光刻是半導體行業的核心技術。自仙童半導體公司的羅伯特諾伊斯在秒冷1960年發明單片集成電路以來，光刻技術一直是主要的光刻技術。
本質上，陰影掩模（s*ow mask）用來協助一種稱為(wèi個鐘)光刻膠的光敏材料進行圖案化，從而能夠進行圖案化沉積冷用和蝕刻工(gōng)藝。而光刻工(gōng)藝的*終解決方案是由所也機用光源的波長(cháng)決定的。
在開(kāi)發更短(duǎn)波長(cháng)草到的光刻源方面取得(de)了進步。這使得(中但de)以摩爾定律為(wèi)特征的電路密度不(bù)斷增加。曆史上使用汞飛訊放電燈，例如(rú) 365 nm i-Line，但*近使用 248 n從男m 的 KrF 或 193 nm 的 ArF 準分子(zǐ)激知技光器(qì)成為(wèi)*光源。當使用液體浸沒技是年術時(shí)，ArF 激光器(qì)獲得(de)的*終分辨率約為(男銀wèi) 50 nm，其中透鏡和半導體晶片浸入水中，水中的折射率高于空氣。算科
過去二十年見證了193 nm以下波長(cháng)光刻技術的發展。木算在使用 F2 準分子(zǐ)激光器(qì)開(kāi)發基于 157 納弟靜米的光刻技術方面付出了一些努力，但主要關注點是使用 13.5 納米軟 X 射線中謝作為(wèi)光源的極紫外 (EUV) 光刻技術。
荷蘭公司 ASML 在 EUV 技術的開(kāi)發中發揮了主導作用，他女通(tā)們(men)的工(gōng)具集現在被包括英特爾、三星和台積電在内的主要* CMOS 代工(gōng)廠用于生要遠産。
光刻方法的實踐
應用許多光刻方法來産生單芯片設計。TechInsights *近對三星 5LPE 工(gōng)藝進行了詳細習都分析。圖 1 顯示了器(qì)件 CPU 邏輯區域中栅極和鳍片布局的平化去面圖 TEM 圖像。
圖 1：Samsung 5LPE Gate and Fin Layo筆聽ut
自對準四重圖案化 (SAQP) 幾乎可以肯定用于對鳍進行圖案化。圖像注釋中顯輛飛示了 fin mandrels的大(dà)緻位置西自，該位置将使用 ArF 193 nm 浸哥場入式 (ArF 193i) 光刻進行圖案化。然後話花将通(tōng)過在mandrel上創建 sid分人ewall spacers來形成*終的 fin pattern。mandrel将男讀具有 108 nm 的間距（pitch）。然後移除mandrel，然後使用*個側壁間隔費個物（ sidewall spacer）圖案來創建第二組側壁間隔物，*東議終的鳍間距為(wèi) 27 nm。
兩組側壁間隔物的大(dà)緻位置和尺寸如(rú)圖答票 2所示，這是一張橫截面 TEM 圖像，顯示邏輯區域中三星 5LPE 工(了電gōng)藝的 27 nm 間距鳍結構.
圖 2：Samsung 5LPE Fin跳相 Cross Section
然後将使用有源鳍（active fin）切割司那掩模去除不(bù)需要的鳍并用淺溝槽隔離(lí) (STI：sh高技allow trench isolation) 替換它們(men)。草腦圖 1中所示的金(jīn)屬栅極很可能是使用自對準雙圖案喝還化 (SADP) 技術形成的，其中mandrel上的側壁間隔物直接用于南厭圖案化多晶矽栅極，後來被金(jīn)屬栅極取代。
目前正在生産的*半導體器(qì)件的尺寸明顯小(xiǎo)機睡于使用 ArF 浸沒式光刻技術可獲得(de)的約 動舊50 nm *小(xiǎo)半間距。這需要開(kāi)發越來越複雜的工(gō家就ng)藝技術方案。例如(rú)，根據*近的 TechIns新音ights 分析結果，三星 5 納米 LP水跳E 工(gōng)藝使用了多種*的光刻方法，包括 EUV，如(rú)表 技能1 所示。
表 1
SAQP光刻技術可以産生非常精細的間距特征；但是，它金綠僅限于創建沿單個方向定向的單軸結構（ uniaxial structures）不請。線路末端需要特殊切割（ Special cut）的掩模，以防止相鄰線路友亮之間短(duǎn)路。EUV 光刻沒有這短花些限制，但成本較高。
圖 3 顯示了三星 5LPE 設備的 CPU 邏輯區域中metal 0 布兵相局的平面圖 TEM 顯微照片。觀察到的*小(xi弟年ǎo)金(jīn)屬間距約為(wèi) 44 nm。此外，布局包括在兩個正見影交方向上定向的線。這在使用 SADP 或西公 SAQP ArF 193i 光刻方法時(shí)通(生熱tōng)常是不(bù)可能的。
圖 3：Samsung 5LP Metal 0 Lay睡吧out
納米壓印光刻和直接自組裝光刻
EUV 設備和工(gōng)藝非常複雜和昂貴，因此業界一直在研飛也究替代品。三個主要競争者是：
1. 納米壓印光刻 (NIL：Nano-Impri請哥nt Lithography)
2. 直接自組裝 (DSA：Direct S可姐elf-Assembly) 光刻
3. 電子(zǐ)束光刻 (EBL：Electron Beam Lith月裡ography)
其中，EBL 提供非常高的空間分辨率（優商冷于 10 nm），但配置和執行速度較慢，本文将不來司(bù)作進一步考慮。EBL 确實有商業應用，快著但不(bù)是在大(dà)批量*節點制造中。
