光刻機發(fā)展探析

半導體制造光刻機發(fā)展探析摘要半導體制造中的光刻機技術發(fā)展歷程是一個充滿挑戰(zhàn)和創(chuàng)新的故事。光刻機作為集成電路制造的核心設備，其技術進步直接關系到芯片制造的精度和性能。從最初的接觸式光刻機到現(xiàn)在的極紫外光（EUV）光刻技術，光刻機的發(fā)展經歷了多個階段，不斷推動著摩爾定律的實現(xiàn)和信息技術的發(fā)展。關鍵詞：半導體制造；光刻機；發(fā)展；紫極外光源

目錄TOC\o"1-3"\h\u29270引言 156711、光刻機的介紹 1128142、光刻機專利的發(fā)展 2324382.1接觸式光刻機專利發(fā)展 3215842.2接近式光刻機專利發(fā)展 327492.3光學光刻機專利發(fā)展 4173992.4EUV光刻機專利發(fā)展 5154183、極紫外光源光刻 6315663.1背景 6193093.2極紫外光源 7256463.3等離子體 11110023.4現(xiàn)狀與挑戰(zhàn) 12240915、中國目前光刻機研究進程和獨立自主生產光刻機面臨的困境 13159016、結束語 1416918參考文獻 14引言光刻機是半導體制造過程中的關鍵設備，它的作用是在硅片表面形成微小的圖案，這些圖案是構成半導體器件的基礎。隨著半導體器件尺寸的不斷減小，光刻機的技術也在不斷進步，已經成為半導體產業(yè)的核心技術之一。在過去的幾十年中，光刻機技術經歷了多次革命性的變革。最初的光刻機使用紫外光作為曝光光源，能夠制造出的最小圖案尺寸大約為1微米。隨著半導體器件尺寸的不斷減小，紫外光光刻機已經無法滿足制造需求，因此出現(xiàn)了使用極紫外光和電子束的光刻機。這些新型光刻機能夠制造出的最小圖案尺寸已經達到了幾個納米級別，使得半導體器件的性能得到了極大的提升。光刻機的制造和維護需要高度的技術水平和專業(yè)的團隊。光刻機的制造涉及到許多高精度的部件和復雜的系統(tǒng)，需要精密的加工和裝配。同時，光刻機的維護也需要專業(yè)的技術人員進行，因為光刻機的運行需要高度的穩(wěn)定性和可靠性。光刻機技術的發(fā)展對于半導體產業(yè)的發(fā)展至關重要。光刻機技術的進步使得半導體器件的性能得到了極大的提升，推動了半導體產業(yè)的快速發(fā)展。未來，隨著光刻機技術的進一步發(fā)展，半導體器件的性能將會得到更高的提升，也將進一步推動半導體產業(yè)的發(fā)展。1、光刻機的介紹光刻機是一種在微電子制造過程中使用的精密設備，主要用于將電路圖案從掩膜（mask）轉移到硅片上。它是半導體產業(yè)中不可或缺的核心設備之一，對于生產高性能、高集成度的集成電路（IC）至關重要。光刻機的主要組成部分包括光源、掩膜、投影系統(tǒng)、硅片傳輸系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。其中，光源是產生光線的裝置，掩膜上刻有電路圖案，投影系統(tǒng)負責將掩膜上的圖案精確地投影到硅片上，硅片傳輸系統(tǒng)負責將硅片精確地定位和傳輸，控制系統(tǒng)則負責協(xié)調各個部分的工作。光刻機的工作原理是利用光學原理，將掩膜上的圖案通過光線投影到硅片上，再通過化學或物理方法將圖案轉移到硅片上。具體來說，光刻機首先將掩膜放置在光源和硅片之間，然后通過光源產生的光線穿過掩膜，將掩膜上的圖案投影到硅片上。接著，光刻機會在硅片上涂覆一層光敏材料，稱為光刻膠。光刻膠在光線的照射下會發(fā)生化學變化，經過顯影、定影等處理，最終將掩膜上的圖案轉移到硅片上。光刻機的技術指標包括分辨率、套刻精度、曝光速度和硅片尺寸等。