光刻技术迎来新选择，行业未来如何发展？

具有新可能性的光刻技术：

光刻工艺是半导体器件生产过程中的一个重要步骤，在光刻层中通过曝光和显影蚀刻出几何图形，然后通过蚀刻工艺将图案从光度掩模转移到基片上。

自 1961 年第一台光刻机问世以来，光刻技术已从接触式 → 接近式 → 投影式发展到今天的步进式扫描投影光刻机。

随着光刻技术的不断发展，每一代光刻技术人员在不同阶段都面临着全新的挑战和问题。

光刻技术的发展之路：

接触式光刻：

接触式光刻技术起源于 20 世纪 60 年代，是小型集成电路时代的主要光刻技术，其特点是产量低、成本高。

接触式光刻计划：

掩膜板与晶片表面的光刻胶直接接触，对整个基板进行曝光，掩膜板图形与晶片图形的比例为 1:1，分辨率可达到亚微米级。接触可以减少光衍射的影响，但在晶圆和掩膜板接触过程中，摩擦容易形成划痕、颗粒斑点，从而降低晶圆的良率和掩膜板的寿命，经常需要更换掩膜板，因此它接近于光刻技术的引入。

近距离光刻技术：

近距离光刻技术在 20 世纪 70 年代得到广泛应用，在近距离光刻技术中，掩膜板不允许光的颜色与晶片直接接触，而是留下一个充满氮气的空间。

近距离光刻技术示意图：

近距离光刻技术的特点是最小分辨率大小与狭缝成正比，狭缝越小，分辨率越高。缺点是掩膜板和晶片之间的狭缝会产生光衍射效应，从而将近距离光刻技术的空间分辨率限制在 2 米左右，这就是投影光刻技术诞生的原因，它可以缩小图案的尺寸。

投影光刻技术：

投影光刻技术于 20 世纪 70 年代中后期问世，可有效提高分辨率。

投影光刻示意图：

它以光学傅立叶远场成像原理为基础，在掩膜板和光刻胶之间使用低倍投影透镜。最初，掩膜和基板的尺寸为 1:1，但随着集成电路尺寸的缩小，开发出了放大倍率降低的阶跃和重复光刻技术。

渐进迭代光刻技术：

迭代光刻的步骤图：

扫描和重复光刻主要用于 0.25 微米以上的工艺，光刻掩膜板是固定的，晶圆的逐步移动完成所有曝光功能。随着集成电路集成度的不断提高，芯片面积不断增大，需要更大的曝光面积，这就导致了先进的步进扫描光刻技术的出现。

步进扫描光刻技术：

分步扫描光刻技术示意图：

随着工艺发展到 0.25 微米，步进扫描光刻技术的扫描曝光场尺寸和曝光均匀性将变得更加经济实惠，并逐渐成为常见的光刻设备（DUV 和 EUV）。通过 26 毫米 x 8 毫米的间隙和动态扫描（光罩板和晶片同时移动），可实现 26 毫米 x 33 毫米的曝光场。扫描完当前曝光区域后，下一个曝光区域将上移至整个晶片的曝光区域。

自 1990 年 SVGL 推出 Micrascan I 步进和扫描光刻技术以来，光刻行业进入了 DUV 时代，并在 7 纳米芯片量产之前一直以多重曝光和其他技术主导市场。

然而，随着 5 纳米工艺的发展，DUV 与不同光刻技术的结合已无法满足大批量生产的要求，EUV 光刻技术成为前端工艺不可或缺的一部分。随着工艺节点的发展，业界对 EUV 光刻技术的需求不断增长，对其未来和发展的期望也在不断提高。

为了光刻技术的未来，业界正在寻找高精度、高成本效益的方法在晶片上制作图案。一些公司/研究机构已经公布了他们的研究成果，让我们看看他们为光刻技术带来了哪些新选择。

选择之一：高纳米超紫外光刻技术。

自从开发出第一种紫外线（UV）光源--g 线（436 纳米）和 i 线（365 纳米），以及深紫外线（DUV）光源--KrF（248 纳米）和 ArF（193 纳米）以来，光刻机使用的光源波长已增加到 13.5 纳米的极紫外线（EUV）。13.5 纳米的极紫外（EUV）。

随着光源波长的缩短，光刻技术的单次曝光分辨率也在不断提高，如今，EUV 光刻技术的曝光分辨率已达到 13 纳米，能够生产 3 纳米工艺的芯片。

如今，台积电、三星、英特尔等芯片制造商之间的竞争已转向高端加工，EUV 紫外线光刻设备也成为制造商之间竞争的焦点。

据报道，台积电将在 2024 年至 2025 年期间安装 60 台 EUV 光刻机，总成本超过 122 亿美元；英特尔已经安装了全球首台纳米级 EUV 光刻机；三星正在利用纳米级光刻机追赶台积电。

