光刻機作為重大技術(shù)裝備領(lǐng)域的國之重器，不僅是衡量一個國家綜合國力與科技水平的關(guān)鍵指標，還直接關(guān)系到國家安全和科技自主可控的未來。然而，其研制之路卻異常艱難，充滿了重重挑戰(zhàn)。近期，工業(yè)和信息化部發(fā)布的《首臺（套）重大技術(shù)裝備推廣應(yīng)用指導(dǎo)目錄（2024年版）》中，特別將氟化氪光刻機與氟化氬光刻機列入了電子專用設(shè)備的重要位置，這一舉措不僅體現(xiàn)了中國在光刻機自主研發(fā)領(lǐng)域取得的重大進展，更引發(fā)了公眾對光刻機研制難度和挑戰(zhàn)的關(guān)注。
光刻機的工作原理和歷史演進
當今社會生活中，集成電路幾乎無處不在，小到身份證、手機，大到高鐵、飛機，都離不開集成電路。集成電路自誕生至今，一直向著微細化的方向發(fā)展，單個芯片上的晶體管數(shù)量已經(jīng)由最初的幾十個發(fā)展到現(xiàn)在的幾千億個。
集成電路制造的核心工序是利用光刻機在硅片上構(gòu)建電路圖案。光刻過程決定了集成電路芯片上電子元件的尺寸和位置。從1961年至今，為了滿足集成電路制造的需求，人們研發(fā)出了多種類型的光刻機。按照曝光方式來分，光刻機可以分為接觸式、接近式和投影式。接觸式和接近式光刻機的極限分辨率均停留在微米量級，難以滿足日益減小的芯片特征尺寸的需求。投影式光刻機是目前的主流光刻機，當今最先進的極紫外（EUV）光刻機就屬于投影式光刻機。
投影式光刻機由多個分系統(tǒng)組成，包括光源、照明系統(tǒng)、投影物鏡系統(tǒng)、掩模臺與掩模傳輸系統(tǒng)、工件臺與硅片傳輸系統(tǒng)、對準系統(tǒng)、調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)等。這類光刻機本質(zhì)上是一種復(fù)雜的投影系統(tǒng)：光源通過照明系統(tǒng)均勻照明放置在掩模臺上的掩模版，掩模版上制作有預(yù)先設(shè)計好的集成電路圖案，該圖案通過投影物鏡系統(tǒng)投影到工件臺上涂有光刻膠的硅片，完成一次曝光。之后，工件臺移動硅片，再進行另一次曝光。
提高光刻分辨率是光刻機演進的主線，極大地推動了集成電路制程節(jié)點的進步。研究人員通過采用更短波長的光源來提高投影式光刻機的分辨率，依次發(fā)展出了紫外（UV）光刻機、深紫外（DUV）光刻機和EUV光刻機。
UV光刻機最早采用波長為436nm的高壓汞燈光源，隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，光源波長縮短至365nm，可以支持250nm以上制程節(jié)點的芯片生產(chǎn)。之后，光刻技術(shù)開始向DUV波段光源發(fā)展：1995年，日本Nikon公司首次采用了248nm波長的氟化氪（KrF）準分子激光器作為光刻機光源，該類光刻機將制程節(jié)點推進到180—130nm；到了1999年，Nikon、ASML和Canon等主要光刻設(shè)備制造商推出了采用193nm波長的氟化氬（ArF）準分子激光器作為光源的光刻機，這使得制程節(jié)點進一步縮小至130—65nm。在193nm光源作為主流光刻機光源的很長一段時間內(nèi)，各光刻設(shè)備制造商主要通過增大投影物鏡的數(shù)值孔徑（NA）來提高光刻分辨率，NA最高達到了0.93。直到2004年，ASML推出了首款商用浸沒式光刻機，該光刻機的技術(shù)創(chuàng)新是在鏡頭與硅片之間引入去離子水作為介質(zhì)，使得投影物鏡的NA最高達到1.35，再結(jié)合多重圖形等技術(shù)可實現(xiàn)7nm的制程節(jié)點。為了進一步減小光源波長，提高光刻分辨率，經(jīng)過30年左右的研發(fā)，光源波長為13.5nm的EUV光刻機終于在2017年投入工業(yè)化生產(chǎn)，標志著光刻技術(shù)的又一重大突破。目前，僅有ASML公司能夠生產(chǎn)EUV光刻機，該類光刻機最高能夠支持2nm的制程節(jié)點。
