光刻机看成症结技艺装备鸿沟的国之重器,不仅是揣测一个国度详细国力与科技水平的关节估量,还径直关系到国度安全和科技自主可控的改日。然则,其研制之路却特殊发愤,充满了重重挑战。近期,工业和信息化部发布的《首台(套)症结技艺装备实施应用疏导目次(2024年版)》中,尽头将氟化氪光刻机与氟化氩光刻机列入了电子专用征战的进军位置,这一举措不仅体现了中国在光刻机自主研发鸿沟取得的症结浮现,更激勉了公众对光刻机研制难度和挑战的照看。
光刻机的职责旨趣和历史演进
现在社会生存中,集成电路果真无处不在,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,一直向着微弱化的标的发展,单个芯片上的晶体管数目还是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愚弄光刻机在硅片上构建电路图案。光刻经过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,为了餍足集成电路制造的需求,东说念主们研发出了多种类型的光刻机。按照曝光表情来分,光刻机不错分为斗殴式、接近式和投影式。斗殴式和接近式光刻机的极限隔离率均停留在微米量级,难以餍足日益减小的芯片特征尺寸的需求。投影式光刻机是目下的主流光刻机,现在首先进的极紫外(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、环境限度系统等。这类光刻机本色上是一种复杂的投影系统:光源通过照明系统均匀照明抛弃在掩模台上的掩模版,掩模版上制作有事先筹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,工件台迁移硅片,再进行另一次曝光。
擢升光刻隔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逾越。辩论东说念主员通过接纳更短波长的光源来擢升投影式光刻机的隔离率,按序发展出了紫外(UV)光刻机、深紫外(DUV)光刻机和EUV光刻机。
UV光刻机最早接纳波长为436nm的高压汞灯光源,跟着技艺的进一步发展,光源波长裁减至365nm,不错撑捏250nm以上制程节点的芯片坐褥。之后,光刻技艺启动向DUV波段光源发展:1995年,日本Nikon公司初度接纳了248nm波长的氟化氪(KrF)准分子激光器看成光刻机光源,该类光刻机将制程节点鼓吹到180—130nm;到了1999年,Nikon、ASML和Canon等主要光刻征战制造商推出了接纳193nm波长的氟化氩(ArF)准分子激光器看成光源的光刻机,这使得制程节点进一步放松至130—65nm。在193nm光源看成主流光刻机光源的很长一段时间内,各光刻征战制造商主要通过增大投影物镜的数值孔径(NA)来擢升光刻隔离率,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,该光刻机的技艺更动是在镜头与硅片之间引入去离子水看成介质,使得投影物镜的NA最高达到1.35,再勾搭多重图形等技艺可已毕7nm的制程节点。为了进一步减小光源波长,擢升光刻隔离率,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年参加工业化坐褥,象征着光刻技艺的又一症结冲破。目下,仅有ASML公司大致坐褥EUV光刻机,该类光刻机最高大致撑捏2nm的制程节点。
光刻技艺研发的难点与挑战
光刻机,被誉为集成电路产业链上的“王冠上的明珠”,是东说念主类迄今为止所能制造的最精密装备之一,其研发经过不仅技艺难度极高,还靠近着多方面的挑战。技艺方面,光刻机波及光学、材料科学、机械工程等多鸿沟顶端科技,需跨学科团队捏续更动。合作方面,因技艺复杂,需多鸿沟科研机构与企业精致合作,共同搞定困难,并诞生灵验调换互助机制。资金方面,从研发到坐褥,光刻机技俩需永久大齐参加。
以EUV光刻机为例,从EUV光刻技艺提议到负责参加工业化坐褥,辩论东说念主员破耗了30年傍边的时间。20世纪80年代东说念主们启动探索EUV光刻技艺,并在80年代末初度考据了这项技艺的可行性。但由于腾贵的经济以实时间老本,惟有ASML与其合作伙伴连续奋勉于开发可用于工业化量产的EUV光刻机。2010年,ASML寄托了第一台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、电子束计量用具启程点供应商HMI等高技术企业的收购,并于2017年寄托了第一台可用于工业化量产的EUV光刻机NXE:3400。目下,ASML捏续与ZEISS、IMEC、Intel等多家先进科技企业以及大师卓越180所高校、科研机构合作鼓吹光刻技艺的发展。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。在昔时的17年中,该公司仅在EUV光刻标的的研发投资就卓越了60亿欧元。