分辨率是指光刻機能夠分辨的最小圖案尺寸，套刻精度是指在不同層次的光刻過程中，各個層次之間的對準精度。曝光速度是指完成一次曝光所需的時間，硅片尺寸則是指光刻機能夠處理的硅片大小。光刻機的應用范圍非常廣泛，包括集成電路、光電子器件、MEMS（微機電系統(tǒng)）等領域。隨著科技的不斷發(fā)展，光刻機的技術也在不斷進步，目前已經能夠實現(xiàn)7nm甚至更小尺寸的電路制造。光刻機的研發(fā)和制造是半導體產業(yè)中的重要環(huán)節(jié)，也是衡量一個國家半導體產業(yè)發(fā)展水平的重要指標之一。2、光刻機專利的發(fā)展光刻機作為制造芯片的關鍵設備，其技術進步直接關系到芯片的制程水平和性能。在光刻機的發(fā)展過程中，光源的選擇和使用是一個關鍵因素。例如，最初的光刻機使用的是波長為436nm的g-Line光源，隨后發(fā)展到使用波長為365nm的汞燈光源。這些技術的發(fā)展提高了芯片制造的精度，使得晶體管的大小不斷縮小。極紫外光（EUV）光刻技術是目前最先進的技術，它使用波長為13.5nm的光源，能夠制造出3nm精度的芯片。這種技術的發(fā)展展現(xiàn)了人類對于技術和極致的追求。極紫外光光刻技術的專利申請自1998年以來呈現(xiàn)穩(wěn)定增長的趨勢，其中阿斯麥（ASML）、蔡司和尼康是該領域內專利申請的主要擁有者。從全球專利布局來看，日本、美國、韓國和中國是相關專利布局最多的國家。這些國家的市場活躍度、研發(fā)熱度以及產業(yè)布局成本和收益都是專利布局時需要考慮的因素。在前沿光刻技術領域，中國企業(yè)的研究起步較晚，專利申請數量相對較少，但近年來也在逐步增長。圖1（網絡版彩圖）不同光刻原理示意圖2.1接觸式光刻機專利發(fā)展按照曝光方式進行劃分，光刻機可以分為接觸式、接近式和投影式[6].早期的光刻機主要是接觸式光刻機和接近式光刻機。1961年，美國GCA公司推出了第1臺接觸式光刻機，拉開了光刻設備生產的序幕。接觸式光刻技術是小規(guī)模集成電路時期主要使用的光刻技術，通過控制掩模版和晶圓之間的真空度，實現(xiàn)二者的緊密接觸，并且一次性曝光整個襯底，如圖1（a）所示。接觸式光刻能夠有效減少光的衍射效應，但是會導致掩模版與晶圓上的光刻膠直接接觸，容易受到污染，且二者間的摩擦也會導致掩模版的使用壽命顯著降低、晶圓良率受到限制[1]。2.2接近式光刻機專利發(fā)展為了解決接觸式光刻帶來的問題，20世紀70年代集成電路制造產業(yè)廣泛應用接近式光刻技術，掩模版與晶圓之間并未實現(xiàn)緊密接觸，而是存在一層被氮氣填充的間隙，使得掩模版不再容易受到損傷，如圖1(b)所示。對于接近式曝光，其最小分辨尺寸與間隙成正比，間隙越小，最小分辨尺寸越小，分辨率也就越高。但是，接近式光刻的主要缺點在于掩模版和晶圓之間的間隙會導致光產生衍射效應，影響最終曝光的成像質量，因此接近式光刻機的分辨率要略低于接觸式光刻機。但是，接觸式/接近式光刻機的極限分辨率均停留在微米級，難以滿足日益減小的特征尺寸需求。2.3光學光刻機專利發(fā)展1973年，美國的PerkinElmer公司推出了世界上首臺投影式光刻機Micralign100，分辨率為2μm，且投影式光刻下的對稱光路設計可以消除球面鏡產生的大部分像差，讓芯片生產的良率從10%提升到了70%。早期的投影式光刻機為掃描投影曝光，投影成像比例為1:1，通過一次掃描過程完成整個硅片的曝光，屬于逐片曝光的方式.由于晶圓尺寸每隔幾年就會增加，因此這種逐片曝光的方式持續(xù)存在的問題是設計能夠在越來越大的區(qū)域上形成精確圖像的光學器件，且1:1的投影成像比例使得更加精細的掩模版制作難度顯著提升[2]。