调教 telegram 学习时报：光刻机研制为什么难

　　光刻机行为紧要时间装备边界的国之重器，不仅是斟酌一个国度轮廓国力与科技水平的关节贪图调教 telegram，还胜利关联到国度安全和科技自主可控的畴昔。然则，其研制之路却很是贫瘠，充满了重重挑战。近期，工业和信息化部发布的《首台（套）紧要时间装备执行应用带领目次（2024年版）》中，尽头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攻位置，这一举措不仅体现了中国在光刻机自主研发边界取得的紧要施展，更激发了公众对光刻机研制难度和挑战的良善。

　　光刻机的责任旨趣和历史演进

　　现在社会生计中，集成电路确凿无处不在，小到身份证、手机，大到高铁、飞机，齐离不开集成电路。集成电路自出身于今，一直向着轻微化的方针发展，单个芯片上的晶体管数目还是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诈欺光刻机在硅片上构建电路图案。光刻经由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，为了知足集成电路制造的需求，东说念主们研发出了多种类型的光刻机。按照曝光样式来分，光刻机不错分为战役式、接近式和投影式。战役式和接近式光刻机的极限折柳率均停留在微米量级，难以知足日益减小的芯片特征尺寸的需求。投影式光刻机是面前的主流光刻机，现在源流进的极紫外（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、环境戒指系统等。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摒弃在掩模台上的掩模版，掩模版上制作有事前瞎想好的集成电路图案，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。

　　擢升光刻折柳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跳跃。商议东说念主员通过接纳更短波长的光源来擢升投影式光刻机的折柳率，按次发展出了紫外（UV）光刻机、深紫外（DUV）光刻机和EUV光刻机。

　　UV光刻机最早接纳波长为436nm的高压汞灯光源，跟着时间的进一步发展，光源波长裁汰至365nm，不错相沿250nm以上制程节点的芯片分娩。之后，光刻时间开动向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）准分子激光器行为光刻机光源，该类光刻机将制程节点鞭策到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）准分子激光器行为光源的光刻机调教 telegram，这使得制程节点进一步削弱至130—65nm。在193nm光源行为主流光刻机光源的很长一段时辰内，各光刻开发制造商主要通过增大投影物镜的数值孔径（NA）来擢升光刻折柳率，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，该光刻机的时间篡改是在镜头与硅片之间引入去离子水行为介质，使得投影物镜的NA最高达到1.35，再勾通多重图形等时间可完结7nm的制程节点。为了进一步减小光源波长，擢升光刻折柳率，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年进入工业化分娩，标识着光刻时间的又一紧要险阻。面前，仅有ASML公司省略分娩EUV光刻机，该类光刻机最高省略相沿2nm的制程节点。

　　光刻时间研发的难点与挑战

　　光刻机，被誉为集成电路产业链上的“金冠上的明珠”，是东说念主类迄今为止所能制造的最精密装备之一，其研发经由不仅时间难度极高，还濒临着多方面的挑战。时间方面，光刻机波及光学、材料科学、机械工程等多边界顶端科技，需跨学科团队抓续篡改。合作方面，因时间复杂，需多边界科研机构与企业详细合作，共同科罚难题，并成就灵验疏导配合机制。资金方面，从研发到分娩，光刻机技俩需永久多量进入。

　　以EUV光刻机为例，从EUV光刻时间提议到厚爱进入工业化分娩，商议东说念主员耗尽了30年傍边的时辰。20世纪80年代东说念主们开动探索EUV光刻时间，并在80年代末初度考据了这项时间的可行性。但由于昂贵的经济以实时辰老本，唯独ASML与其合作伙伴不绝戮力于开发可用于工业化量产的EUV光刻机。2010年，ASML委用了第一台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、电子束计量用具率先供应商HMI等高技术企业的收购，并于2017年委用了第一台可用于工业化量产的EUV光刻机NXE：3400。面前，ASML抓续与ZEISS、IMEC、Intel等多家先进科技企业以及巨匠特殊180所高校、科研机构合作鞭策光刻时间的发展。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。在往常的17年中，该公司仅在EUV光刻方针的研发投资就特殊了60亿欧元。

