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作者：鵬程
芯片生產主要包括沉積、光刻、蝕刻等步驟，其中光刻是半導體芯片生產中最關鍵一環(huán)，主要負責把芯片設計圖案通過光學顯影技術轉移到芯片表面，進而實現(xiàn)在半導體晶片表面上制造微小結構。光刻機生產具備高技術門檻，需要高度精度設備和嚴格的控制流程，以達到所需的制造精度。而先進的芯片制程工藝需要先進的、高分辨率的光刻機，因此光刻機直接影響芯片的工藝制程與性能。
在全球化的集成電路產業(yè)科技競賽中，光刻技術的突破至關重要。如何推動國產光刻設備和技術的研發(fā)及產業(yè)化更是業(yè)界所關注的一個重要課題。在第八屆國際先進光刻技術研討會期間，北京理工大學光電學院特聘教授，國家級領軍人才計劃入選者李艷秋接受了半導體產業(yè)縱橫的采訪。作為學術界的資深專家，她深刻解讀了我國和國際上光刻產業(yè)的現(xiàn)狀，闡釋了我國在集成電路產業(yè)未來的發(fā)展路徑，以及光刻產業(yè)等相關領域的進展。
01、全球光刻產業(yè)發(fā)展多由政產學研聯(lián)合促成
目前，光刻機市場呈寡頭壟斷格局，由國外企業(yè)主導，ASML、Nikon、Canon占絕大多數(shù)市場份額。全球光刻機市場由國外企業(yè)主導，主要競爭公司為荷蘭ASML、日本Nikon和Canon，其中ASML占絕對霸主地位，ASML市場份額占比82.1%，Canon占比10.2%，Nikon占比7.7%。采訪中，李艷秋描繪了全球光刻設備和產業(yè)的發(fā)展格局。全球光刻設備的研制和產業(yè)始于70年代，經歷了接觸式光刻、臨近式光刻、縮小投影光刻等。上述光刻技術和設備及其產業(yè)發(fā)展和應用，主要集中在美國、日本、歐洲、中國（大陸和臺灣）等國家。
各國依據(jù)本國芯片制造的需求，采購相應的光刻設備，研發(fā)光刻工藝等，最終制備出滿足要求的芯片。
眾所周知，日本尼康和佳能、荷蘭ASML擁有先進的光刻機設備和光刻技技術。EUV光刻技術是日本木下博雄首先提出和發(fā)明的。1986年，時任日本電信巨頭NTT研究員的木下博雄（Hiroo Kinoshita）搭建了世界首臺EUV光刻實驗裝置并取得了掃描式曝光成果。李艷秋從事光刻相關研究近30年，曾接受到木下博雄教授和尼康邀請，參加了ASET聯(lián)合項目：極紫外（EUV）光刻機研制。面向檢測EUV光刻機波像差檢測需求，曾從事高精度相移點衍射干涉儀研制、檢測掩模缺陷需求、提高同步輻射13.4nm EUV線束照明掩模的強度和均勻性等需求，她曾設計完成了不同數(shù)值孔徑的2、3、4、6面反射鏡的成像和照明系統(tǒng)。
在尼康工作期間，李艷秋創(chuàng)新編制了含高能電子束相對論效應的電子光學設計程序，提高了電子束光刻成像精度；在電磁透鏡設計中，打破傳統(tǒng)規(guī)則的電磁透鏡設計、加入修正小磁疇，提高了電子光學成像分辨率和保真度，完善了電子束投影曝光機成像性能。2003年，李艷秋在美國三束會議作大會開幕式邀請報告后，Giff先生（美國第一個將光刻機產業(yè)化的人）在SEMI News Letter上，用2/3版面給予了高度評價。
2002年，李艷秋回國后在國家自然基金委、“十五”期間科技部重大項目、“十一五”——“十三五”國家重大專項資助下，帶領團隊率先利用光刻仿真軟件PROPLITH，研究分析光刻機性能參數(shù)、掩模結構及參數(shù)、工藝參數(shù)對光刻成像性能的影響，為光刻機研制企業(yè)提供研究分析數(shù)據(jù)。
采訪中，李艷秋結合自己在日本尼康公司、姬路工業(yè)大學木下博雄實驗室、中國科學院以及北京理工大學從事光刻機研制相關的曝光系統(tǒng)光學設計、像差檢測與控制、計算光刻等經歷提出，不同國家光刻技術及設備的發(fā)展均由政府、企業(yè)、研究院所、大學聯(lián)合促進，成立產學研聯(lián)合研發(fā)機構或產業(yè)聯(lián)盟，各自發(fā)揮其優(yōu)勢，并分工合作。例如：1998—2000年期間，在歐、美、日半導體產業(yè)規(guī)劃的框架下，國際半導體協(xié)會聯(lián)合歐洲、美國、日本，分別成立了相應聯(lián)合研發(fā)機構，并分工合作。
同時規(guī)劃和確定了不同光刻技術節(jié)點，光刻機研制需要的關鍵技術以及定量指標。最后，上述聯(lián)合研發(fā)項目和目標，由歐洲、美國、日本共同實現(xiàn)。實現(xiàn)了EUV光刻機產品。
02、多方協(xié)作加強人才培養(yǎng)