為了滿足芯片生產的更高要求，1978年，美國GCA公司推出了世界上第1臺步進重復式光刻機，硅片表面上存在若干個曝光場，每個曝光場完成曝光后，硅片臺進行步進運動，使得下一個曝光場得以繼續(xù)曝光.該光刻機的投影成像比例為10:1，開啟了光刻機縮小倍率成像的時代，并經過幾十年的發(fā)展，形成了現(xiàn)在廣泛使用的4:1投影成像比例.步進重復式光刻機基本能夠滿足0.25μm以上線寬制程的工藝要求，目前仍然應用在芯片非關鍵層、封裝等精度要求相對較低的領域.當集成電路工藝制程達到0.25μm后，由于較大視場成像的局限性以及對高分辨率、低像差和低畸變的需求，步進掃描式光刻機逐步引入并取代步進重復式光刻機.1990年，美國SVGL公司推出世界上首臺步進掃描式光刻機MicrascanI[3]。光刻機設備的上述發(fā)展路線總結如圖2所示。圖2(網絡版彩圖)國際上光刻機發(fā)展歷程1990年至今的三十余年間，集成電路制造工藝水平發(fā)生了翻天覆地的變化，為了滿足先進制程的各項要求、市場需求的不斷擴大，更加高效地制造出具有更小線寬的高端集成電路，光刻機也經歷了眾多技術上的重大革新，分辨率的不斷提高和產率的不斷提升，也成為光刻機不斷演進的主線。2.4EUV光刻機專利發(fā)展最早期的光刻機采用汞燈產生的紫外光源(ultraviolet，UV)，如g線(波長436nm)、i線(波長365nm)光源，能夠應用于250nm以上的制程節(jié)點.隨后，光刻機使用的光源從紫外光向波長更短的深紫外光(deepultraviolet，DUV)邁進，1995年日本Nikon公司推出其首臺步進掃描式光刻機NSRS201，首次在光刻機上使用波長248nm的KrF光源，分辨率達到250nm.此后，KrF光源的光刻機不斷將制程節(jié)點推進到180～130nm，目前日本Canon公司最先進的KrF光源光刻機甚至可以實現(xiàn)90nm制程.1999年前后，Nikon，ASML，Canon，SVG等公司均開始推出采用波長193nm的ArF光源的光刻機，并最終使得制程節(jié)點達到130～65nm[4]。在此之后的很長一段時間，光源的波長一直基本停滯在193nm的水平，提升光刻分辨率的主要方式為改良投影物鏡，進而提升數值孔徑NA.為了進一步提升光刻分辨率，DUV光刻技術也逐漸演化成兩條發(fā)展方向，一是以Nikon為代表的使用波長更短的F2準分子光源(157nm)，但由于材料兼容性、技術成熟度和成本效益的限制，這種方案最終走向衰落;另一種方案是ASML采用的最早由臺積電林本堅博士提出的浸沒式構想，在投影物鏡的最后一片透鏡與硅片之間填充去離子水，由于去離子水的折射率為1.436，原本波長193nm的光經過折射后的等效波長即為134nm，不僅小于F2準分子光源的157nm，也更容易集成到已有的制造工藝中，有著巨大的應用前景.值得一提的是，浸沒式光刻構想產生的年代，IBM公司也曾探索使用X-ray光刻技術，其雖然理論上能夠達到更高的分辨率，但是由于光源穩(wěn)定性、掩模技術的復雜性，以及高昂的整機成本，最終并未內在商業(yè)應用中取得主導地位。2004年，ASML推出首臺商用浸沒式光刻機TWINSCANXT1250i，并從浸沒式光刻機開始，至今一直占據著中高端的光刻機市場.伴隨著投影物鏡的不斷改進，浸沒式光刻機目前數值孔徑最高可達1.35，能夠實現(xiàn)低于38nm的分辨率，結合多重圖形技術甚至能夠實現(xiàn)7nm制程集成電路的量產.此處提到的多重圖形(multiplepatterning)技術，對光刻工藝實現(xiàn)更小線寬起到重要作用，例如光刻–刻蝕–光刻–刻蝕(litho-etch-litho-etch，LELE)技術，通過將光刻圖形拆分到兩個光掩模上，通過兩次曝光降低線寬，在此基礎上還發(fā)展出3次曝光的LELELE技術[5]。