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光刻机研制为什么难
光刻机作为重大技术装备领域的国之重器，不仅是衡量一个国家综合国力与科技水平的关键指标，还直接关系到国家安全和科技自主可控的未来。然而，其研制之路却异常艰难，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，这一举措不仅体现了中国在光刻机自主研发领域取得的重大进展，更引发了公众对光刻机研制难度和挑战的关注。
光刻机的工作原理和历史演进
当今社会生活中，集成电路几乎无处不在，小到身份证、手机，大到高铁、飞机，都离不开集成电路。集成电路自诞生至今，一直向着微细化的方向发展，单个芯片上的晶体管数量已经由最初的几十个发展到现在的几千亿个。
集成电路制造的核心工序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。按照曝光方式来分，光刻机可以分为接触式、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。投影式光刻机是目前的主流光刻机，当今最先进的极紫外（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明放置在掩模台上的掩模版，掩模版上制作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，完成一次曝光。之后，工件台移动硅片，再进行另一次曝光。
提高光刻分辨率是光刻机演进的主线，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，依次发展出了紫外（UV）光刻机、深紫外（DUV）光刻机和EUV光刻机。
UV光刻机最早采用波长为436nm的高压汞灯光源，随着技术的进一步发展，光源波长缩短至365nm，可以支持250nm以上制程节点的芯片生产。之后，光刻技术开始向DUV波段光源发展：1995年，日本Nikon公司首次采用了248nm波长的氟化氪（KrF）准分子激光器作为光刻机光源，该类光刻机将制程节点推进到180—130nm；到了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，这使得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）来提高光刻分辨率，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，该光刻机的技术创新是在镜头与硅片之间引入去离子水作为介质，使得投影物镜的NA最高达到1.35，再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，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。