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光刻机研发的难点在哪里？
发布时间：2024年12月20日 07:24:20 最热 人已围观
简介光刻机是重大技术装备领域的国之重器，是衡量国家综合国力与科技水平的关键指标，关系到国家安全和科技自主可控的未来，但其研制之路异常艰难。...
以下是重写后的内容：
12 月 20 日消息，光刻机作为重大技术装备领域的关键设备，其重要性不言而喻。它不仅是衡量一个国家科技水平和综合国力的重要指标，还直接关系到国家安全和科技自主可控的未来。然而，光刻机的研制之路异常艰难，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。这一举措不仅显示了中国在光刻机自主研发领域取得的重大进展，也引发了公众对光刻机研制难度和挑战的广泛关注。
**光刻机的工作原理与发展历程**
在当今社会，集成电路无处不在，小到身份证、手机，大到高铁、飞机，都离不开集成电路的应用。集成电路自诞生以来，一直朝着微细化的方向发展，单个芯片上的晶体管数量已经从最初的几十个发展到现在的几千亿个。
集成电路制造的关键工序之一就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。
按照曝光方式分类，光刻机可分为接触式、接近式和投影式。接触式和接近式光刻机的极限分辨率停留在微米量级，难以满足日益减小的芯片特征尺寸需求。投影式光刻机是目前的主流，其中最先进的极紫外（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亮放置在掩模台上的掩模版，掩模版上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上，完成一次曝光。之后，工件台移动硅片，进行下一次曝光。
**提高光刻分辨率是光刻机发展的主线**
提高光刻分辨率是光刻机演进的主要方向，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，相继发展出了紫外（UV）光刻机、深紫外（DUV）光刻机和 EUV 光刻机。
UV 光刻机最初采用波长为 436nm 的高压汞灯光源，随着技术的进步，光源波长缩短至 365nm，可支持 250nm 以上制程节点的芯片生产。
之后，光刻技术向 DUV 波段光源发展：1995 年，日本 Nikon 公司首次采用 248nm 波长的氟化氪（KrF）准分子激光器作为光刻机光源，将制程节点推进到 180—130nm；到 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，使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里，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。
**浸没式光刻机的技术创新**
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在于在镜头与硅片之间引入去离子水作为介质，使投影物镜的 NA 最高达到 1.35，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，只有 ASML 公司能够生产 EUV 光刻机，该类光刻机最高可支持 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、机械工程等多个领域的尖端科技，需要跨学科团队持续创新。
合作方面，由于技术复杂，需要多领域科研机构与企业紧密合作，共同解决难题，并建立有效的沟通协作机制。
资金方面，从研发到生产，光刻机项目需要长期巨额投入。
以 EUV 光刻机为例，从提出概念到正式投入工业化生产，研究人员花费了 30 年时间。20 世纪 80 年代，人们开始探索 EUV 光刻技术，并在 80 年代末首次验证了其可行性。
**高昂的经济和时间成本**
但由于经济和时间成本过高，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，共同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 亿欧元增加到 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**
光源是光刻机的核心部件之一，对光源的工作波长、功率、转换效率以及寿命等参数都有严格要求。
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