在DUV光源的基礎上，經過20多年的研發(fā)和探索，波長為13.5nm的極紫外光(extremeultraviolet，EUV)成功應用于光刻領域，是目前最為先進的光刻機光源.如今，ASML是唯一一家能夠生產EUV光刻機的廠商，從2010年第1代樣機NXE:3100，到2013年第1臺商業(yè)化產品NXE:3300B，再到如今最先進的適用于3nm制程的NXE:3600D，EUV光刻機為摩爾定律的延續(xù)提供了重要支撐，使得半導體行業(yè)能夠繼續(xù)朝著更高的集成度和性能發(fā)展。3、極紫外光源光刻3.1背景從光源發(fā)展情況來看，光刻機經過了五次波長迭代。從最初紫外波段的高壓放電汞燈g-line（436nm）到i-line（365nm），再發(fā)展到深紫外波段的準分子激光器KrF（248nm）以及ArF（193nm），目前最先進的極紫外光刻機采用13.5nm（2%帶寬）的極紫外光（EUV），其光源波長縮小到了g-line的1/30。此外，非球面鏡頭制造能力的提升也在不斷刷新數值孔徑的極限，g-line光刻機誕生之初數值孔徑NA只有0.28，而目前荷蘭阿斯麥（ASML）公司最先進的干式深紫外（DUV）光刻機NXT：1470搭載的投影物鏡NA已經達到了0.93。Lin提出浸沒式光刻的概念后，ASML公司通過在透鏡和光刻膠中間填入去離子水，利用去離子水折射率比空氣高的特性，制作了等效NA為1.35的浸沒式光刻機，該系列目前最先進的機型NXT：2050i每小時可曝光295片300mm的晶圓。EUV光刻機的光源處在極紫外光波段，只能依靠反射鏡設計，NA有所降低，ASML公司目前最先進機型NXE3600D的NA為0.33，未來計劃將NA提升到0.55[6]。臺灣積體電路制造股份有限公司（簡稱臺積電公司，TSMC）和三星公司（Samsung）在7nm的技術節(jié)點引入了極紫外光刻（EUVL），三星公司通過對比單次EUV曝光和DUV浸沒式多次曝光發(fā)現(xiàn)，前者在成像質量、設計難度、良率和成本各方面均優(yōu)于后者，這也標志著先進半導體制程正式進入EUVL時代。此外，TSMC和三星公司已實現(xiàn)了5nm半導體制程量產，且均使用了EUVL。如海思半導體的麒麟（Kirin）9000系列芯片以及蘋果公司M1芯片和A15仿生芯片均采用了臺積電公司的5nm工藝，高通公司的驍龍（Snapdragon）888則采用了三星公司的5nm工藝。EUV光刻機已成為半導體大規(guī)模量產和工業(yè)化不可或缺的設備，也是未來工藝制程延續(xù)的保障。EUV光刻機最關鍵的六大分系統(tǒng)為EUV光源、照明系統(tǒng)、投影物鏡、掩模臺、雙工件臺、對準套刻系統(tǒng)，EUV光源是其中最為核心的分系統(tǒng)，也是EUV光刻機實現(xiàn)穩(wěn)定運行的最大難點。因此，本文結合國內外眾多機構的研究結果對EUV光源的發(fā)展現(xiàn)狀進行歸納總結，同時結合產業(yè)趨勢對EUV光源的發(fā)展趨勢進行預測。3.2極紫外光源目前商用EUV光刻機采用13.5nm的EUV光源，為了滿足大規(guī)模量產的需求，其光源系統(tǒng)應具有輸出功率高且穩(wěn)定、轉換效率高、污染低、維護成本低等性能。以ASML公司的商業(yè)化光源為例，其平均功率可達到250W，轉換效率為5.5%~6%，收集鏡的反射率衰減每十億發(fā)脈沖小于0.05%，系統(tǒng)可用性高于85%，可實現(xiàn)每天穩(wěn)定高于2500片300mm晶圓的產量［10］。曾被考慮用來產生EUV光源的主流方案有同步輻射光源、自由電子激光器（FEL）、激光等離子體（LPP）、放電等離子體（DPP）和激光輔助放電等離子體（LDP）。