光刻和圖案化在未來將繼續(xù)發(fā)展，但面臨許多挑戰(zhàn)。預(yù)計(jì)2024年將推出High NA（數(shù)值孔徑）工具，但需要在光源、工具、掩模、材料、計(jì)算光刻和隨機(jī)控制方面進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)這些工具的生產(chǎn)使用。工藝窗口預(yù)計(jì)會(huì)很小，需要使用更薄的抗蝕劑，并且還可能需要經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)的工藝集成方案。

High NA工具的較小字段尺寸對于一些產(chǎn)品設(shè)計(jì)來說是困難的。這可能會(huì)刺激許多相對較小芯片的高性能封裝的增長。也在考慮采用更大的掩模尺寸來實(shí)現(xiàn)更大的曝光場的方法。抗蝕劑和相關(guān)材料需要改進(jìn)，但即使有了改進(jìn)，劑量也將繼續(xù)增加，以便能夠充分控制隨機(jī)效應(yīng)。從長遠(yuǎn)來看，可以開發(fā)出更高的NA EUV（“Hyper NA”），但這面臨著許多技術(shù)挑戰(zhàn)，可能不如0.33或0.55 NA EUV的多重圖案化有效。化學(xué)放大抗蝕劑至少在1納米邏輯節(jié)點(diǎn)之前仍將是主力抗蝕劑，但基于金屬的新品種抗蝕劑（濕沉積和干沉積）也有著廣闊前景。隨著世界對環(huán)境問題日益關(guān)注，能源效率和化學(xué)品安全問題也日漸受到關(guān)注。

從歷史上看，光刻技術(shù)的改進(jìn)一直是改進(jìn)芯片技術(shù)的關(guān)鍵因素。國際器件和系統(tǒng)路線圖（IRDS）光刻路線圖預(yù)測了當(dāng)前的圖案化能力如何支持未來的芯片，以及哪里需要挑戰(zhàn)和改進(jìn)。它給出了預(yù)期的關(guān)鍵光刻需求的路線圖，旨在供半導(dǎo)體行業(yè)參與者、行業(yè)分析師以及希望或需要了解該行業(yè)未來將如何發(fā)展以及需要解決哪些挑戰(zhàn)的研究人員使用。

2022年以來光刻路線圖的趨勢

使用13.5nm波長的光進(jìn)行成像的EUV光刻技術(shù)已被簡歷。先進(jìn)的邏輯產(chǎn)品依賴于它，DRAM制造商已經(jīng)開始大批量生產(chǎn)。已經(jīng)清楚的是，EUV將不會(huì)取代多重圖案化。這兩種技術(shù)都將被使用，是否使用多重圖案化將取決于特定級(jí)別的細(xì)節(jié)、產(chǎn)量和成本。隨著邏輯尺寸的不斷縮小，可能會(huì)使用EUV雙圖案化。

光源長期以來一直是EUV光刻的一個(gè)挑戰(zhàn)。用于光學(xué)光刻的波長是在窄帶寬上存在高強(qiáng)度光源的情況下選擇的。相反，實(shí)施EUV光刻的波長是基于具有高反射率的多層反射器的可用性。因此，開發(fā)具有足夠功率的可靠EUV光源以實(shí)現(xiàn)具有成本效益的掃描儀吞吐量，同時(shí)提供足夠高的劑量以避免由于光子發(fā)射噪聲引起的產(chǎn)量損失，一直是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

然而，電漿光源（LPP）目前主要用于大批量生產(chǎn)（HVM）中的EUV光刻。在劑量控制的條件下，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了600瓦的中等聚焦光功率，并努力將其提高到1千瓦。可靠性也在不斷提高。隨著輸出功率的增加，產(chǎn)生光所需的電量也會(huì)增加。減少用電量有幾種選擇，波長比目前在LPP光源中使用的CO2激光器產(chǎn)生的波長短的紅外激光器可以在將電轉(zhuǎn)換為紅外光和將紅外光轉(zhuǎn)換為EUV光方面提供更好的效率。

或者，在可預(yù)見的未來，自由電子激光器（FEL）將提供根據(jù)光刻的要求縮放功率和波長的能力。適合在大批量制造中使用的FEL光刻光源必須通過同時(shí)為多個(gè)工具供電或縮放加速器尺寸來滿足“每光子成本”（包括操作費(fèi)用和環(huán)境影響）的要求。FEL可以提供偏振光，這可能是實(shí)現(xiàn)Hyper NA光刻所需要的。需要解決方案來降低由自由電子激光產(chǎn)生的光的高相干性，其中偏振和相干性對于單獨(dú)的曝光工具是可自由調(diào)節(jié)的。對于單個(gè)FEL為多個(gè)曝光工具供電的實(shí)施方式，需要處理高總光束功率的方法。此外，光源的可用性必須接近100%，并且任何中斷都必須能夠快速恢復(fù)。

