光刻机，作为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标志，对国家安全及科技自主可控的未来具有深远影响。工业和信息化部近期发布的《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2024年版）》中，氟化氪与氟化氩光刻机被置于电子专用设备的重要位置，彰显了中国在光刻机自主研发上的显著进步，也引发了公众对光刻机研制难度的广泛关注。

光刻机的工作原理与历史沿革

集成电路已成为现代生活不可或缺的一部分，无论是身份证、手机，还是高铁、飞机，均离不开其支持。自集成电路诞生以来，其发展方向始终向着微细化，单个芯片上的晶体管数量已从最初的几十个跃升至当前的几千亿个。

集成电路制造的核心环节是利用光刻机在硅片上构建电路图案，这一过程决定了芯片上电子元件的尺寸与位置。自1961年以来，为了满足集成电路制造的需求，多种类型的光刻机应运而生。按曝光方式分类，光刻机可分为接触式、接近式和投影式。其中，投影式光刻机是当前的主流，最先进的极紫外（EUV）光刻机即属于此类。

投影式光刻机由光源、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、环境控制系统等多个分系统组成。其工作原理是：光源通过照明系统均匀照亮掩模台上的掩模版，掩模版上的集成电路图案通过投影物镜系统投影到硅片上，完成一次曝光后，工件台移动硅片进行下一次曝光。

光刻机演进的主线是不断提高光刻分辨率，从而推动集成电路制程节点的进步。随着更短波长光源的采用，依次发展出了紫外（UV）、深紫外（DUV）和EUV光刻机。

UV光刻机最初采用波长为436nm的高压汞灯光源，后缩短至365nm，可支持250nm以上制程节点的芯片生产。随后，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；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，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长时间内，各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0.93。直到2004年，ASML推出首款商用浸没式光刻机，通过在镜头与硅片间引入去离子水作为介质，使NA最高达到1.35，结合多重图形等技术可实现7nm制程节点。2017年，光源波长为13.5nm的EUV光刻机投入工业化生产，标志着光刻技术的又一重大突破，目前仅ASML公司能生产EUV光刻机，最高支持2nm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”，是人类迄今所能制造的最精密装备之一，其研发过程技术难度极高，面临多方面的挑战。技术层面，光刻机涉及光学、材料科学、机械工程等多领域尖端科技，需跨学科团队持续创新。合作层面，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，建立有效沟通协作机制。资金层面，从研发到生产，光刻机项目需长期巨额投入。

以EUV光刻机为例，从提出到正式投入工业化生产，研究人员花费了约30年时间。20世纪80年代开始探索EUV光刻技术，80年代末首次验证可行性。但由于高昂的经济和时间成本，仅ASML及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交付第一台EUV光刻机原型机。2012年至2016年，ASML先后完成对先进光源制造商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、科研机构合作推进光刻技术发展。据2023年ASML财务年报，该公司研发投资从2022年的33亿欧元增至2023年的40亿欧元，过去17年在EUV光刻方向的研发投资超过60亿欧元。

光源是光刻机的核心部件之一，对波长、功率、转换效率、寿命等参数有严格要求。以目前唯一商用的EUV光刻机为例，采用激光等离子体（LPP）光源，需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，运动速度达80m/s；利用预脉冲激光将锡液滴打成饼状靶材，再用主脉冲激光轰击靶材，放射出EUV光，双脉冲打靶过程需在百万分之几秒内完美配合完成，需一套精准的测量及控制系统，满足工业化量产需求。

光刻机的投影物镜系统是成像光学的最高境界，波像差需达到纳米甚至亚纳米量级，对镜片级加工与检测、系统级检测与装调等提出严苛要求。以EUV光刻机为例，为确保成像性能，投影物镜镜面需以极高精度加工：ASML公司最先进的高NA EUV光刻投影物镜系统中，口径1.2m的反射镜表面需加工到面形均方根误差小于0.02nm，相当于在中国国土面积内仅有人类头发丝直径大小的高度起伏。

光刻机的机械系统设计巧妙融合了稳定性与高效能的双重需求。以EUV光刻机为例，工件台运动速度可达5m/s，工件台和掩模台需高速同步运动，同步运动误差平均值需小于0.5nm，相当于两架以时速1000km飞行的飞机，相对位置偏差平均值控制在0.03μm（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），确保硅片在极短时间内迅速定位至预定位置。

掩模版作为光刻系统图像信息的来源，制备过程中形成的脏污、刮伤、图形异常等缺陷会改变掩模的光学特性，影响成像质量，降低芯片成品率。由于制备要求高、工艺难度大且需随光刻技术发展而更迭，长期技术积累与充足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，2005年收购杜邦光掩模公司，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45nm制程节点发展至2nm制程节点。

涂覆于硅片上的光刻胶与电子器件性能和良品率直接相关，随光刻技术发展而发展。从DUV光刻向EUV光刻过渡过程中，研究人员面临严峻挑战：相同条件下，光刻胶吸收的EUV光子数量仅为DUV193nm波长的1/14。这就要求要么创造极强EUV光源，要么发明更灵敏的光刻胶。考虑到进一步提高EUV光源功率极具挑战性，为弥补光刻胶对EUV光子的低吸收率，EUV光刻胶需具有独特性能。经过JSR、Inpria、LamResearch等EUV光刻胶领先供应商的多年持续研发，实现了EUV光刻胶灵敏度与分辨率的突破，使EUV光刻在2018年进入7nm及以下制程节点的大规模量产。

光刻技术的发展趋势

目前，最先进的EUV光刻技术已被应用于2nm制程节点的芯片量产，并持续优化。为逼近EUV光刻技术的理论分辨率极限，确保光刻机具备可靠系统性能，需继续深入研究如何有效管理提高光源功率带来的热效应，同时开发边缘粗糙度更低、能保证特征尺寸精确控制与良好附着力的EUV光刻胶。此外，减少光源内部碎片污染以延长收集镜使用寿命，降低曝光过程中污染物附着在掩模上的概率，也是当前重要研究课题。

在EUV光刻技术实现量产的同时，许多研发机构也在尝试研发纳米压印以及定向自组装（DSA）等成本相对较低的下一代光刻技术。针对这些新兴技术，需重点研究新型材料的集成应用、立体图形化工艺的开发，以及以实际应用需求为导向的图形设计。

（作者系中国科学院上海光学精密机械研究所研究员，文章来源：学习时报）