ASML公司收購美國光源公司CYMER后，LPP成為了其選擇的技術路線。作為全球唯一的EUV光刻機生產商，ASML基于LPP原理生產的NXE3600D搭載了功率為250W的EUV光源[7]。此外，日本的光源公司Gigaphoton基于不同的LPP原理也制造出了功率為250W的EUV光源。LPP極紫外光源的運行原理是通過高強度激光與靶材的相互作用，使靶材吸收層被加熱氣化并產生等離子體，由于逆軔致吸收（IBA）等離子體持續(xù)被加熱，同時釋放出超寬光譜輻射。在熱平衡狀態(tài)下，可通過黑體輻射理論解釋特定波長和溫度之間的關系，產生EUV光刻所需中心波長λmax處于13.5nm附近的溫度Te（單位為eV）可以通過維恩位移定律（Wien’sdisplacementlaw）計算，約為20eV（太陽表面溫度的40倍）［17］。中心波長可表示為：λmax≈250/Te。（1）對比Te的理論數值與實際數值發(fā)現(xiàn)，二者之間存在較大的差距。實驗中Te的溫度范圍為30~100eV。Rollinger對該現(xiàn)象進行了解釋，Poirier等根據典型EUV等離子體參數獲得的閾值電子密度和臨界電子密度不一致，也表明在等離子體羽流的主要部分不滿足局部熱平衡。在非局部熱平衡狀態(tài)下，除了電子碰撞，其他過程也非常重要，如碰撞輻射體系，這也是動力學溫度并不等于輻射普朗克溫度的原因。ASML公司商用化的EUV光刻機光源采用了雙脈沖激發(fā)方案。其作用過程可以分為4步：1）錫液滴產生器將大小適宜且高速穩(wěn)定的錫液滴供給作用區(qū)域；2）預脈沖激光精準轟擊迅速通過的錫液滴，使其擴散成適宜的形狀分布；3）主脈沖激光轟擊，通過激光激發(fā)等離子體物理機制產生極紫外光；4）產生的極紫外光被收集鏡收集，經過光譜純化傳輸至光刻系統(tǒng)以曝光晶圓。ASML公司的NXE3400C機型搭載平均功率為250W的EUV光源，晶圓廠每臺機器在20mJ/cm2曝光劑量下能實現(xiàn)每小時170片300mm晶圓的產量。借助NXE3600D光刻機，ASML公司使每臺機器在30mJ/cm2曝光劑量下能實現(xiàn)每小時160片300mm晶圓的產量，且在實驗室實現(xiàn)了平均功率為420W的閉環(huán)控制，瞬時平均功率甚至能達到530W[8]。光刻光源在光刻系統(tǒng)接口處（IF）的功率可表示為PEUV∝Plaser×XCE×T×(1-XDose)，（2）式中，∝為正比符號，PEUV和Plaser分別為產生的極紫外光功率和激發(fā)光功率，XCE為由激發(fā)光產生2πsr范圍內波長為13.5nm（帶寬為2%）極紫外光的轉換效率（CE），T為考慮收集鏡收集角度、反射率、背景氣體透過率、光譜純化效率等參數的整體傳輸效率，1-XDose為滿足特定曝光劑量要求的EUV功率比例。可以發(fā)現(xiàn)，若想提升EUV光源的平均功率，可從提升激發(fā)光功率、提升EUV轉換效率、提升整體傳輸效率以及增強光源功率穩(wěn)定性四個方面入手[9]。目前，極紫外光源（EUV）技術在多個領域具有廣泛的應用前景，包括半導體制造、生物成像、材料科學研究等。隨著技術的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，極紫外光源相關專利的申請和授權數量也在逐漸增長。從專利申請趨勢來看，極紫外光源技術的專利申請量在過去幾年中呈現(xiàn)出穩(wěn)定的增長態(tài)勢。這表明越來越多的研發(fā)團隊和企業(yè)開始關注并投入到這一領域的研究與開發(fā)中。從專利申請人來看，主要申請人包括一些知名企業(yè)和研究機構，如三星、臺積電、ASML等。