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作者：鹏程
芯片生产主要包括沉积、光刻、蚀刻等步骤，其中光刻是半导体芯片生产中最关键一环，主要负责把芯片设计图案通过光学显影技术转移到芯片表面，进而实现在半导体晶片表面上制造微小结构。光刻机生产具备高技术门槛，需要高度精度设备和严格的控制流程，以达到所需的制造精度。而先进的芯片制程工艺需要先进的、高分辨率的光刻机，因此光刻机直接影响芯片的工艺制程与性能。
在全球化的集成电路产业科技竞赛中，光刻技术的突破至关重要。如何推动国产光刻设备和技术的研发及产业化更是业界所关注的一个重要课题。在第八届国际先进光刻技术研讨会期间，北京理工大学光电学院特聘教授，国家级领军人才计划入选者李艳秋接受了半导体产业纵横的采访。作为学术界的资深专家，她深刻解读了我国和国际上光刻产业的现状，阐释了我国在集成电路产业未来的发展路径，以及光刻产业等相关领域的进展。
01、全球光刻产业发展多由政产学研联合促成
目前，光刻机市场呈寡头垄断格局，由国外企业主导，ASML、Nikon、Canon占绝大多数市场份额。全球光刻机市场由国外企业主导，主要竞争公司为荷兰ASML、日本Nikon和Canon，其中ASML占绝对霸主地位，ASML市场份额占比82.1%，Canon占比10.2%，Nikon占比7.7%。采访中，李艳秋描绘了全球光刻设备和产业的发展格局。全球光刻设备的研制和产业始于70年代，经历了接触式光刻、临近式光刻、缩小投影光刻等。上述光刻技术和设备及其产业发展和应用，主要集中在美国、日本、欧洲、中国（大陆和台湾）等国家。
各国依据本国芯片制造的需求，采购相应的光刻设备，研发光刻工艺等，最终制备出满足要求的芯片。
众所周知，日本尼康和佳能、荷兰ASML拥有先进的光刻机设备和光刻技技术。EUV光刻技术是日本木下博雄首先提出和发明的。1986年，时任日本电信巨头NTT研究员的木下博雄（Hiroo Kinoshita）搭建了世界首台EUV光刻实验装置并取得了扫描式曝光成果。李艳秋从事光刻相关研究近30年，曾接受到木下博雄教授和尼康邀请，参加了ASET联合项目：极紫外（EUV）光刻机研制。面向检测EUV光刻机波像差检测需求，曾从事高精度相移点衍射干涉仪研制、检测掩模缺陷需求、提高同步辐射13.4nm EUV线束照明掩模的强度和均匀性等需求，她曾设计完成了不同数值孔径的2、3、4、6面反射镜的成像和照明系统。
在尼康工作期间，李艳秋创新编制了含高能电子束相对论效应的电子光学设计程序，提高了电子束光刻成像精度；在电磁透镜设计中，打破传统规则的电磁透镜设计、加入修正小磁畴，提高了电子光学成像分辨率和保真度，完善了电子束投影曝光机成像性能。2003年，李艳秋在美国三束会议作大会开幕式邀请报告后，Giff先生（美国第一个将光刻机产业化的人）在SEMI News Letter上，用2/3版面给予了高度评价。
2002年，李艳秋回国后在国家自然基金委、“十五”期间科技部重大项目、“十一五”——“十三五”国家重大专项资助下，带领团队率先利用光刻仿真软件PROPLITH，研究分析光刻机性能参数、掩模结构及参数、工艺参数对光刻成像性能的影响，为光刻机研制企业提供研究分析数据。
采访中，李艳秋结合自己在日本尼康公司、姬路工业大学木下博雄实验室、中国科学院以及北京理工大学从事光刻机研制相关的曝光系统光学设计、像差检测与控制、计算光刻等经历提出，不同国家光刻技术及设备的发展均由政府、企业、研究院所、大学联合促进，成立产学研联合研发机构或产业联盟，各自发挥其优势，并分工合作。例如：1998—2000年期间，在欧、美、日半导体产业规划的框架下，国际半导体协会联合欧洲、美国、日本，分别成立了相应联合研发机构，并分工合作。
同时规划和确定了不同光刻技术节点，光刻机研制需要的关键技术以及定量指标。最后，上述联合研发项目和目标，由欧洲、美国、日本共同实现。实现了EUV光刻机产品。
02、多方协作加强人才培养