光刻技術(shù)研發(fā)的難點與挑戰(zhàn)
光刻機，被譽為集成電路產(chǎn)業(yè)鏈上的“皇冠上的明珠”，是人類迄今為止所能制造的最精密裝備之一，其研發(fā)過程不僅技術(shù)難度極高，還面臨著多方面的挑戰(zhàn)。技術(shù)方面，光刻機涉及光學(xué)、材料科學(xué)、機械工程等多領(lǐng)域尖端科技，需跨學(xué)科團隊持續(xù)創(chuàng)新。合作方面，因技術(shù)復(fù)雜，需多領(lǐng)域科研機構(gòu)與企業(yè)緊密合作，共同解決難題，并建立有效溝通協(xié)作機制。資金方面，從研發(fā)到生產(chǎn)，光刻機項目需長期巨額投入。
以EUV光刻機為例，從EUV光刻技術(shù)提出到正式投入工業(yè)化生產(chǎn)，研究人員花費了30年左右的時間。20世紀80年代人們開始探索EUV光刻技術(shù)，并在80年代末首次驗證了這項技術(shù)的可行性。但由于高昂的經(jīng)濟以及時間成本，只有ASML與其合作伙伴繼續(xù)致力于開發(fā)可用于工業(yè)化量產(chǎn)的EUV光刻機。2010年，ASML交付了第一臺EUV光刻機原型機。從2012年至2016年，ASML先后完成了對先進光源制造商Cymer、電子束計量工具領(lǐng)先供應(yīng)商HMI等高科技企業(yè)的收購，并于2017年交付了第一臺可用于工業(yè)化量產(chǎn)的EUV光刻機NXE：3400。目前，ASML持續(xù)與ZEISS、IMEC、Intel等多家先進科技企業(yè)以及全球超過180所高校、科研機構(gòu)合作推進光刻技術(shù)的發(fā)展。據(jù)2023年ASML的財務(wù)年報，該公司在研發(fā)方面的投資從2022年的33億歐元增至2023年的40億歐元。在過去的17年中，該公司僅在EUV光刻方向的研發(fā)投資就超過了60億歐元。
光源是光刻機的核心部件之一。光刻機對光源的工作波長、功率、轉(zhuǎn)換效率以及壽命等參數(shù)均有著嚴格的要求。以目前唯一商用的EUV光刻機為例，該光刻機采用激光等離子體（LPP）光源，為了獲得高轉(zhuǎn)換效率和長壽命，需要在光源內(nèi)部進行極其精確的激光打靶：液滴發(fā)生器產(chǎn)生直徑20—30μm的錫液滴，其運動速度可達到80m/s，相當于復(fù)興號高鐵的速度；先利用一束預(yù)脈沖激光將高速運動的錫液滴打成餅狀的靶材，然后再利用另一束主脈沖激光轟擊靶材，將靶材轉(zhuǎn)化為等離子體的同時放射出EUV光，這一雙脈沖的打靶過程需要在百萬分之幾秒內(nèi)完美地配合完成。因此，需要一套精準的測量及控制系統(tǒng)，能夠進行高速、高精度的測量與打靶控制，方可滿足工業(yè)化量產(chǎn)的需求。
光刻機的投影物鏡系統(tǒng)是成像光學(xué)的最高境界，其波像差需要達到納米甚至亞納米量級，這對投影物鏡的鏡片級加工與檢測，以及系統(tǒng)級的檢測與裝調(diào)等都提出了嚴苛的要求。以EUV光刻機為例，為確保成像性能，投影物鏡的鏡面必須以極高的精度進行加工：在ASML公司最先進的高NAEUV光刻投影物鏡系統(tǒng)中，口徑1.2m的反射鏡表面需要加工到面形均方根誤差小于0.02nm，相當于在中國國土面積內(nèi)僅有人類頭發(fā)絲直徑大小的高度起伏。