這些申請人在極紫外光源技術領域具有較強的研發(fā)實力和市場競爭力。從專利技術構成來看，極紫外光源技術主要涉及光源產生、光學系統(tǒng)、光刻機、生物成像等方面。其中，光源產生和光學系統(tǒng)技術是極紫外光源技術中的關鍵環(huán)節(jié)，也是專利申請的熱點?？傮w而言，極紫外光源技術的專利發(fā)展呈現(xiàn)出積極態(tài)勢，預示著該技術在未來的應用前景廣闊。然而，由于極紫外光源技術的高難度和復雜性，專利競爭也將愈發(fā)激烈。因此，相關企業(yè)和研究機構需要不斷加強研發(fā)投入，提高自身專利實力，以在未來的市場競爭中占據有利地位。根據光源的波長，光刻設備分為第一代（436nm）、第二代（365nm）、第三代（248nm）、第四代（193nm）、第五代（13.5nm），其中第三代、第四代均為深紫外光刻機（DUV），第五代為極紫外光刻機（EUV）。EUV光刻設備制造難度高，機構極其復雜，一臺重達數十噸，零部件高達10萬多個，因此研究規(guī)模明顯超越前四代光刻機。圖1：刻設備技術時間趨勢（數據來源：上圖上情所研究整理）圖1顯示了EUV光刻技術國內外專利總體申請趨勢，可見，EUV光刻設備專利技術（藍色）起步于1986年，1997年以前，發(fā)展較為緩慢。EUV光刻技術的研發(fā)始于1986年日本電信電話公司（NTT）首先報道EUV光刻曝光成果。1987年蘇聯(lián)的列別捷夫物理研究所和1988年美國AT&T的Bell實驗室分別獨立報道了其研究成果。從此以后，世界各國的科學家在各種項目的資助下開展了一系列研究。1997年后，EUV光刻設備技術進入快速增長期。1997年，Intel、IBM等聯(lián)合美國三大國家實驗室（桑迪亞國家實驗室、勞倫斯·伯克利國家實驗室、勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室）及其他設備、材料等研發(fā)機構成立EUV有限責任公司（EUVlimitedliabilitycompany,EUVLLC），開展綜合的上下游、產學研結合的EUV光刻技術研究，并于2003年成現(xiàn)代光刻機原型——EngineeringTestStand（ETS）系統(tǒng)。1998年，ASML與Zeiss、牛津儀器等公司合作進行EUV光刻關鍵技術研究。ASML在充分利用歐洲和美國研發(fā)成果的基礎上，于2006年推出商用測試機AlphaDemoToo（ADT）。2003年專利族數量出現(xiàn)一個小高峰。日本為了開發(fā)光源技術及曝光裝置技術，2001年設立了EUVA，同年成立以大阪大學為中心的LeadingProject，與EUVA密切配合進行研究。Nikon在2003年研制了小型曝光裝置HiNA，并于2005年報道其曝光線條，在2008-2009年在Selete安裝一臺曝光裝置，但于2013年基本退出EUV光刻市場。2012年之后總體呈現(xiàn)穩(wěn)定緩慢增長態(tài)勢。2012年臺積電、Intel、三星三家IC制造巨頭投資ASML進行聯(lián)合研發(fā)，三家同時獲得EUV光刻機的優(yōu)先獲取權。2013和2016年，ASML先后向臺積電發(fā)貨第三代和第四代機型NXE:3300B和3350B，逐漸受到業(yè)界的認可。中國的EUV光刻設備技術萌芽較晚，首件相關專利于1998年來自國外來華專利申請。由圖可知，在2010年之前國外來華申請相較于國內申請量具有較大優(yōu)勢，國外來華申請在2011-2018年的申請量處于平穩(wěn)狀態(tài)。