光刻是半导体行业的核心技术。自仙童半导体公司的罗伯特诺伊斯在1960年发明单片集成(cheng)电路以来，光刻(ke)技术(shu)一直是主要的(de)光刻(ke)技术(shu)。
本质(zhi)上，阴影(ying)掩模（s*ow mask）用来协助(zhu)一种称为光刻胶的(de)(de)光敏材料进行图(tu)案化(hua)，从而(er)能够(gou)进行图(tu)案化(hua)沉积和蚀(shi)刻工艺(yi)。而(er)光刻工艺(yi)的(de)(de)*终(zhong)解决(jue)方案是由所用光源的(de)(de)波长决(jue)定(ding)的(de)(de)。
在开发更短波长的光刻源方面取得了进步。这使得以摩尔定律为特征的电路密度不断增加。历史上使用汞放电灯，例如 365 nm i-Line，但*近使用 248 nm 的 KrF 或(huo) 193 nm 的(de)(de) ArF 准分子激(ji)光器成为*光源(yuan)。当使用液体浸(jin)没技术时，ArF 激(ji)光器获得(de)的(de)(de)*终分辨率(lv)约(yue)为 50 nm，其中(zhong)透镜(jing)和半导体晶片浸(jin)入(ru)水(shui)中(zhong)，水(shui)中(zhong)的(de)(de)折(zhe)射率(lv)高于空气(qi)。
过(guo)去(qu)二十年见证了193 nm以下波长光(guang)刻(ke)技(ji)术(shu)(shu)的发展(zhan)。在使用(yong) F2 准分子激(ji)光(guang)器开发基于 157 纳米的光(guang)刻(ke)技(ji)术(shu)(shu)方(fang)面付(fu)出(chu)了一(yi)些(xie)努力，但主要关注点是(shi)使用(yong) 13.5 纳米软 X 射线作为光(guang)源的极(ji)紫(zi)外 (EUV) 光(guang)刻(ke)技(ji)术(shu)(shu)。
荷兰公司 ASML 在 EUV 技术的开发中发挥了主导作用，他们的工具集现在被包括英特(te)尔、三(san)星和台积电在内(nei)的主(zhu)要(yao)* CMOS 代(dai)工厂用于生产。
光刻方法的实践
应用许多光刻方法来产生单芯(xin)片设计。TechInsights *近对三星 5LPE 工艺进行了详细分析。图 1 显示了器件 CPU 逻(luo)辑区域中栅极和鳍片(pian)布局的(de)平面(mian)图(tu) TEM 图(tu)像。
图 1：Samsung 5LPE Gate and Fin Layout
自对准四重图案化 (SAQP) 几乎可以肯定用于对鳍进行图案化。图像注释中显示了 fin mandrels的大致位置，该位置将使用 ArF 193 nm 浸入式 (ArF 193i) 光刻进行图案化。然后将通过在mandrel上创建 sidewall spacers来形成*终的 fin pattern。mandrel将具有 108 nm 的间距（pitch）。然后移除mandrel，然后使(shi)用*个侧(ce)壁间(jian)隔物(wu)（ sidewall spacer）图案来创(chuang)建(jian)第二组侧(ce)壁间(jian)隔物(wu)，*终的鳍(qi)间(jian)距为(wei) 27 nm。
两组(zu)侧(ce)壁间(jian)隔(ge)物(wu)的大致位置和尺寸(cun)如图(tu) 2所示(shi)，这(zhei)是一张横截面 TEM 图(tu)像，显示(shi)逻(luo)辑(ji)区域(yu)中三星 5LPE 工艺的 27 nm 间(jian)距(ju)鳍结构.
