先进的光刻技术对于摩尔定律微缩的延续至关重要。随着芯片法案宣布将补贴美国半导体研发和制造500多亿美元，人们对芯片制造技术的基本现状产生了极大的兴趣。目前，三星5纳米工艺（指定为5LPE）就是向全球市场提供先进芯片制造技术的其中之一，这代表了三星FinFET技术取得了重大突破，未来势必会更进一步，以更低的成本在芯片上放置更多的晶体管，同时提供更高的性能。在芯片上刻出超细特征所需的先进光刻技术，是实现这些进步的主要推动者。
01.半导体光刻技术的起源与发展光刻是半导体工业的核心技术。自1960年仙童半导体的罗伯特·诺伊斯发明单片集成电路以来，光刻一直是主要的芯片制造技术。光刻技术本质上是，掩膜版用于对光刻胶进行图案化，从而实现图案化沉积和蚀刻工艺。光刻工艺的最终分辨率由所用光源的波长决定。在短波长光刻源的开发方面取得的进展，使得以摩尔定律为特征的电路密度不断增加。在过去光刻所需光源是Mercury discharged lamps，例如365nm时期采用的i-Line，但最近KrF为248nm或ArF为193nm的准分子激光器成为了首选光源。采用浸润式光刻技术，需要将透镜和芯片浸没在折射率比空气高的水中，由此ArF激光器获得的最终分辨率约为50nm。过去二十年，193nm波长的光刻技术得到了发展。虽然使用F2准分子激光的157nm光刻技术取得了一些突破，但人们主要关注的还是使用13.5nm软X射线作为光源的极紫外（EUV）光刻技术。荷兰光刻机龙头ASML在EUV技术的研发中发挥了主导作用，目前其EUV设备主要被包括英特尔、三星和台积电在内的先进CMOS代工厂用于生产。
02.实践中的光刻方法
许多光刻方法被应用于制造单个芯片设计，TechInsights最近对三星5LPE工艺进行了详细分析。图2显示了CPU逻辑区域中栅极和鳍片布局的平面图TEM图像。
▲图2 三星 5LPE Gate和Fin Layout
自对准四重构图（SAQP）几乎可以肯定地用于对鳍片进行构图，鳍片心轴的大致位置如图所示，该心轴本应使用ArF 193nm浸没（ArF 193i）光刻法进行图案化，通过在心轴上形成侧壁间隔件，进而形成最终的鳍片图案。心轴的间距为108nm，然后将心轴移除，使用第一侧壁间隔物图案来创建第二组侧壁间隔件，最终给出27nm的鳍片间距。两组侧壁间隔物的大致位置和尺寸如图3所示，这是一张横截面TEM图像，显示了逻辑区域中三星5LPE工艺的27nm间距鳍片结构。
▲图3 三星 5LPE Fin Cross Sectio
使用有源鳍片切割掩膜去除不需要的鳍片，并用浅沟槽隔离（STI）代替它们。图2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，其中心轴上的侧壁间隔物直接用于图案化多晶硅栅极，再用金属栅极取代。目前正在制造的先进半导体器件的尺寸明显小于用ArF浸没光刻法获得的约50nm最小半间距，这就需要开发越来越复杂的工艺技术。例如，根据最近TechInsights分析的结果，三星5nm LPE工艺使用了多种先进的光刻方法，包括EUV，如表1所示。
▲Table 1 Summary of photolithography methods applied in Samsung’s 5LPE process
SAQP光刻技术可以产生非常精细的间距特征，但仅限于创建单向定向的单轴结构，且线路末端需要特殊的切割掩膜，以防止相邻线路之间短路。EUV光刻没有这些限制，但成本更高。图4显示了三星5LPE设备CPU逻辑区中金属0布局的平面图TEM显微照片，观察到的最小金属间距约为44nm。此外，布局包括在两个正交方向上定向的线，如果使用SADP或SAQP ArF 193i光刻方法，通常不可能产生这种情况。
▲图4 三星5LP Metal 0 Layout
03.纳米压印和直接自组装光刻
许多光刻EUV设备和工艺极其复杂和昂贵，因此业界一直在研究替代方案。三个主要竞争者是：- 纳米压印光刻（NIL）
- 直接自组装（DSA）光刻
- 电子束光刻（EBL）
虽然EBL提供非常高的空间分辨率（优于10nm），但配置和执行速度较慢，本文将不再进一步讨论。EBL确实可以商业应用，但不适用于大批量的先进节点制造。纳米压印光刻最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和他的合著者于1995年发表了开创性的专利US5772905A，并在1996年《科学》杂志的一篇论文中报道了25nm分辨率的图案化。2003年，NIL技术被添加到ITRS路线图中，这是一个不断研发的领域。佳能是全球光刻机的主要供应商之一，他们现在提供NIL产品线，东芝是他们的早期客户之一，其中提出的应用是NAND闪存生产。直接自组装光刻是指嵌段共聚物在预图案化衬底上的直接取向，该技术类似于SADP和SAQP，使用更粗的间距模板来创建更细的间距结构。DSA技术于20世纪90年代首次提出，并于2007年成为ITRS路线图的一部分，IMEC的一个研究小组是其主要支持者，2021年他们使用DSA演示了18nm间距线型的形成。据TechInsights所知，任何一家大型半导体制造商都尚未采用直接自组装进行大批量生产，虽然在过去的二十年里，这项技术已经有了相当多的研发和专利活动，但还没有商业用途。
04.探索专利中的先进光刻技术创新
TechInsights与Cipher合作，一直在探索先进光刻市场的创新。目前，基于光学光刻的技术主导半导体市场，ArF 193i是用于图案化精细间距特征的主要方法，而基于EUV的光刻技术开始出现在最先进的CMOS技术中，如前一节讨论的三星5LPE。不幸的是，EUV方法非常昂贵，而且ASML交付EUV光刻机可能存在供应链问题。TechInsights预计该行业将积极寻求替代方案，Cipher一直在与TechInsights合作开发专利分类器，用于监控特定领域的创新步伐，如EUV、NIL和DSA光刻。Cipher专利分类器已经允许TechInsights绘制EUV, NIL和DSA先进光刻专利的景观。图5显示了按技术排序的前5家专利机构。
▲图5 Top 5 Companies by NIL, EUV and DSA Patent Holdings
这张图表展示了：- 佳能显然在NIL技术上下了很大****注
- ASML在EUV方面投入最多，但也积极参与NIL和DSA研究
- 从先进的光刻技术研发角度来看，台积电显然属于领先的代工厂。他们在EUV方面投资最多，但在NIL和DSA方面也很活跃
- 排名第五的三星也在对冲****注，尽管他们的专利活动水平远低于台积电
- 蔡司（Karl Zeiss）位列第四，毫不奇怪，作为光刻供应商，他们主要关注点是EUV
该表没有显示包括格芯、IBM和英特尔在内的北美主要机构，因为他们在排行榜上排名更靠后，分别位列第16、17和32位。
05.结语
先进的光刻技术对于摩尔定律缩放的延续至关重要。目前业界认为，EUV加上先进的193i技术，如SADP和SAQP，将能够继续扩展到上述5nm技术以下。但是由于EUV依赖使用极其复杂和昂贵的设备，因此该行业继续寻找替代品，如NIL或DSA，这可能提供一条替代的前进道路。
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