发布日期：2024-11-29 08:02 点击次数：126
光刻机当作紧要时间装备规模的国之重器，不仅是意想一个国度玄虚国力与科技水平的要害主义，还获胜相关到国度安全和科技自主可控的畴昔。然则，其研制之路却很是吃力，充满了重重挑战。近期，工业和信息化部发布的《首台（套）紧要时间装备履行应用提醒目次（2024年版）》中，至极将氟化氪光刻机与氟化氩光刻机列入了电子专用设备的穷困位置，这一举措不仅体现了中国在光刻机自主研发规模取得的紧要说明，更激励了公众对光刻机研制难度和挑战的关心。
光刻机的使命旨趣和历史演进
咫尺社会生计中，集成电路险些无处不在，小到身份证、手机，大到高铁、飞机，齐离不开集成电路。集成电路自降生于今，一直向着微小化的标的发展，单个芯片上的晶体管数目照旧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诳骗光刻机在硅片上构建电路图案。光刻历程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，为了满足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。按照曝光花样来分，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别离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。投影式光刻机是咫尺的主流光刻机，咫尺起先进的极紫外（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、环境铁心系统等。这类光刻机履行上是一种复杂的投影系统：光源通过照明系统均匀照明放手在掩模台上的掩模版，掩模版上制作有事前打算好的集成电路图案，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，工件台出动硅片，再进行另一次曝光。
升迁光刻别离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跨越。商讨东谈主员通过弃取更短波长的光源来升迁投影式光刻机的别离率，顺序发展出了紫外（UV）光刻机、深紫外（DUV）光刻机和EUV光刻机。
UV光刻机最早弃取波长为436nm的高压汞灯光源，跟着时间的进一步发展，光源波长缩小至365nm，不错接济250nm以上制程节点的芯片出产。之后，光刻时间启动向DUV波段光源发展：1995年，日本Nikon公司初次弃取了248nm波长的氟化氪（KrF）准分子激光器当作光刻机光源，该类光刻机将制程节点推动到180—130nm；到了1999年，Nikon、ASML和Canon等主要光刻设备制造商推出了弃取193nm波长的氟化氩（ArF）准分子激光器当作光源的光刻机，这使得制程节点进一步松开至130—65nm。在193nm光源当作主流光刻机光源的很长一段时期内，各光刻设备制造商主要通过增大投影物镜的数值孔径（NA）来升迁光刻别离率，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，该光刻机的时间革命是在镜头与硅片之间引入去离子水当作介质，使得投影物镜的NA最高达到1.35，再结合多重图形等时间可收场7nm的制程节点。为了进一步减小光源波长，升迁光刻别离率，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年插足工业化出产，绚丽着光刻时间的又一紧要扯后腿。咫尺，仅有ASML公司大概出产EUV光刻机，该类光刻机最高大概接济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“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，其研发历程不仅时间难度极高，还面对着多方面的挑战。时间方面，光刻机触及光学、材料科学、机械工程等多规模顶端科技，需跨学科团队执续革命。合作方面，因时间复杂，需多规模科研机构与企业精熟合作，共同处分难题，并开发灵验交流勾通机制。资金方面，从研发到出产，光刻机花样需恒久多半插足。
以EUV光刻机为例，从EUV光刻时间提倡到考究插足工业化出产，商讨东谈主员破耗了30年傍边的时期。20世纪80年代东谈主们启动探索EUV光刻时间，彩娱乐专线并在80年代末初次考据了这项时间的可行性。但由于文静的经济以实时期资本，唯有ASML与其合作伙伴无间奋力于开发可用于工业化量产的EUV光刻机。2010年，ASML拜托了第一台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、电子束计量器具着手供应商HMI等高技术企业的收购，并于2017年拜托了第一台可用于工业化量产的EUV光刻机NXE：3400。咫尺，ASML执续与ZEISS、IMEC、Intel等多家先进科技企业以及群众高出180所高校、科研机构合作推动光刻时间的发展。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。在曩昔的17年中，该公司仅在EUV光刻标的的研发投资就高出了60亿欧元。
光源是光刻机的中枢部件之一。光刻机对光源的使命波长、功率、调遣后果以及寿命等参数均有着严格的要求。以咫尺惟一商用的EUV光刻机为例，该光刻机弃取激光等离子体（LPP）光源，为了得到高调遣后果和长命命，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，其畅通速率可达到80m/s，相当于回应号高铁的速率；先诳骗一束预脉冲激光将高速畅通的锡液滴打成饼状的靶材，然后再诳骗另一束主脉冲激光轰击靶材，将靶材逶迤为等离子体的同期发射出EUV光，这一对脉冲的打靶历程需要在百万分之几秒内完整地配合完成。因此，需要一套精确的测量及铁心系统，大概进行高速、高精度的测量与打靶铁心，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意境，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齐提倡了严苛的要求。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公司起先进的高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舛讹小于0.02nm，相当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。
光刻机的机械系统打算奥秘地和会了相识性与高效力的双重需求。以EUV光刻机为例，工件台的畅通速率可达5m/s，而且工件台和掩模台需要高速同步畅通，同步畅通舛讹的平均值需要小于0.5nm，相当于两架以时速1000km飞翔的飞机，相对位置偏差的平均值铁心在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期内飞速定位至预定位置。
掩模版当作光刻系统图像信息的来源，其制备历程中造成的脏污、刮伤、图形很是等颓势均会编削掩模的光学特色，从而影响成像质料，捏造芯片制品率。由于光刻掩模版制备要求高、工艺难度大且需要把柄光刻时间的发展而更替，恒久的时间蓄积与富裕的研发资金均不成或缺。海外着手的掩模版制造商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，并于同庚启动与IBM、格罗方德半导体、三星集合开发高端掩模版时间，从最初的45nm制程节点发展至咫尺的2nm制程节点。
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涂覆于硅片上的光刻胶与电子器件的性能和良品坦爽接关联，亦然跟着光刻时间的发展而发展的。在从DUV光刻向EUV光刻过渡的历程中，商讨东谈主员遭逢了严峻的挑战，即在相似条目下，光刻胶招揽的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。考虑到进一步升迁EUV光源的功率极具挑战性，为弥补光刻胶对EUV光子的低招揽率，EUV光刻胶需要具有不同于前几代光刻胶的独到性能。经过JSR、Inpria、LamResearch等EUV光刻胶着手供应商的多年执续研发，收场了EUV光刻胶贤慧度与别离率的扯后腿，方使得EUV光刻在2018年进入7nm及以下制程节点的大范围量产。
光刻时间的发展趋势
咫尺，起先进的EUV光刻时间已被应用于2nm制程节点的芯片量产，而且仍在执续优化中。为了束缚靠拢EUV光刻时间的表面别离率极限，并确保光刻机具备可靠的系统性能，还需要无间真切商讨怎么灵验管制升迁光源功率所带来的热效应，同期开发角落粗鄙度更低且能保证特征尺寸精确铁心与细腻黏着力的EUV光刻胶。此外，减少光源里面的碎屑欺侮以延伸会聚镜的使用寿命，以及捏造曝光历程中欺侮物附着在掩模上的概率，亦然现时穷困的商讨课题。
在EUV光刻时间收场量产的同期，很多研发机构也在尝试研发纳米压印以及定向自拼装（DSA）等资本相对较低的下一代光刻时间。针对这些新兴的光刻时间，需要要点商讨新式材料的集成应用、立体图形化工艺的开发，以及以履行应用需求为导向的图形打算。
（作家系中国科学院上海光学精密机械商讨所商讨员）彩娱乐登陆网址