光刻機的機械系統(tǒng)設(shè)計巧妙地融合了穩(wěn)定性與高效能的雙重需求。以EUV光刻機為例，工件臺的運動速度可達5m/s，并且工件臺和掩模臺需要高速同步運動，同步運動誤差的平均值需要小于0.5nm，相當于兩架以時速1000km飛行的飛機，相對位置偏差的平均值控制在0.03μm（人類頭發(fā)絲直徑的幾千分之一）以內(nèi)。工件臺還需具備驚人的加速度——達到7倍重力加速度（7g），這一性能確保了硅片能在極短時間內(nèi)迅速定位至預(yù)定位置。
掩模版作為光刻系統(tǒng)圖像信息的來源，其制備過程中形成的臟污、刮傷、圖形異常等缺陷均會改變掩模的光學(xué)特性，從而影響成像質(zhì)量，降低芯片成品率。由于光刻掩模版制備要求高、工藝難度大且需要根據(jù)光刻技術(shù)的發(fā)展而更迭，長期的技術(shù)積累與充足的研發(fā)資金均不可或缺。國際領(lǐng)先的掩模版制造商Toppan一直致力于掩模版業(yè)務(wù)，其于2005年收購了杜邦光掩模公司，并于同年開始與IBM、格羅方德半導(dǎo)體、三星聯(lián)合開發(fā)高端掩模版技術(shù)，從最初的45nm制程節(jié)點發(fā)展至目前的2nm制程節(jié)點。
涂覆于硅片上的光刻膠與電子器件的性能和良品率直接相關(guān)，也是隨著光刻技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。在從DUV光刻向EUV光刻過渡的過程中，研究人員遇到了嚴峻的挑戰(zhàn)，即在相同條件下，光刻膠吸收的EUV光子數(shù)量僅為DUV193nm波長的1/14。這就要求要么在EUV波段創(chuàng)造出極強的光源，要么發(fā)明更靈敏的光刻膠?？紤]到進一步提高EUV光源的功率極具挑戰(zhàn)性，為彌補光刻膠對EUV光子的低吸收率，EUV光刻膠需要具有不同于前幾代光刻膠的獨特性能。經(jīng)過JSR、Inpria、LamResearch等EUV光刻膠領(lǐng)先供應(yīng)商的多年持續(xù)研發(fā)，實現(xiàn)了EUV光刻膠靈敏度與分辨率的突破，方使得EUV光刻在2018年進入7nm及以下制程節(jié)點的大規(guī)模量產(chǎn)。
光刻技術(shù)的發(fā)展趨勢
目前，最先進的EUV光刻技術(shù)已被應(yīng)用于2nm制程節(jié)點的芯片量產(chǎn)，并且仍在持續(xù)優(yōu)化中。為了不斷逼近EUV光刻技術(shù)的理論分辨率極限，并確保光刻機具備可靠的系統(tǒng)性能，還需要繼續(xù)深入研究如何有效管理提高光源功率所帶來的熱效應(yīng)，同時開發(fā)邊緣粗糙度更低且能保證特征尺寸精確控制與良好附著力的EUV光刻膠。此外，減少光源內(nèi)部的碎片污染以延長收集鏡的使用壽命，以及降低曝光過程中污染物附著在掩模上的概率，也是當前重要的研究課題。
在EUV光刻技術(shù)實現(xiàn)量產(chǎn)的同時，許多研發(fā)機構(gòu)也在嘗試研發(fā)納米壓印以及定向自組裝（DSA）等成本相對較低的下一代光刻技術(shù)。針對這些新興的光刻技術(shù)，需要重點研究新型材料的集成應(yīng)用、立體圖形化工藝的開發(fā)，以及以實際應(yīng)用需求為導(dǎo)向的圖形設(shè)計。
（作者系中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所研究員）