受2008年國務院批準實施“02專項”推動，中國本土技術發(fā)展從2008年開始明顯增長，在2013年和2015年超過20件，但之后數量下降，2018年開始重新呈現(xiàn)增長態(tài)勢，并于2021年專利數量超過30件。與此同時，2019年之后，國外來華申請專利數量明顯減少，分析與中美關系惡化相關，美國推動荷蘭對中國禁售EUV光刻設備，我國開始加強EUV光刻技術的自主研發(fā)，而國外機構減少對中國市場的關注。圖2：中國EUV光刻設備技術時間趨勢（數據來源：上圖上情所研究整理）3.3等離子體LPP方案中驅動光源的選擇至關重要。激發(fā)光的波長、脈沖能量均會影響CE和生成的光源碎屑。CO2激光和Nd∶YAG激光具有功率大、轉換效率高且工作穩(wěn)定性好等優(yōu)點，成為LPP驅動光源的熱門備選方案。Aota等和Endo等用上述兩種激光照射錫（Sn）靶分析不同激光對CE的影響，結果表明，相比Nd∶YAG激光，CO2激光的CE更高且產生的碎屑數量更少、光譜純度更高。LPP方案產生EUV的輻射區(qū)域和激發(fā)光能量沉積區(qū)域如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，相比Nd∶YAG激光，CO2激光脈沖能量沉積區(qū)域與EUV輻射區(qū)域的距離較近，呈光學薄特性，能量轉換過程中的損耗更低，只需吸收較少的熱量便可轉移至EUV激光能量輻射區(qū)域?；谶@些優(yōu)點，CO2激光成為了業(yè)界主流的LPP驅動光源[10]。圖3不同激光誘發(fā)的激光等離子體EUV輻射區(qū)域與激光能量沉積區(qū)域。（a）Nd∶YAG激光；（b）CO2激光為了達到產生EUV所需的單脈沖能量和平均功率，目前的主流方案采用了主振蕩器功率放大（MOPA）技術。實際應用中，振蕩器方面：ASML公司使用射頻泵浦電光腔倒空CO2激光器作為振蕩器，可獲得較高功率的CO2激光且技術相對成熟；Gigaphoton公司使用了多線放大技術即量子級聯(lián)激光器（QCL），可精確控制輸出激光的波長和線寬；俄羅斯圣彼得堡國家信息技術、機械學與光學研究型大學（簡稱為圣光機）使用1.06μm激光器，經受激拉曼產生9.1~10.6μm波段的種子光。隔離器方面：為了抑制光的反向傳輸和消除時域脈沖之間的噪聲光，Gigaphoton公司和俄羅斯圣光機均使用了SF6可飽和吸收隔離，避免了CO2激光發(fā)生自振蕩與背反射，進而損害光學鏡和隔離器。預放大器方面：ASML和Gigaphoton公司均采用了射頻激勵的板條CO2激光放大器作為預放大器。主放大器方面：Gigaphoton公司采用了三菱重工快橫流激光放大器，ASML公司則利用德國通快公司提供的高頻率快軸流CO2激光放大器[11]。3.4現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)MOPA的關鍵技術是短脈沖CO2激光的放大與隔離。由CO2激光放大的基本原理可知，CO2種子光在功率放大器中的放大效率直接決定了MOPA系統(tǒng)輸出的激發(fā)光功率，也決定了系統(tǒng)輸出EUV光源的平均功率。短脈沖CO2激光增益特性（包括時間增益和空間增益）的研究和脈沖波形演化是LPPEUV系統(tǒng)的核心研究內容。張自豪基于封離式玻璃管的CO2激光開展了系統(tǒng)的聲光調Q實驗，在重復頻率為1kHz時，得到的峰值功率為4.5kW，脈沖寬度約為200ns。張冉冉用電光腔倒空的調制方式產生的脈沖寬度在18ns以內。胡志通過實驗研究了快軸流CO2激光放大器的增益系數與其放電電流和氣體流速分布的關系。易翔宇搭建的CO2激光主振放大系統(tǒng)，用功率為4kW的快軸流CO2激光器作為放大器，對脈沖寬度為300ns左右的機械調Q激光進行放大，并研究了該放大器對不同特性種子光的功率放大情況。