光刻技术，有了新的选择

光刻技术是半导体器件制造过程中的一个重要步骤。这一步利用曝光和显影在光刻胶层上刻画几何图形结构，然后通过刻蚀技术将光刻模上的图形转移到底部。

自1961年第一台光刻机诞生以来，光刻机经历了接触式→接近式→投影式发展路线，现在主要是投影式步进式扫描式光刻机。

每一代光刻机在不同的阶段都面临着前所未有的挑战和难题，同时，光刻技术也在这一过程中不断演变。

01光刻技术的发展路径

接触光刻技术

20世纪60年代出现了接触式光刻技术，是小规模集成电路阶段最重要的光刻技术，具有良率低、成本高的特点。

接触光刻示意图

在接触式光刻技术中，掩膜版与晶圆表面的光刻胶接触，整个衬底一次曝光，掩膜版图形与晶圆图形尺寸的关系为1。:1.分辨率可达亚微米级。接触式可以减少光的衍射效应，但在接触过程中，晶圆与掩膜版之间的摩擦容易产生划痕，产生颗粒污染，降低晶圆良率和掩膜版的使用寿命，需要频繁更换掩膜版，因此引入了接近光刻技术。

接近光刻技术

近距离光刻技术在20世纪70年代得到了广泛的应用。近距离光刻技术中的掩膜版与晶圆表示光刻胶没有接触，留下了N2添加的间隙。

接近光刻示意图

近距离雕刻技术的特点是最小尺寸与间隙成正比。间隙越低，分辨率越高。缺点是覆膜版和晶圆之间的距离会导致光的衍射效应，所以近距离雕刻机的空间分辨率极限约为2u。 m。投射光刻技术是随着特征尺寸的缩小而出现的。

投影光刻技术

投射光刻技术出现于20世纪70年代后半段，可有效提高分辨率。

投影光刻示意图

基于远场傅里叶的光学成像原理，在掩膜版和光刻胶之间使用了倍数缩小的投影显像镜。早期掩膜版和衬底图的尺寸比为1。:一是随着集成电路尺寸的不断缩小，出现了步进重复光刻技术的缩小倍数。

进一步重复光刻技术

步行重复光刻示意图

步进重复光刻主要用于0.25μm以上工艺 ，光刻时掩膜版固定，晶圆步进运动，完成所有曝光工作。随着集成电路集成度的不断提高，芯片面积的不断增加，需要增加一次曝光面积，促进更先进的步进扫描光刻机的出现。

步行扫描光刻机

步行扫描光刻示意图

当工艺发展成0.25时。μm之后，步进式扫描式光刻机的扫描曝光视场尺寸和曝光均匀性更具优势，逐渐成为主流光刻设备(DUV和EUV）。其利用 26mm x 8mm 采用动态扫描的方法(掩模版与晶圆片同步运动)，可实现狭缝， 26mm x 33mm 的曝光场。目前曝光扫描完成后，转移到下一次曝光，直至整个晶圆曝光完毕。

自1990年SVGL公司推出Micrascancan 自从I步进扫描光刻机以来，光刻机行业已经进入DUV时代。DUV是市场的执政者，通过多次曝光等技术手段，直到7nm芯片量产。

但随着工艺进化到5nm，DUV和多曝光技术的结合已经不能满足大规模生产的需要，EUV光刻机已经成为前一道工序的必需品。未来工艺节点不断演变，行业对EUV光刻机的要求越来越高，对其发展前景和路线提出了更多的期待。

对于未来雕刻技术的发展，行业正在积极寻找高精度、经济的方法，在晶圆上生成图案。许多公司/研究机构公布了他们的研究进展。让我们看看他们为雕刻技术带来了哪些新的选择。

02选择之一：High NA EUV光刻机

从最早的紫外线光源来看，光刻机使用的光源波长(ultraviolet, UV)，例如g线(波长436) nm)、i线(波长365 nm)发展为KrF(波长248)的光源 nm)、ArF(波长193 nm)以深紫外光源为代表(deep ultraviolet, DUV)，现在波长13.5 极紫外线光源nm(extreme ultraviolet, EUV)。

随著光源波长的缩短，光刻机一次曝光分辨率不断提高，目前最先进的EUV光刻机曝光分辨率为13纳米，可用于3纳米。 生产nm工艺芯片。

如今，台积电、三星、英特尔等芯片制造公司之间的竞争已经进入先进的工艺轨道。在这个过程中，EUV极紫外线雕刻设备也成为了厂商争夺的焦点。

据报道，2024-2025年，台积电将接受60台EUV光刻机，估计总费用将超过122亿美元；英特尔率先拥抱世界上第一台High NA EUV光刻机；三星也在向High NA EUV光刻机渴望尝试追逐台积电。

