集成电路装备光刻机发展前沿与未来挑战

光刻机是集成电路制造中最为核心的高端装备, 在 60 余年的发展历程中不断挑战人类超精 密制造装备的极限, 推动着摩尔定律的持续向前和信息时代的飞速发展, 对于科技进步、国民经济、 国家安全具有极为重要的战略意义. 本文阐述了光刻机在集成电路制造装备中的核心地位, 介绍了 光刻的基本原理, 梳理了国际上光刻机从上世纪 60 年代至今的发展脉络, 围绕光刻机三大核心部件 阐述了光刻机中的关键技术及面临的极限技术挑战. 在此基础上, 本文展望了未来光刻机的发展趋 势和未来方向.随着现代信息技术的迅猛发展, 集成电路 (Integrated Circuit, IC) 已成为信息时代的核心. 自 1958 年第一块集成电路诞生以来, 其工艺技术持续高速发展, 极大地推动了计算机、通信和消费电 子等产业的飞速进步. 著名的摩尔定律预示了集成电路性能的持续增长路径, 它指出在价格不变的 情况下, 集成电路上可容纳的晶体管数目大约每 18-24 个月翻一倍 [1] . 这不仅仅预测了晶体管尺寸 的缩小、集成电路上晶体管集成度的不断提高, 还预示着集成电路计算能力的指数级增长. 然而, 摩 尔定律的持续成立不是自然而然的结果, 它背后是集成电路制造技术的不懈革新和进步, 集成电路装 备的每一次技术革新, 都是将摩尔定律从理论推向现实的过程. 国务院 2020 年发布《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》指出, 集成 电路产业和软件产业是信息产业的核心, 是引领新一轮科技革命和产业变革的关键力量. 集成电路 及其装备的制造能力如今已成为评判一个国家高技术装备产业发展水平的重要标准, 成为大国竞争 的关键战场、国民经济的核心支柱以及国家安全的重要保障. 海关总署数据显示, 2017-2022 年我国 集成电路进口额整体呈现增长态势, 如图1所示1) . 近年来, 集成电路一直是我国第一大进口商品, 其中 2021 年进口额达到 4397 亿美元, 相当于第二名原油和第三名铁矿的总和; 2022 年进口额为 4156 亿美元, 而根据美国半导体产业协会 (Semiconductor Industry Association, SIA) 的数据, 2022 年全 球芯片销售额为 5735 亿美元 [3] . 中国集成电路需求旺盛, 但自给量不足, 需要大量进口, 对外依赖程 度较高. 为此, 国家从本世纪初至今密集出台集成电路相关政策文本, 如图2所示, 旨在提高我国芯片 自给率, 推动集成电路产业发展.

集成电路制造工艺主要是在半导体基底上通过氧化、光刻、扩散、离子注入等一系列工艺流程, 制作出晶体管、电容、电阻等元器件, 并将它们互相连起来的加工工艺, 而在整个集成电路制造过程 中, 光刻是最核心、最复杂的工艺步骤, 利用光学原理在硅片上转移电路图形, 决定了晶体管的最小 特征尺寸及密度. 从原始的硅片起到键合垫片的刻蚀和去光刻胶为止, 即使最简单的MOS 器件都需 要 5 道光刻工艺, 先进的芯片可能需要 30 道光刻工艺步骤 [2] . 在集成电路制造过程中, 光刻工艺的 费用约占制造成本的 1/3 左右, 耗费时间占比约为 40-50%. 光刻工艺所需的光刻机是最重要、最复 杂、最昂贵的集成电路制造装备, 其技术难度之大、单价之高在全球均属罕见, 被誉为“超精密尖端 装备的珠穆朗玛峰”, 挑战着人类超精密制造的精度和性能极限. 荷兰的 ASML 公司作为光刻机技 术的领头羊, 其光刻机的供应链横跨全球, 涵盖了 5000 家供应商. 这些供应商在光学、电磁学、材料 学、流体力学和化学等多个领域, 都提供了最前沿的研究成果. 如今, 光刻机不仅是推动整个信息时 代发展的重要力量, 更是产业基石和国家核心竞争力的体现. 集成电路装备, 尤其是光刻机的研制与发展, 对于一个国家的科技实力和产业竞争力有着深远的 战略意义. 一方面, 高端光刻机技术的掌握可减少芯片对外依赖, 增强自主创新能力和产业安全. 另 一方面, 光刻机技术的进步是推动半导体产业链上下游发展的关键, 可促进相关材料、设备、工艺等 领域的技术进步与产业升级. 因此, 本文将主要围绕光刻机发展前沿与未来挑战展开, 第 1 节简述集 成电路产业的重要性和光刻机在集成电路制造中的核心地位; 第 2 节简述光刻机的基本原理及其发 展脉络; 第 3 节介绍光刻机的关键技术和面临的主要挑战; 第 4 节介绍光刻机发展趋势及未来方向; 第 5 节进行总结与展望.