光源是光刻机的中枢部件之一。光刻机对光源的职责波长、功率、颐养效果以及寿命等参数均有着严格的要求。以目下独一商用的EUV光刻机为例,该光刻机接纳激光等离子体(LPP)光源,为了获取高颐养效果和龟龄命,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,其瓦解速率可达到80m/s,极度于恢复号高铁的速率;先愚弄一束预脉冲激光将高速瓦解的锡液滴打成饼状的靶材,然后再愚弄另一束主脉冲激光轰击靶材,将靶材转机为等离子体的同期辐射出EUV光,这一对脉冲的打靶经过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限度系统,大致进行高速、高精度的测量与打靶限度,方可餍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至亚纳米量级,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议了严苛的要求。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公司首先进的高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过失小于0.02nm,极度于在中国国土面积内仅有东说念主类头发丝直径大小的高度升沉。
光刻机的机械系统筹算玄机地会通了矫捷性与高效力的双重需求。以EUV光刻机为例,工件台的瓦解速率可达5m/s,况兼工件台和掩模台需要高速同步瓦解,同步瓦解过失的平均值需要小于0.5nm,极度于两架以时速1000km航行的飞机,相对位置偏差的平均值限度在0.03μm(东说念主类头发丝直径的几千分之一)以内。工件台还需具备惊东说念主的加快度——达到7倍重力加快度(7g),这一性能确保了硅片能在极短时间内赶快定位至预定位置。
掩模版看成光刻系统图像信息的着手,其制备经过中酿成的脏污、刮伤、图形特殊等流毒均会改革掩模的光学特质,从而影响成像质料,诽谤芯片制品率。由于光刻掩模版制备要求高、工艺难度大且需要字据光刻技艺的发展而更替,永久的技艺麇集与填塞的研发资金均不成或缺。海出门发点的掩模版制造商Toppan一直奋勉于掩模版业务,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、三星鸠合开发高端掩模版技艺,从最初的45nm制程节点发展至目下的2nm制程节点。
涂覆于硅片上的光刻胶与电子器件的性能和良品梗直接干系,亦然跟着光刻技艺的发展而发展的。在从DUV光刻向EUV光刻过渡的经过中,辩论东说念主员遭受了严峻的挑战,即在相似条款下,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,要么发明更聪慧的光刻胶。筹商到进一步擢升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私有性能。经过JSR、Inpria、LamResearch等EUV光刻胶启程点供应商的多年捏续研发,已毕了EUV光刻胶聪慧度与隔离率的冲破,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。
光刻技艺的发展趋势
目下,首先进的EUV光刻技艺已被应用于2nm制程节点的芯片量产,况兼仍在捏续优化中。为了束缚迫临EUV光刻技艺的表面隔离率极限,并确保光刻机具备可靠的系统性能,还需要连续深刻辩论若何灵验管束擢升光源功率所带来的热效应,同期开发角落直快度更低且能保证特征尺寸精确限度与讲求黏着力的EUV光刻胶。此外,减少光源里面的碎屑沾污以延迟麇集镜的使用寿命,以及诽谤曝光经过中沾秽物附着在掩模上的概率,亦然刻下进军的辩论课题。
在EUV光刻技艺已毕量产的同期,好多研发机构也在尝试研发纳米压印以及定向自拼装(DSA)等老本相对较低的下一代光刻技艺。针对这些新兴的光刻技艺,需要要点辩论新式材料的集成应用、立体图形化工艺的开发,以及以推行应用需求为导向的图形筹算。
(作家系中国科学院上海光学精密机械辩论所辩论员)