產業(yè)發(fā)展，人才先行。集成電路是高技術型產業(yè)，因此集成電路人才的培養(yǎng)無疑是產業(yè)發(fā)展的重中之重。作為集成電路中的關鍵技術，光刻機技術涉及精密機械、光學、材料科學及控制技術等多個關鍵學科領域。集成電路制造光刻機研制和應用，迫切需要高端的專業(yè)人才和多學科交叉的復合人才。光刻技術領域的人才培養(yǎng)體系對于推動該領域的技術進步和產業(yè)發(fā)展至關重要。
2021年，國務院學位委員會、教育部正式發(fā)布了《國務院學位委員會 教育部關于設置“交叉學科”門類、“集成電路科學與工程”和“國家安全學”一級學科的通知》?！锻ㄖ贩Q，經專家論證，國務院學位委員會批準，決定設置“交叉學科”門類（門類代碼為“14”）、“集成電路科學與工程”一級學科（學科代碼為“1401”）和“國家安全學”一級學科（學科代碼為“1402”）。在短短兩三年時間內，集成電路就成為一級學科，這種“飛躍”在學科史上實屬罕見。
對此，李艷秋提到，當前國家有關部門、教育部，已經制定并落實了集成電路專項的培養(yǎng)計劃。有關學校（如北京理工大學）已經制定了集成電路專項研究生的培養(yǎng)計劃和配套政策，并與相關企業(yè)制定了聯(lián)合培養(yǎng)研究生的詳細方案。但目前仍然面對一些挑戰(zhàn)，還需要大力推進集成電路領域的人才培養(yǎng)。
更好地實現(xiàn)高校和企業(yè)之間的產學研結合以提高光刻技術的研發(fā)效率和產業(yè)化水平是當務之急。李艷秋指出，國外企業(yè)與高校的合作對光刻技術和設備研制發(fā)揮了重要的作用。例如美國Intel、IBM等公司資助美國高校，為集成電路產業(yè)培養(yǎng)了大量的人才。同時，ASML、Nikon、臺積電等相關企業(yè)，一直與有關高校有著深度的合作。她認為，國內的企業(yè)和高校應該進一步加強深度合作擴大合作規(guī)模，培養(yǎng)更多的集成電路制造所需要的人才。未來10年，我國應該進一步促進集成電路企業(yè)和大學的實質性合作，加速培養(yǎng)集成電路裝備、制造、檢測等領域的人才。
03、這些光刻技術值得關注
長久以來，EUV光刻機都是先進制程得以延續(xù)的必備設備，ASML作為全球第一大光刻機設備商，同時也是全球唯一可提供EUV光刻機的設備商。經過十年的研發(fā)，ASML 于 2023 年 12 月正式向英特爾交付了首個High NA（高數(shù)值孔徑）EUV 光刻系統(tǒng)——TWINSCAN EXE:5000的首批模塊。按照國際半導體協(xié)會發(fā)布的roadmap以及ASML等公司的研發(fā)計劃，超高NA的EUV光刻機，將在未來研制完成。其它光刻技術, 如EUV相關技術、電子束曝光、計算光刻等技術，也發(fā)揮重要作用。
李艷秋在日本木下博雄實驗室和Nikon工作期間主要從事電子束縮小投影曝光系統(tǒng)光學設計。她提到，電子束光刻技術包括電子束直寫技術和縮小投影曝光技術。其中，電子束直寫技術可用于制備集成電路光刻需要的掩模版。2000年，李艷秋曾參與了日本Nikon公司和美國IBM公司合作，從事電子束曝光系統(tǒng)研制，研制了電子束縮小投影光刻機，并實現(xiàn)了電子束縮小投影曝光。她也指出，這種技術存在曝光面積很小、拼接誤差難以控制、效率低的缺點。所以，Nikon公司和IBM公司終止了合作項目。
計算光刻是極大規(guī)模集成電路制造的核心技術之一。隨著IC節(jié)點的不斷下移，對于工藝的要求越來越嚴苛。計算光刻技術對推進光刻工藝進步，做出了巨大貢獻。
傳統(tǒng)光刻分辨率增強技術包括離軸照明、基于規(guī)則的鄰近效應修正、相移掩模等。傳統(tǒng)的計算光刻包括基于模型鄰近效應修正、光源－掩模優(yōu)化等。傳統(tǒng)的計算光刻理論模型是在假設光刻系統(tǒng)（包括光刻機、掩模、光刻工藝）不存在誤差（零誤差系統(tǒng)）的理想情況下，利用“標量”成像理論，以特定節(jié)點對應的光刻性能指標為目標，建立逆向光刻成像模型和優(yōu)化算法。
28～7nm 技術節(jié)點光刻成像誤差容限更小，因此先進計算光刻必須建立“矢量”光刻成像理論、非零誤差、多目標、全視場成像理論，以及先進、快速的算法。先進計算光刻可獲得更加匹配實際光刻系統(tǒng)所需的光源和掩模結構，減少工藝迭代周期，最終實現(xiàn)高分辨、大焦深、高保真的光刻成像。
李艷秋團隊在20 余年從事光刻機研發(fā)中，建立的先進計算光刻技術，包括矢量計算光刻、快速－全芯片計算光刻、高穩(wěn)定-高保真計算光刻、光源－掩模－工藝多參數(shù)協(xié)同計算光刻等，能夠實現(xiàn)快速－高精度－全曝光視場－低誤差敏感度的高性能計算光刻。
近年來，機器學習等AI技術蓬勃發(fā)展，這些新興技術更是被研發(fā)人員應用在計算光刻領域中。例如，機器學習有助于計算光刻相關的厚掩模衍射譜的快速計算，有助于快速、高精度計算光刻，提高光刻成像性能。
