光刻机，被誉为重大技术装备领域的国之重器，不仅是衡量国家综合国力与科技水平的关键指标，更是国家安全和科技自主可控未来的重要保障。然而，其研制之路异常艰难，挑战重重。近期，工信部发布的《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2024年版）》中，氟化氪与氟化氩光刻机被特别列入电子专用设备的重要位置，这一举措不仅彰显了中国在光刻机自主研发领域的重大进展，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历史演变

集成电路，作为现代科技的核心，已广泛应用于身份证、手机、高铁、飞机等各个领域。随着技术的不断发展，集成电路正向着微细化的方向不断迈进，单个芯片上的晶体管数量已从最初的几十个跃升至几千亿个。而这一切的背后，离不开光刻机的支持。光刻机，作为集成电路制造的核心设备，通过在硅片上构建电路图案，决定了集成电路芯片上电子元件的尺寸和位置。

自1961年以来，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。其中，投影式光刻机以其高精度和适应性，成为了目前的主流。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，是一种复杂的投影系统。光源通过照明系统均匀照明掩模版，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。之后，硅片移动，再进行另一次曝光。

光刻技术的演进，主要围绕提高光刻分辨率展开。从紫外（UV）光刻机到深紫外（DUV）光刻机，再到极紫外（EUV）光刻机，光源波长的不断缩短，极大地推动了集成电路制程节点的进步。目前，仅有ASML公司能够生产EUV光刻机，该类光刻机最高能够支持2nm的制程节点。

光刻技术研发的难点与挑战

光刻机，作为集成电路产业链上的“皇冠上的明珠”，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、机械工程等多领域尖端科技，需要跨学科团队持续创新。合作方面，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。资金方面，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，其研发过程历经30年，涉及多个高科技企业和科研机构的合作。ASML公司通过与ZEISS、IMEC、Intel等先进科技企业以及全球超过180所高校、科研机构的合作，不断推进光刻技术的发展。同时，光刻机的核心部件之一——光源，对工作波长、功率、转换效率以及寿命等参数均有严格要求。EUV光刻机采用激光等离子体（LPP）光源，需要在百万分之几秒内完成双脉冲的打靶过程，对测量及控制系统提出了极高的要求。

此外，光刻机的投影物镜系统、机械系统设计以及掩模版制备等，均面临着严苛的技术挑战。投影物镜系统的波像差需要达到纳米甚至亚纳米量级，机械系统设计需巧妙融合稳定性与高效能，掩模版制备需具备高要求、高难度且需根据光刻技术的发展而更迭。

光刻技术的发展趋势

目前，EUV光刻技术已被应用于2nm制程节点的芯片量产，并仍在持续优化中。为了逼近EUV光刻技术的理论分辨率极限，并确保光刻机具备可靠的系统性能，还需深入研究光源功率的热效应管理、EUV光刻胶的独特性能开发等课题。同时，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也在研发中。

（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）