但是，追求高质量的平版印刷既是一种乐趣，也是一种痛苦。

我们最高兴的是，我们率先引进了最先进的光刻设备，大大提高了芯片生产的能力和效率，使我们在未来先进工艺技术的竞争中占据了优势。

问题是，EUV 的高昂售价使大型芯片制造商陷入困境：目前，0.33NA EUV 光刻机的单价约为 1.81 亿美元，而下一代高 NA EUV（0.55NA）的单价预计将翻一番，达到 2.9-3.62 亿美元。为了向亚 1 纳米 EMI 时代迈进，ASML 计划推出先进的超 DNA（0.75NA）EUV 光刻机，预计成本将超过 7.24 亿美元。

这种方法显然相当不错，但成本不低，因此业内有多家机构试图通过主要关注提高光源的分辨率来降低高 NA EUV 的成本。

ASML 目前使用的 EUV 等离子激光光源（EUV-LPP）的光电转换效率仅为 3-5%，因此既昂贵又低效。要提高效率，有几种发展途径可供选择。有的在现有 LPP 光源系统的基础上利用现有光源系统不断提高功率，有的则利用液锡激光技术制造高功率可分光光纤激光器；采用这种方法，光源功率有望超过现有 LPP 的数倍。

使用能量回收直线加速器（ERL）的自由电子激光（FEL）计划就是一种方法。日本高能加速器研究组织（KEK）的研究人员认为，利用粒子加速器的能量可以使超紫外光源更便宜、更快速、更高效。

FEL 利用电子在磁场中的运动产生高功率激光，其功率是传统 EUV 光源的两倍多，能量转换系数超过 30。FEL 的能耗也比 EUV-LPP 低得多。此外，EUV FEL 还可升级为 BEUV FEL，以改善较短波长（6.6-6.7 nm）的成像效果。FEL 的光偏振也可进行可变调整，以实现高 RNA 光刻。

业界已经为未来的光刻技术设计了基于 ERL 的 FEL（能量回收线性加速器）光源，并且已经研究和开发了关键部件。FEL 光源在 EUV 印刷、升级到 BEUV-FEL、用于高纳米光刻的偏振控制、能耗和光刻特定成本方面具有许多优势。

EUV-FEL 光源被认为是未来最有前途的光刻技术。

然而，业内仍有许多人对光刻技术的未来发展持有不同看法。

方案 2：纳米压印技术（NIL）。

纳米印记和光刻技术的 "竞争 "由来已久。

纳米压印是一种基于聚合物模塑技术的微纳米技术。就像凸版印刷需要一个模板来印刷字母一样，纳米压印需要一个包含纳米结构的模板；模板中的纳米结构通过加热和印刷复制到纳米压印材料上。

图像可以比作印刷机。

与光刻技术相比，纳米压印技术具有以下优势：

成本较低：与光刻技术相比，纳米压印技术的成本相对较低，成本较低的原因是纳米压印设备相对便宜和简单，有利于大规模生产。

提高精度：利用纳米印章技术设计和生产精确的 "印章"，可实现 10 纳米或更高的图案印刷，从而提高芯片生产的精度。

更广泛的应用：纳米压印技术不仅适用于逻辑芯片和存储芯片，还可广泛应用于 DOE、衍射 AR/VR 光子波导、生物芯片、LED 等的批量生产。

目前，纳米压印技术已广泛应用于 LED、AR、VR 等领域。纳米压印技术已经发展了 20 多年，但由于纳米压印产品缺陷多、成品率低，而光刻技术发展得更快更好，因此在很长一段时间内，纳米压印技术并没有在半导体行业得到广泛应用。

在过去的十年中，纳米打标技术在取代光刻技术后蓬勃发展，将工艺优化和控制精度提升到了一个新的水平。

然而，纳米压印技术也有缺点：它是一种基于物理接触的加工技术。一些业内人士认为纳米压印是一种非常有前途的技术，而另一些人则认为由于其故障率相对较高，因此不适合半导体工艺。

在传统光刻技术方面落后于 ASML 的佳能公司正在寻求半导体制造领域的新进展，纳米印记技术就是其中之一。

去年 10 月中旬，佳能发布了 FPA-1200NZ2C，这是一款能够生产 5 纳米芯片的纳米结半导体生产设备。据佳能公司首席执行官称，该机器的价格将 "比 ASML 的 EUV 光刻机低一位数"。

葛海雄这样评价纳米压印技术的前景："根据佳能提供的技术参数和指标，纳米压印技术有可能为半导体行业创造出更多有用的设备，而尼康的 ASML 半导体光刻设备已经广泛应用于生产线，纳米压印技术可以说是光刻技术的一个分支。

因此，纳米压印技术被认为是未来半导体生产的关键技术。

许多研究机构和制造商都在增加对纳米打印的投资。除佳能公司外，EV Group、NanoNex、Obducat AB 和 SUSS Microtech 等国外制造商也在生产纳米光刻设备。青岛天人微纳、苏州苏斯微技术、戈尔、苏州光舵微纳、崛起印刷光电、新维微纳和 EyeShot Technology 等国内制造商也在纳米印章领域占据一席之地。