但是，在追求最先进的光刻机的同时，也是喜悦和痛苦。

令人高兴的是，首先获得最先进的光刻机意味着它可以大大提高其芯片制造能力和质量，并帮助公司在未来先进工艺技术的竞争中获得先进优势。

令人痛心的是，EUV昂贵的价格让各大芯片制造商苦不堪言。据报道，目前0.33NA EUV光刻机每台售价约1.81亿美元，新一代High-NAEUV的倍增为2.9-3.62亿美元(0.55NA)。在进入1纳米以下的埃米世代后，ASML将计划推出更先进的Hyper-NAEUV光刻机设备(0.75NA)的价格可能超过7.24亿美元。

这种方法显然足够精细，但不够经济。所以业内也有很多机构在探索High。 NA 降低EUV成本的方法，主要集中在提高光源分辨率上。

目前ASML使用的激光等离子体EUV光源（EUV-LPP）价格昂贵，效率低下，光电转换率仅为3%-5%。为了提高功率，有几条发展路线可供选择:有些人利用传统的LPP光源系统，在现有的基础上不断增加功率；其他人选择分时高功率光纤激光枪击液体锡靶技术。这种方法制造的光源的光源功率预计是传统LPP的几倍。

利用能量回收型放疗设备（ERL）FEL(自由电子激光)计划也是一种方法。日本高能加速器研究机构（KEK）一些研究人员认为，如果利用粒子加速器的力量，获得EUV光源可能会更便宜、更快、更高效。

FEL利用电子在磁场中运动产生超强激光，其效率是普通EUV光源的两倍，能量转化率超过30%，而且具有成本低、功率大等优点。FEL光源在功耗方面也远远低于EUV-LPP光源。此外，EUV-FEL也可以升级为BEUV-FEL，使用较短的波长(6.6-6.7 nm）实现更加细致的图案化。为了实现High，它还可以可变地控制FEL光的偏振。 NA光刻。

据报道，目前业内已设计了一种基于能量回收的放疗设备。（ERL）FEL光源用于未来的光刻，并对主要部件进行了研究和开发。FEL光源在EUV功率中升级为BEUV-FEL、High NA光刻的偏振控制、功耗和每台光刻机的成本都有很多优点。

EUV-FEL光源也被认为是未来光刻最有前途的光源。

然而，对于光刻技术的未来发展，业界仍有不少人有不同的看法。

第二选择：纳米压印技术（NIL）

纳米压印与光刻技术的“较量”由来已久。

纳米压印是基于聚合物模压技术的微纳加工技术。纳米压印需要一个模板，就像活字印刷的模板上刻有要印刷的文字一样。纳米压印的模板上需要制造纳米结构，然后模板上的纳米结构通过加热加压复制到纳米压印的材料中。

有一点形象可以把它比作活字印刷。

纳米压印技术与光刻技术相比，具有以下优点：

成本较低： 纳米压印技术与光刻技术相比，成本较低，主要原因是纳米压印设备相对便宜，工艺简单，易于大规模操作。

精度更高： 纳米压印技术通过精心设计和制造高性能的“印章”，可以实现10nm以上的高精度电路图印刷，为芯片制造提供更高的精度保证。

应用领域更为广泛： 纳米印刷技术不仅适用于生产逻辑芯片和存储芯片，而且可广泛应用于DOE。、AR在大规模生产中，如VR衍射光波导、生物芯片、LED等，具有较大的市场前景。

现在LED上的纳米压印、AR、VR等领域得到了广泛的应用。纳米压印已经发展了20多年，但长期以来，由于纳米压印产品缺陷多、良率低，不被半导体领域所接受，光刻技术发展得更快、更好。

但是，近十年来，随着纳米压印对工艺的优化和控制精度的提高，一度被光刻否定的纳米压印，迎来了高光时刻。

然而，纳米印刷技术也有其缺点，这是一种物理接触加工技术。在物理接触过程中，容易出现一些外部缺陷。但是半导体行业对缺陷的容忍度很低。业内有人认为纳米印刷是一项非常有前途的技术，也有人认为它的缺陷率比较高，不适合半导体加工。

在传统光刻领域落后于ASML之后，佳能在半导体制造方向上找到了新的突破，其探索重点之一就是纳米压印技术。

佳能于去年十月中旬宣布推出FPA-1200NZ2C纳米压印半导体制造设备，可以制造5nm芯片。根据佳能CEO的说法，设备的价格将会比ASML的EUV光刻机少一位数。

单威科技创始人葛海雄去年年底曾表示:根据最近的报道，佳能的纳米压印技术指标与DUV的光刻技术持平，有些指标甚至达到了EUV的光刻技术。

关于纳米压印技术的未来，葛海雄表示，根据佳能提供的技术参数和指标，由于ASMLL的原因，纳米压印可能会为半导体领域创造一些有利的补充、在生产线上，尼康的半导体光刻设备得到了广泛的应用，纳米压印可视为光刻技术的衍生。

所以，纳米压印技术又称未来半导体制造的关键技术。

现在，许多研究机构和制造商都加大了纳米压印的投资。除佳能外，EV等外国制造商 Group、Nanonex Corp、Obducat AB、SUSS MicroTec等公司已经生产了纳米压印光刻设备。国内也有很多厂商在纳米压印跑道上密切关注布局，如青岛天仁微纳、苏州苏大维格、歌尔股份、苏州光舵微纳、升印光电、新维微纳、埃眸科技等。

