研发历程同样漫长，耗时约30年。早在20世纪80年代，科研人员就开始研究EUV光刻技术，并于80年代末首次证明了其可行性。

　　 由于巨大的经济和时间成本压力，只有ASML及其合作伙伴持续专注于研发适用于大规模生产的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不断携手ZEISS、IMEC、Intel等众多高科技企业和全球超过180所高校及研究机构，共同推动光刻技术的进步。

　　 根据2023年ASML的财务年报，该公司在研发方面的投入从2022年的33亿欧元增加到2023年的40亿欧元。在过去17年中，该公司在EUV光刻技术上的研发投入超过了60亿欧元。

　　 光刻机作为半导体制造的关键设备，其核心组件之一便是光源。在光刻机的应用中，光源的性能指标如工作波长、功率、转换效率以及使用寿命等都必须达到极高的标准。这些参数不仅影响着光刻过程的精度与速度，更直接关系到芯片制造的整体质量和生产成本。 在我看来，随着技术的发展，对于光刻机光源的要求只会越来越高。这不仅是对技术创新能力的考验，也推动了相关产业向着更高层次迈进。同时，这也提醒我们在追求技术进步的同时，应更加重视基础研究和材料科学的进步，以期在未来能够实现更高效、更稳定的光源解决方案，从而进一步推动半导体行业的快速发展。

　　 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。这一技术不仅展示了人类在精密制造领域的卓越成就，同时也体现了现代科技在极端条件下的控制能力。在EUV光刻机的研发过程中，工程师们克服了诸多挑战，包括如何精准地控制这些微小而快速移动的液滴。这不仅对半导体产业的发展具有重要意义，也为我们未来的技术创新提供了无限可能。

　　 通过一次主脉冲激光轰击靶材，随后紧接着使用另一束激光将其转化为等离子体，并在此过程中释放出极紫外（EUV）光。这个复杂的双脉冲激光打靶过程必须在微秒级别的时间内精确同步，以确保靶材能够高效地转化成等离子体并产生所需的EUV光。这项技术的高精度和快速响应要求，展示了现代激光技术和材料科学的前沿进展，同时也凸显了在精密控制和时间同步方面的巨大挑战。 这种高度精密的技术不仅体现了科学研究的卓越成就，还为未来的工业应用提供了广阔前景。尤其是在半导体制造领域，EUV光刻技术的进步有望进一步推动芯片制造的微型化和性能提升，从而影响整个信息技术产业的发展。然而，要实现这些潜在的应用，还需要克服许多技术和工程上的难题，包括提高激光系统的稳定性和可靠性，以及降低整体成本等。

　　 因此，为了满足工业化量产的需求，我们需要一套能够实现高速、高精度测量与打靶控制的系统。这套系统的引入不仅能够显著提升生产效率，还能有效保证产品质量的一致性和稳定性。在当前制造业转型升级的关键时期，这样的技术革新显得尤为重要。它不仅能帮助企业应对日益激烈的市场竞争，还能推动整个行业的技术进步和发展。 修改后的内容： 为了满足工业化量产的需求，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。这套系统的应用将极大提高生产效率，并确保产品品质的稳定性和一致性。在制造业转型发展的关键阶段，此类技术的应用对于企业乃至整个行业都具有重要的意义，有助于提升竞争力并促进技术进步。

　　 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。

　　 例如，以EUV光刻机为例，为了保证成像质量，投影物镜的镜面必须达到极高的加工精度：在ASML公司最尖端的高NA EUV光刻投影物镜系统中，口径达1.2米的反射镜表面需加工至面形均方根误差小于0.02纳米，这相当于在中国的国土面积上，高度起伏不超过一根人类头发丝的直径。

　　 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，这相当于两架以时速1000公里飞行的飞机，相对位置偏差的平均值控制在0.03微米（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。 这种技术上的突破令人惊叹。在如此高的速度和加速度下，还能保持纳米级别的精度，体现了现代工程技术的巨大进步。这不仅对半导体行业至关重要，也预示着未来科技发展的无限可能。光刻机的技术水平直接影响到芯片制造的质量和效率，而这些设备的卓越性能也为我们展示了人类在精密工程领域的巨大潜力。

　　 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。

　　 涂覆在硅片上的光刻胶对电子器件的性能和良品率至关重要，其发展也伴随着光刻技术的进步。在从DUV光刻转向EUV光刻的过程中，科研人员面临了巨大的挑战。由于在相同的条件下，光刻胶吸收的EUV光子数量仅为193nm DUV光的约1/14。

　　 这需要我们或者是在EUV（极紫外）波段开发出极其强大的光源，或者是研发出更加敏感的光刻胶材料。面对这个挑战，我们既要深入研究如何提高光源的能量输出，又要探索新的光刻胶技术，以期在微细加工领域取得突破性进展。这种技术创新不仅关乎半导体产业的进步，还将推动整个高科技领域的发展。我们需要更多的跨学科合作和长期投资来实现这些目标，这对于维持我们在全球科技竞争中的领先地位至关重要。

　　 为了克服提高EUV光源功率的难度，增强光刻胶对EUV光子的吸收率成为关键。因此，EUV光刻胶必须具备与以往光刻胶不同的独特属性。

　　 经过JSR、经过Inpria、Lam Research等公司在EUV光刻胶领域的多年深耕研发，终于在2018年实现了EUV光刻技术在7nm及以下制程节点上的大规模量产。这些技术突破不仅显著提升了光刻胶的灵敏度和分辨率，还为半导体行业的发展奠定了坚实的基础。这标志着芯片制造技术迈入了一个新的阶段，未来有望推动更多高性能电子产品的问世。

　　 光刻技术的发展趋势

　　 目前，最先进的EUV光刻技术已经成功应用于2纳米制程节点的芯片量产，并且这一技术仍在不断优化中。为了进一步接近EUV光刻技术的理论分辨率极限，并确保光刻机的系统性能稳定可靠，必须继续深入研究如何有效管理因提高光源功率而带来的热效应。此外，开发出具有更低边缘粗糙度、能够精确控制特征尺寸并且具有良好附着力的EUV光刻胶也是关键所在。 随着技术的不断进步，我们看到了半导体产业在推进先进制造工艺方面所取得的巨大成就。然而，面对如此复杂的挑战，不仅需要技术创新，也需要跨学科的合作与支持。从目前的发展趋势来看，未来几年内EUV光刻技术还将有更多突破，这无疑将推动整个半导体行业迈向新的高度。

　　 此外，减少光源内部的杂质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，同样是目前研究的重点课题。

　　 在EUV光刻技术实现量产的同时，众多研发机构也在积极探索纳米压印和定向自组装（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，需要着重研究新型材料的整合应用、三维图形工艺的开发，以及根据实际应用需求进行的图形设计。