納米壓印光刻技術*早由明尼蘇達大(dà)學的Stephen Ch相會u 提出。該技術基于聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 的壓縮成型。Chu 和呢算他(tā)的合著者在 1996 年發表在《科(kē)厭照學》雜志上的一篇論文中報告了 25 nm 分辨率的圖案化。他(tā)們(m離中en)于 1995 年發布了開(kāi)創對坐性* US577290*。NIL 技術于 2003 年被離算添加到 ITRS 路線圖中，該領域一直是持續研究和開(k校著āi)發的領域。佳能是全球主要的光刻設備供應商之一，并工們且他(tā)們(men)現在提供 NIL 産品線，東芝是他(tā)們(men)的早期客戶之一，建議的應用是術線 NAND 閃存生産。
直接自組裝光刻取決于嵌段共聚物（block-c機什opolymers）在預圖案化基闆上的直接定向。該技術些答類似于 SADP 和 SAQP，因為(wèi)使用較粗的間距模闆（coars服白er pitch template）來創建較細的間距結構（ f短鄉iner pitch structure話物）。DSA 技術于 1990 年代*提出，并于 2007 年成為(wèi) I水喝TRS 路線圖的一部分。DSA 的主要支持者是 學河IMEC 的一個研究小(xiǎo)組。2021 年，他(tā)們(men)煙東展示了使用 DSA 形成 18 納米間距線圖案。據我們玩區(men)所知，直接自組裝尚未被任何主要半導體低就代工(gōng)廠用于大(dà)批量生産。在過去的二十年裡，這項技術進行了大(愛城dà)量的研發和*活動，但還沒有商業用途。
*光刻的創新*
TechInsights與 Cipher 合作，一直在探索*光刻市場的創新匠黃。目前，基于光學光刻的技術主導着半導體市場，其中 ArF 193i 是用于圖工水案化細間距特征的主要方法。基于 EUV 的光刻開(kāi)始出現在**的 事讀CMOS 技術中，例如(rú)上一節中讨論的三星 5L在鐵PE。
不(bù)幸的是，EUV 方法非常昂貴，并且可能存在與 AS離議ML 交付 EUV 硬件相關的供應鍊問題。我們(men)預計該行業将積極尋求美秒替代方案。Cipher 一直與 TechInsights 合作開(kāi)發*村南分類器(qì)，可用于監控特定領域的創新步伐，例如(rú) EUV、從視NIL 和 DSA 光刻。
Cipher *分類器(qì)使 TechInsights 能夠繪制出 外高EUV、NIL 和 DSA *光刻*的概書司況。圖 4 顯示了按技術排名前 5 位的*組織的表格。
圖 4：Top 5 Companies b影近y NIL, EUV and DSA Patent Holdings
表格顯示：
• 佳能顯然對 NIL 技術寄予厚望；
• ASML 對 EUV 的投資(zī)*多，但也積極參與 慢村NIL 和 DSA 研究；
• 從*光刻研發的角度來看，台積電顯然是*的代工(gōng)廠。他(tā)低友們(men)是對 EUV 投資(zī)*多，但在 NIL弟到 和 DSA 方面也很活躍；
• 三星排在第五位，也在兩面下注，盡管他(tā)們(事也men)的*活動水平遠低(dī)于台積電；
• Karl-Zeiss 排在第四位，他(tā)們(men)作為(w空哥èi)光刻供應商的主要關注點是 EUV 也就不(bù)足為(wèi)奇了；報我
該表未顯示包括GlobalFoundries、IBM 和&n裡輛bsp;Intel 在内的北美主要組織，它們(men)的排名更靠後，分别位刀呢于第 16 位、第 17 位和第 32 如醫位。
圖 5 根據 Cipher *分類器(qì)獲得作女(de)的結果，将中國排名前 10 位實體的*格局與世界其他(tā)地區進行比業對較，按組織和光刻技術類型列出了當前活躍*舞笑家(jiā)族的數量。
圖 5：Counts of Current Activ姐計e Patent Families by Organization and T學錯echnology for China
圖 6顯示了按年份和*光刻技術提交的*族數量僅供中國公司使用懂又的空間。*總數相當少，但有持續的EUV、DSA 和 NIL 這長愛三個技術領域的*活動呈上升趨勢。
圖 6：Number of Patent Famili討廠es Filed by Year and Te線吃chnology for China
相比之下，圖 7顯示了世界其他(tā)地區（不(bù)包括作林中國）在*光刻領域按年份和技術提交的*族數量一為。
圖 7：Number of Patent Families廠分 Filed by Year and Technology for 知慢Rest of World
當然，世界其他(tā)地區的*數量要多于中國。數據顯示 EUV *活動呈持續師場上升趨勢；然而，大(dà)約在 2013 年之後，DSA *吧用活動和 NIL 技術*活動在大(dà)約 2018 年之後有綠鐘所下降。這也許并不(bù)奇怪，因為(wèi) 煙自ASML EUV 技術現已商用，從而減少了尋找替代品的動力舊短。
結論
*的光刻技術對于摩爾定律擴展的延續*關重為影要。該行業目前正在押注EUV，輔以*的 193i 技術，如(rú) SAD近議P 和 SAQP，将繼續縮小(xiǎo)到上面讨論的 5 納米技術以下。不(bù)幸的是，EUV 取決于使用極其複雜和昂貴的設備，因就制此該行業繼續尋找替代品，例如(rú)作為(wèi) NIL 或 DSA，這跳房可能會(huì)提供一條替代途徑。
審核編輯 ：李倩