天仁微纳，一家受到华为哈勃青睐的国内头部制造商，目前涵盖了整机设备、模具和压花材料，开发了多种高精度紫外线压花设备，实现了最高150。／基底面积300mm高精度(优于10nmm) ）、纳米结构拷贝量产高深宽比(优于10比1)。

存储芯片可能是纳米压印技术的第一个落地领域。

在芯片制造领域，现在最适合纳米压印技术的就是存储芯片，尤其是3D。 NAND、储存芯片，如DRAM。根据佳能布局的纳米压印设备路线图，纳米压印应用将在3D 从NAND存储芯片开始，逐步过渡到DRAM，从而实现CPU等逻辑芯片的生产。

储存厂家在芯片制造中对成本的控制极其严格，设计余量可以在不影响成品率的情况下承受一定的不足，放宽对缺陷的要求。因此，许多储存厂商计划使用纳米压印技术制造储存芯片。

日本存储厂商，如铠侠、东芝，很早就开始布局纳米压印技术。今年三月， 美光 公司宣布计划率先支持佳能的纳米印刷技术，从而进一步降低DRAM存储芯片生产的单层成本。此前，大型内存制造商SK海力士还推出了佳能纳米压印机，用于3D NAND生产试验。

纳米印刷技术与存储芯片的结合，将大大提高存储厂商的生产效率，降低成本。纳米印刷系统在芯片制造领域大规模商业化后，其优势将更加明显。

所以纳米压印技术也被称为最有机会取代当前光刻技术的技术手段。

04选择三：电子束光刻（EBL&MEBL）技术

提及电子束光刻技术，这里要再提一下光刻技术的原理。

众所周知，光刻是所有微加工过程中最困难、最关键的技术步骤。所谓光刻，就是通过控制光束，在一层薄薄的光刻胶表面“蚀刻”出我们需要的图案。光刻胶的化学性质会在光束照射的位置发生变化，直接照射的部分会通过浸泡显影液(正胶)或保留(负胶)来去除。

由于光源波长的限制，X射线曝光可以达到50nm左右的精度，深紫外光源的曝光精度在100nm左右，而电子的波长较小，因此电子束光刻的尺寸精度可以达到10nm以内。

由于其分辨率高、性能稳定、成本相对较低的特点，电子束光刻成为下一代光刻技术中最受关注的一种。

根据曝光方式，电子束光刻可分为投影曝光和直写曝光两种。投影曝光通过调整电子束直射模具图形，将模具图形投射到光刻胶表面，将模具上的图案转移到光刻胶上。原理类似于相机，拍摄对象就像模板，光刻胶就像胶片，拍摄对象通过直射光线投射到胶片上。

直写光刻不需要模板覆盖，电子束斑可以通过磁场直接控制，根据预设的轨迹直接直射光刻胶表面，完成图案转移，就像绘画一样。铅笔类似于电子束，纸类似于光刻胶，而我们的手类似于磁场，通过手控制铅笔移动来绘制图片。

由于传统的掩膜光刻技术，其成本呈指数级上升趋势。由于不需要昂贵的光掩模，直写技术非常有吸引力，所以无掩膜的电子束光刻技术提供了补充选项。但是单光束电子束光刻的吞吐量太慢，对批量来说。 IC 就生产而言，成本太高。分析者也直言，直写真正的问题是吞吐量。即使有几十万甚至一百万的光束，直接写入光刻技术，对晶圆光刻来说也太慢了。

所以，单光束直写工具只适用于小众应用，如复合半导体和光子学。

Multibeam给出了它的答案，以解决写入缓慢的问题。

最近，Multibeam推出了电子束光刻技术的主要参与者 MB Platform，——世界上最早的多柱电子束光刻 (MEBL：Multicolumn E-Beam Lithography )。据悉，其新光刻系统是专门为大规模生产而设计的系统。全自动化精密图案技术将用于快速成型、先进封装、高混合生产、芯片 ID、半导体复合及其它应用。Multibeam表示，该公司刚刚发布的平台将在高分辨率、精细特性、宽视野和大景深的同时，以新的生产力优势彻底改变电子束光刻。

Multibeam CEO兼董事长 David K. Lam 接受采访时表示，Multibeam 能使芯片制造的某些部分的生产效率高于当前系统。 100 倍。

Multibeam 看来这是一个改变了游戏规则的设备。然而，早在20世纪80年代，许多人就认为光学曝光已经结束，电子束光刻是一种非常有前途的替代方式。然而，30多年过去了，电子束光刻仍然无法替代光学曝光。两种光刻技术的发展逐渐形成了相互补充的局面。

随着科学技术的飞速发展，新的雕刻技术的出现无疑为行业注入了新的活力。未来，我们将拭目以待这些创新的雕刻技术会给半导体行业带来哪些惊喜！

本文来自微信公众号“半导体产业纵横”（ID：ICViews），作者：丰宁，36氪经授权发布。

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