产业发展，人才先行。集成电路是高技术型产业，因此集成电路人才的培养无疑是产业发展的重中之重。作为集成电路中的关键技术，光刻机技术涉及精密机械、光学、材料科学及控制技术等多个关键学科领域。集成电路制造光刻机研制和应用，迫切需要高端的专业人才和多学科交叉的复合人才。光刻技术领域的人才培养体系对于推动该领域的技术进步和产业发展至关重要。
2021年，国务院学位委员会、教育部正式发布了《国务院学位委员会 教育部关于设置“交叉学科”门类、“集成电路科学与工程”和“国家安全学”一级学科的通知》。《通知》称，经专家论证，国务院学位委员会批准，决定设置“交叉学科”门类（门类代码为“14”）、“集成电路科学与工程”一级学科（学科代码为“1401”）和“国家安全学”一级学科（学科代码为“1402”）。在短短两三年时间内，集成电路就成为一级学科，这种“飞跃”在学科史上实属罕见。
对此，李艳秋提到，当前国家有关部门、教育部，已经制定并落实了集成电路专项的培养计划。有关学校（如北京理工大学）已经制定了集成电路专项研究生的培养计划和配套政策，并与相关企业制定了联合培养研究生的详细方案。但目前仍然面对一些挑战，还需要大力推进集成电路领域的人才培养。
更好地实现高校和企业之间的产学研结合以提高光刻技术的研发效率和产业化水平是当务之急。李艳秋指出，国外企业与高校的合作对光刻技术和设备研制发挥了重要的作用。例如美国Intel、IBM等公司资助美国高校，为集成电路产业培养了大量的人才。同时，ASML、Nikon、台积电等相关企业，一直与有关高校有着深度的合作。她认为，国内的企业和高校应该进一步加强深度合作扩大合作规模，培养更多的集成电路制造所需要的人才。未来10年，我国应该进一步促进集成电路企业和大学的实质性合作，加速培养集成电路装备、制造、检测等领域的人才。
03、这些光刻技术值得关注
长久以来，EUV光刻机都是先进制程得以延续的必备设备，ASML作为全球第一大光刻机设备商，同时也是全球唯一可提供EUV光刻机的设备商。经过十年的研发，ASML 于 2023 年 12 月正式向英特尔交付了首个High NA（高数值孔径）EUV 光刻系统——TWINSCAN EXE:5000的首批模块。按照国际半导体协会发布的roadmap以及ASML等公司的研发计划，超高NA的EUV光刻机，将在未来研制完成。其它光刻技术, 如EUV相关技术、电子束曝光、计算光刻等技术，也发挥重要作用。
李艳秋在日本木下博雄实验室和Nikon工作期间主要从事电子束缩小投影曝光系统光学设计。她提到，电子束光刻技术包括电子束直写技术和缩小投影曝光技术。其中，电子束直写技术可用于制备集成电路光刻需要的掩模版。2000年，李艳秋曾参与了日本Nikon公司和美国IBM公司合作，从事电子束曝光系统研制，研制了电子束缩小投影光刻机，并实现了电子束缩小投影曝光。她也指出，这种技术存在曝光面积很小、拼接误差难以控制、效率低的缺点。所以，Nikon公司和IBM公司终止了合作项目。
计算光刻是极大规模集成电路制造的核心技术之一。随着IC节点的不断下移，对于工艺的要求越来越严苛。计算光刻技术对推进光刻工艺进步，做出了巨大贡献。
传统光刻分辨率增强技术包括离轴照明、基于规则的邻近效应修正、相移掩模等。传统的计算光刻包括基于模型邻近效应修正、光源－掩模优化等。传统的计算光刻理论模型是在假设光刻系统（包括光刻机、掩模、光刻工艺）不存在误差（零误差系统）的理想情况下，利用“标量”成像理论，以特定节点对应的光刻性能指标为目标，建立逆向光刻成像模型和优化算法。
28～7nm 技术节点光刻成像误差容限更小，因此先进计算光刻必须建立“矢量”光刻成像理论、非零误差、多目标、全视场成像理论，以及先进、快速的算法。先进计算光刻可获得更加匹配实际光刻系统所需的光源和掩模结构，减少工艺迭代周期，最终实现高分辨、大焦深、高保真的光刻成像。
李艳秋团队在20 余年从事光刻机研发中，建立的先进计算光刻技术，包括矢量计算光刻、快速－全芯片计算光刻、高稳定-高保真计算光刻、光源－掩模－工艺多参数协同计算光刻等，能够实现快速－高精度－全曝光视场－低误差敏感度的高性能计算光刻。
近年来，机器学习等AI技术蓬勃发展，这些新兴技术更是被研发人员应用在计算光刻领域中。例如，机器学习有助于计算光刻相关的厚掩模衍射谱的快速计算，有助于快速、高精度计算光刻，提高光刻成像性能。