國外的研究大多集中在CO2激光的空間增益特性上，如：Polyanskiy等采用啁啾脈沖放大（CPA）技術將CO2激光放大器的能量提高了1個數量級；Feldman對10.6μm的CO2激光多線短脈沖在高增益CO2激光放大器中的放大和壓縮進行了理論研究；Baeva等研究了放電管氣體湍流和對流對增益的影響。CO2激光放大器增益時域特性研究多使用Frantz-Nodvik（F-N）方程，可用于評估放大器參數對輸出光的影響和分析放大期間的脈沖波形演化。目前對CO2激光在時間增益的研究較少，對在連續(xù)放大器上實現(xiàn)短脈沖CO2激光放大的動力學過程研究還不成熟。在快軸流功率放大器實現(xiàn)更高功率放大方面，還需在短脈沖CO2時域分析上取得較多的突破。SF6可飽和吸收光隔離器作為目前主流MOPA-CO2激光系統(tǒng)的可飽和吸收光隔離器，適用于大功率MOPA體制的CO2激光放大系統(tǒng)。但還存在著上能級弛豫時間較慢和插入損害較大等缺點，目前人們還在尋找更好的新型可飽和吸收材料。張冉冉仿真了石墨烯層數對時域波形演化和透過率的影響，結果表明，石墨烯的損傷閾值較小，可作為SF6隔離器的補充。但后續(xù)還需要探尋更多種類的新型二維材料，獲得損傷閾值高、吸收系數大、漂白透過率高、上能級弛豫時間更快的新型材料，從而搭建性能更優(yōu)異的新型可飽和吸收光隔離器。5、中國目前光刻機研究進程和獨立自主生產光刻機面臨的困境光刻機被譽為“半導體工業(yè)皇冠上的明珠”，是集成電路制造行業(yè)的核心設備。中國已成為全球規(guī)模最大、增速最快的集成電路市場。然而，光刻機市場被ASML、尼康（Nikon）、佳能（Canon）這三家公司壟斷，特別是ASML在最高端的極紫外（EUV）光刻機市場上處于絕對領先地位。在技術挑戰(zhàn)方面，中國在光刻機技術方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。雖然中國在DUV和EUV光刻機的研發(fā)上取得了一定進展，但要實現(xiàn)完全自主生產仍需時日。例如，哈爾濱工業(yè)大學研發(fā)的“高速超精密激光干涉儀”獲得了一定的認可，但距離實際應用和商業(yè)化生產還有一段距離。中國目前在一些關鍵技術上仍依賴進口，如深紫外光源和物鏡系統(tǒng)的核心部件。在產業(yè)鏈分析方面，光刻機的生產制造非常復雜，涉及眾多上游產業(yè)鏈的組件，如光學鏡頭、光學光源和雙工件臺等。中國在這些關鍵組件的研發(fā)和生產上還有待加強。目前，全球僅有少數幾家公司能夠生產光刻機的光學鏡頭，這使得中國在供應鏈方面存在一定的依賴性。在國際競爭與封鎖方面，由于國際政治經濟環(huán)境的變化，中國在高端光刻機領域面臨的技術封鎖和供應鏈安全問題日益突出。美國對華科技封鎖使得中國半導體產業(yè)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)，尤其是在EDA工具、半導體設備和材料等方面?？傊?，雖然中國在光刻機技術方面取得了一定的進展，但要實現(xiàn)完全獨立自主生產仍面臨諸多技術挑戰(zhàn)和國際競爭壓力。中國在提高自主研發(fā)能力、完善產業(yè)鏈、突破關鍵技術方面還有很長的路要走。6、結束語總的來說，光刻機技術的發(fā)展不僅推動了半導體產業(yè)的進步，也體現(xiàn)了人類在精密制造技術上的不懈追求和創(chuàng)新精神。未來，光刻機技術仍將面臨新的挑戰(zhàn)和機遇，包括進一步提高分辨率、降低成本和提升制造效率等方面，這些都將是推動半導體產業(yè)發(fā)展的關鍵因素、參考文獻[1]SteinbuchM，Oomen