图 2：Samsung 5LPE Fin Cross Section
然后将使用有源鳍（active fin）切割掩模去除不需要的鳍并用浅沟槽隔离 (STI：shallow trench isolation) 替换它们。图 1中所示的金属栅极很可能是使用自对准双图案化 (SADP) 技术形成的，其中(zhong)mandrel上的侧壁间隔(ge)物直(zhi)接用于图(tu)案化多晶硅栅极，后来被(bei)金属(shu)栅极取代(dai)。
目前正在(zai)生产(chan)的(de)(de)*半导体器件的(de)(de)尺寸明显(xian)小(xiao)于使(shi)用 ArF 浸没(mei)式(shi)光刻技术可获得的(de)(de)约 50 nm *小(xiao)半间(jian)距。这需要开发(fa)越来越复(fu)杂的(de)(de)工(gong)(gong)艺技术方案。例如，根据*近的(de)(de) TechInsights 分析(xi)结果，三星 5 纳米(mi) LPE 工(gong)(gong)艺使(shi)用了(le)多种*的(de)(de)光刻方法，包(bao)括 EUV，如表 1 所示(shi)。
表 1
SAQP光刻技术(shu)可以(yi)产生非常(chang)精细(xi)的间(jian)距特(te)征(zheng)；但是，它仅限于创(chuang)建(jian)沿单个方向(xiang)定向(xiang)的单轴结构（ uniaxial structures）。线路(lu)末端需要(yao)特(te)殊切割（ Special cut）的掩模，以(yi)防止相邻(lin)线路(lu)之间(jian)短路(lu)。EUV 光刻没有这(zhei)些限制，但成本较高。
图(tu) 3 显示了三星(xing) 5LPE 设备的(de) CPU 逻辑区域中metal 0 布局的(de)平面图(tu) TEM 显微(wei)照片。观察到(dao)的(de)*小(xiao)金属(shu)间距约为(wei) 44 nm。此外，布局包(bao)括在两个正交方向上定向的(de)线。这在使用 SADP 或 SAQP ArF 193i 光刻方法(fa)时通常(chang)是不(bu)可能(neng)的(de)。
图(tu) 3：Samsung 5LP Metal 0 Layout
纳(na)米压印光刻和直(zhi)接(jie)自组装光刻
EUV 设备和工艺非常(chang)复杂(za)和昂贵(gui)，因此(ci)业界一直(zhi)在研究替(ti)代品。三个(ge)主(zhu)要竞(jing)争者是：
1. 纳米压印光刻 (NIL：Nano-Imprint Lithography)
2. 直接自组装(zhuang) (DSA：Direct Self-Assembly) 光(guang)刻
3. 电子束光刻 (EBL：Electron Beam Lithography)
其(qi)中(zhong)，EBL 提供(gong)非常高的空间分辨率（优于 10 nm），但(dan)配置(zhi)和执行速度较(jiao)慢，本(ben)文将不作(zuo)进一步考虑。EBL 确实有商业应(ying)用，但(dan)不是在大批量*节点制造中(zhong)。
纳米压印光刻技术*早由明尼苏达大学的Stephen Chu 提出。该技术基于聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 的压缩成型。Chu 和他的合著者在 1996 年发表在《科学》杂志上的一篇论文中报告了 25 nm 分辨率的图案化。他们于 1995 年发布了开创性* US577290*。NIL 技术于 2003 年被添加到 ITRS 路线图中，该领域一直是持续研究和开发的领域。佳能是全球主要的光刻设备供应商之一，并且他们现在提供 NIL 产品线，东芝是(shi)他们的早(zao)期客户之一，建议的应用是(shi) NAND 闪(shan)存生产(chan)。
直接(jie)自组装光刻(ke)取决于嵌(qian)段共聚物(wu)（block-copolymers）在(zai)预图(tu)案化基(ji)板(ban)上的(de)(de)直接(jie)定(ding)向。该技术(shu)类似于 SADP 和 SAQP，因为(wei)使用较(jiao)粗的(de)(de)间距(ju)(ju)模(mo)板(ban)（coarser pitch template）来(lai)创建较(jiao)细的(de)(de)间距(ju)(ju)结构（ finer pitch structure）。DSA 技术(shu)于 1990 年代*提出，并于 2007 年成为(wei) ITRS 路线图(tu)的(de)(de)一部分(fen)。DSA 的(de)(de)主要支持者是 IMEC 的(de)(de)一个研(yan)究小组。2021 年，他们展示了使用 DSA 形成 18 纳米间距(ju)(ju)线图(tu)案。据我(wo)们所知，直接(jie)自组装尚未被(bei)任何主要半导体代工厂用于大批量生产。在(zai)过去的(de)(de)二十年里，这项技术(shu)进行了大量的(de)(de)研(yan)发和*活动(dong)，但还(hai)没(mei)有(you)商业用途。