华为哈勃是微纳噻吩的制造商，目前产品已达到基板面积达150/300毫米的所有设备、模具、印刷材料，研发工作在各种高精度UV纳米印刷设备、高精度量产（10纳米以上）、高深宽比（10-1以上）纳米结构复制品、基板面积达150/300毫米的全国头部普及。

存储芯片可能是最早使用纳米印刷技术的产品。

在芯片生产中，目前最适合采用纳米压印技术的是存储芯片，特别是 3D NAND、DRAM 和其他存储芯片。根据佳能公司规划的纳米压印设备路线图，纳米压印的应用将从 3D-NAND 存储器芯片开始，逐渐发展到 DRAM，最后发展到处理器等逻辑电路的生产。

存储厂商对芯片生产的成本控制非常严格，而设计余量可以容忍一定程度的缺陷而不影响产量，并能减轻缺陷要求，因此许多存储厂商已经计划使用纳米印刷技术生产存储芯片。

Armourman、东芝和其他日本存储设备制造商是纳米压印技术的早期采用者。今年 3 月，美光公司宣布将主动支持佳能的纳米压印技术，以进一步降低单层 DRAM 的生产成本。此前，存储器巨头 SK Hynix 也曾使用佳能的纳米压印设备测试 3D NAND 的生产。

纳米压印技术与存储芯片的结合将大大提高生产效率，降低存储设备制造商的成本。当纳米贴标设备在芯片生产中大规模商业化时，其优势将最为明显。

因此，纳米压印技术被认为是一种有可能取代传统光刻技术的技术工具。

方案 3：电子束光刻技术（EBL 和 MEBL）：

在讨论电子束光刻技术时，有必要重申光刻技术的原理。

众所周知，光刻技术是整个微机械加工过程中最困难也是最重要的技术步骤。所谓光刻，就是通过光束的照射，在光刻基底表面 "蚀刻 "出一层薄薄的所需的图案，然后根据光刻基底的化学性质，通过液体浸泡工艺，将照射的光束转换为去除照射部分（正附着）或保留照射部分（负附着）的光束。

光源的波长是影响光刻精度的主要原因，因为受光源波长的限制，X 射线曝光能达到的精度约为 50 nm，深紫外光源曝光的精度约为 100 nm，而电子的波长很小，所以电子束光刻的加工精度不可能超过 10 nm。

电子束光刻技术具有分辨率高、性能稳定和成本相对较低的特点，已成为下一代最热门的光刻技术之一。

电子束光刻按曝光方式可分为两种：投影曝光和直接曝光。投影曝光控制电子束照射到图形掩膜上，图形掩膜被投影到光刻胶表面，图像的掩膜图案被转印到光刻胶上，原理类似于照相机，物体是掩膜图案，光刻胶就像胶片，光通过投影的胶片照射到物体上，原理类似于照相机。

直接写入光刻技术是直接控制电子束的点沿着预定的路径运动，用磁场照射光刻胶表面，完成图案作为图像的传输；不需要掩膜，笔类似于电子束，纸张类似于光刻胶，我们的手类似于通过我们的手控制笔的运动来完成图像的绘制的磁场。

传统光刻技术依赖于掩膜，因此成本急剧上升。无掩模电子束光刻技术是一种补充选择，因为它不需要昂贵的光掩模，而且直接曝光技术很有吸引力。然而，单光束光刻技术的生产效率太慢，成本太高，不适合大批量集成电路生产。分析师也开门见山地指出：直接写入技术的真正问题在于生产率。与晶片光刻相比，直接写入光刻速度太慢，即使有数十万或数百万束光束也是如此。

因此，单光束直接写入工具只能用于有限的应用领域，如半导体化合物和光子学。

多波束技术解决了打字缓慢的问题。

电子束光刻领域的主要厂商 Multibeam 最近推出了 MB 平台，这是世界上第一台多光束电子束光刻（MEBL）系统。据介绍，这种新型光刻系统是专为大批量生产而设计的。这种全自动精密建模技术将用于增材制造、先进封装、高混合制造、芯片识别、化合物半导体和其他应用。Multibeam 公司称，新平台将彻底改变电子束光刻技术，带来新的生产力优势，实现高分辨率、精细特征、宽视场和大景深。

Multibeam 首席执行官兼总裁 David K. Lam 在接受采访时说，Multibeam 可以使芯片生产中某些环节的生产率比传统系统高出 100 倍。

从多光束的角度来看，这是一种创新设备。然而，20 世纪 80 年代，人们普遍认为光学光刻技术已达到极限，电子束光刻技术是最有前途的替代技术，但 30 年后的今天，电子束光刻技术仍无法取代光学光刻技术。两种光刻技术逐渐演变成一种互补模式。