　　光源是光刻机的中枢部件之一。光刻机对光源的责任波长、功率、调遣恶果以及寿命等参数均有着严格的要求。以面前惟一商用的EUV光刻机为例，该光刻机接纳激光等离子体（LPP）光源，为了取得高调遣恶果和长命命，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，其通顺速率可达到80m/s，相等于回应号高铁的速率；先诈欺一束预脉冲激光将高速通顺的锡液滴打成饼状的靶材，然后再诈欺另一束主脉冲激光轰击靶材，将靶材滚动为等离子体的同期辐射出EUV光，这一对脉冲的打靶经由需要在百万分之几秒内无缺地配合完成。因此，需要一套精确的测量及戒指系统，省略进行高速、高精度的测量与打靶戒指，方可知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意境，其波像差需要达到纳米以至亚纳米量级，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齐提议了严苛的要求。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公司源流进的高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时弊小于0.02nm，相等于在中国国土面积内仅有东说念主类头发丝直径大小的高度升沉。

　　光刻机的机械系统瞎想奥妙地和会了相识性与高效率的双重需求。以EUV光刻机为例，工件台的通顺速率可达5m/s，况兼工件台和掩模台需要高速同步通顺，同步通顺时弊的平均值需要小于0.5nm，相等于两架以时速1000km遨游的飞机，相对位置偏差的平均值戒指在0.03μm（东说念主类头发丝直径的几千分之一）以内。工件台还需具备惊东说念主的加快度——达到7倍重力加快度（7g），这一性能确保了硅片能在极短时辰内飞速定位至预定位置。

　　掩模版行为光刻系统图像信息的着手，其制备经由中变成的脏污、刮伤、图形很是等波折均会改变掩模的光学特点，从而影响成像质地，诽谤芯片制品率。由于光刻掩模版制备要求高、工艺难度大且需要字据光刻时间的发展而更替，永久的时间积贮与弥散的研发资金均不行或缺。国外率先的掩模版制造商Toppan一直戮力于掩模版业务，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、三星聚集开发高端掩模版时间，从最初的45nm制程节点发展至面前的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直露接关联，亦然跟着光刻时间的发展而发展的。在从DUV光刻向EUV光刻过渡的经由中，商议东说念主员遭逢了严峻的挑战，即在通常条目下，光刻胶接纳的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，要么发明更灵巧的光刻胶。磋议到进一步擢升EUV光源的功率极具挑战性，为弥补光刻胶对EUV光子的低接纳率，EUV光刻胶需要具有不同于前几代光刻胶的特有性能。经过JSR、Inpria、LamResearch等EUV光刻胶率先供应商的多年抓续研发，完结了EUV光刻胶灵巧度与折柳率的险阻，方使得EUV光刻在2018年进入7nm及以下制程节点的大限制量产。

　　光刻时间的发展趋势

插插综合

　　面前，源流进的EUV光刻时间已被应用于2nm制程节点的芯片量产，况兼仍在抓续优化中。为了不停贴近EUV光刻时间的表面折柳率极限，并确保光刻机具备可靠的系统性能，还需要不绝深切商议怎样灵验料理擢升光源功率所带来的热效应，同期开发边际省略度更低且能保证特征尺寸精确戒指与邃密黏着力的EUV光刻胶。此外，减少光源里面的碎屑混浊以延伸蚁集镜的使用寿命，以及诽谤曝光经由中混浊物附着在掩模上的概率，亦然面前进攻的商议课题。

　　在EUV光刻时间完结量产的同期，很多研发机构也在尝试研发纳米压印以及定向自拼装（DSA）等老本相对较低的下一代光刻时间。针对这些新兴的光刻时间，需要重心商议新式材料的集成应用、立体图形化工艺的开发，以及以践诺应用需求为导向的图形瞎想。

　　（作家系中国科学院上海光学精密机械商议所商议员）调教 telegram