*光刻的创新*
TechInsights与 Cipher 合作，一直在探索*光刻市场的创新。目前，基于光学光刻的(de)技术主导着半(ban)导体市(shi)场，其(qi)中 ArF 193i 是用于(yu)图案化细间距特(te)征的(de)主要(yao)方(fang)法。基于(yu) EUV 的(de)光刻开始出现在**的(de) CMOS 技术中，例如上一(yi)节中讨论的(de)三星 5LPE。
不幸的是，EUV 方法非常昂贵，并且可能存在与 ASML 交付 EUV 硬件相关(guan)的(de)供应(ying)链问题。我(wo)们预计该行业将积极寻求替(ti)代方(fang)案(an)。Cipher 一(yi)直(zhi)与 TechInsights 合作开(kai)发(fa)*分类器(qi)，可用于监控特定领(ling)域的(de)创(chuang)新(xin)步伐，例如 EUV、NIL 和 DSA 光刻。
Cipher *分类器使(shi) TechInsights 能(neng)够(gou)绘(hui)制出 EUV、NIL 和(he) DSA *光刻*的概况。图 4 显示了按技术排名前 5 位的*组(zu)织的表(biao)格。
图 4：Top 5 Companies by NIL, EUV and DSA Patent Holdings
表格显示：
• 佳能(neng)显(xian)然对(dui) NIL 技术寄予厚望；
• ASML 对 EUV 的投资*多，但也积极参与 NIL 和 DSA 研究；
• 从(cong)*光刻(ke)研(yan)发(fa)的角度来看(kan)，台积电(dian)显(xian)然(ran)是(shi)*的代工厂。他们是(shi)对 EUV 投资*多，但在(zai) NIL 和(he) DSA 方(fang)面(mian)也很活(huo)跃；
• 三(san)星排(pai)在第五位，也在两面下注，尽管(guan)他们(men)的*活动水(shui)平远低(di)于台积电；
• Karl-Zeiss 排在第四(si)位(wei)，他(ta)们(men)作(zuo)为光刻供应商的主要(yao)关(guan)注点(dian)是 EUV 也就不足为奇了；
该表未显示包括GlobalFoundries、IBM 和 Intel 在内的北美主(zhu)要(yao)组织，它(ta)们的排名更(geng)靠后，分别位(wei)于第(di) 16 位(wei)、第(di) 17 位(wei)和第(di) 32 位(wei)。
图 5 根据 Cipher *分类器获(huo)得的结果(guo)，将中国排(pai)名前 10 位实体的*格局与(yu)世(shi)界其他地(di)区进行比较，按组(zu)织和(he)光刻(ke)技术类型(xing)列出了当前活跃*家(jia)族的数量(liang)。
图(tu) 5：Counts of Current Active Patent Families by Organization and Technology for China
图 6显示了按年份(fen)和*光刻技术提交的*族数量仅供中国公司(si)使用的空间。*总数相(xiang)当少，但(dan)有持续的EUV、DSA 和 NIL 这(zhei)三个技术领域的*活(huo)动呈上(shang)升趋势。
图 6：Number of Patent Families Filed by Year and Technology for China
相比之下，图(tu) 7显示了世界其他地区（不(bu)包括中国）在*光(guang)刻领域按年份和(he)技术提交的(de)*族数量。
图 7：Number of Patent Families Filed by Year and Technology for Rest of World
当(dang)然(ran)，世界其(qi)他地区的*数量要多(duo)于中国。数据显示(shi) EUV *活(huo)动呈持(chi)续上升(sheng)趋势(shi)；然(ran)而(er)，大约在 2013 年之后，DSA *活(huo)动和 NIL 技术*活(huo)动在大约 2018 年之后有(you)所下降。这也许并不奇怪，因为 ASML EUV 技术现(xian)已商用(yong)，从(cong)而(er)减少了寻找替代品的动力(li)。
结论
*的光刻技术对于摩尔定律扩展的延续*关重要。该行业目前正在押注EUV，辅以*的 193i 技术，如 SADP 和 SAQP，将继续缩小到上面讨论的 5 纳米技术以下。不(bu)幸的(de)是，EUV 取决于使(shi)用极其复杂和昂贵的(de)设备，因此该行业继续(xu)寻找替代品，例如作为 NIL 或 DSA，这可能会提供一条替代途(tu)径。
审核编辑 ：李倩