傳統(tǒng)光刻機(jī)技術(shù)在半導(dǎo)體制造和其他微納制造領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，但也面臨一些挑戰(zhàn)和局限性。其中包括分辨率、精度等方面的限制。

1. 分辨率限制：傳統(tǒng)光刻機(jī)技術(shù)使用紫外光照射光刻膠來制造微細(xì)結(jié)構(gòu)。然而，由于紫外光波長的限制，傳統(tǒng)光刻機(jī)的分辨率受到限制，無法滿足日益縮小的微納制造需求。

2. 精度限制：傳統(tǒng)光刻機(jī)的制造精度受到多種因素的影響，包括光學(xué)系統(tǒng)的誤差、光刻膠的性質(zhì)變化等。這些因素影響了微結(jié)構(gòu)的精確度和一致性。

針對傳統(tǒng)光刻機(jī)技術(shù)的局限性，新興技術(shù)涌現(xiàn)并取得了一定的突破，帶來了一些優(yōu)勢：

1. 更高的分辨率：新興技術(shù)如極紫外光刻（EUV）和電子束（E-beam）光刻提供了更短的波長或更小的聚焦電子束，從而實(shí)現(xiàn)了更高的分辨率。EUV技術(shù)使用極端紫外光，能夠?qū)崿F(xiàn)比傳統(tǒng)光刻機(jī)更小的納米級(jí)別特征制造。

2. 更快的生產(chǎn)速度：一些新興光刻技術(shù)具有更高的生產(chǎn)速度，能夠顯著提高芯片的制造效率。例如，多重光束光刻技術(shù)可以同時(shí)使用多個(gè)光束進(jìn)行曝光，加快了制造速度。

3. 更大的制造尺寸范圍：一些新興技術(shù)擴(kuò)展了光刻機(jī)的制造尺寸范圍，使得可以應(yīng)對更大尺寸的芯片制造需求。例如，大面積光刻技術(shù)（如立體組裝和彎曲光刻）可以處理更大面積的襯底和芯片。

這些新興技術(shù)的突破為微納制造提供了更高的精度、更大的制造范圍和更快的生產(chǎn)速度。然而，這些技術(shù)也面臨著挑戰(zhàn)，如設(shè)備成本、制造復(fù)雜度和穩(wěn)定性等方面的問題。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮技術(shù)成熟度、成本效益和制造要求，選擇合適的光刻技術(shù)。

光刻機(jī)技術(shù)在微納米制造領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用，尤其在半導(dǎo)體制造中起到了至關(guān)重要的作用。以下是對其應(yīng)用的深入探討：

1. 芯片制造：光刻機(jī)技術(shù)是芯片制造過程中至關(guān)重要的一步。通過利用光刻機(jī)，可以將設(shè)計(jì)好的芯片圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上，并通過化學(xué)處理和蝕刻等步驟形成微細(xì)的電路結(jié)構(gòu)。光刻機(jī)的分辨率和精度決定了芯片的制造能力和性能。

2. 集成電路生產(chǎn)：光刻機(jī)技術(shù)在集成電路生產(chǎn)中起到了關(guān)鍵的作用。通過將設(shè)計(jì)好的電路圖案映射到光刻膠上，可以形成微米級(jí)別的電路結(jié)構(gòu)。光刻機(jī)的精確度和穩(wěn)定性對電路的制造和性能至關(guān)重要。

除了在半導(dǎo)體制造中的應(yīng)用，光刻機(jī)技術(shù)還在其他領(lǐng)域展示了潛在的應(yīng)用價(jià)值：

1. 生物醫(yī)學(xué)：光刻機(jī)技術(shù)可以用于生物芯片和生物傳感器的制造。通過將微米級(jí)別的結(jié)構(gòu)和通道刻寫在芯片表面，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室在芯片上的自動(dòng)化和高通量分析，推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)研究和診斷技術(shù)的發(fā)展。

2. 光子學(xué)：光刻機(jī)技術(shù)在光子學(xué)器件的制造中起到關(guān)鍵作用。通過刻寫微米級(jí)別的光子晶體結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)器件，可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)芯片的制造，用于光通信、光傳感和光電子學(xué)等領(lǐng)域。

3. 納米器件：光刻機(jī)技術(shù)在納米器件制造中也有潛在應(yīng)用。通過先進(jìn)的光刻技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)別的結(jié)構(gòu)和器件制造，如納米線、納米點(diǎn)陣等，拓展了納米科技的應(yīng)用領(lǐng)域。

通過這些潛在的應(yīng)用，光刻機(jī)技術(shù)在微納米制造領(lǐng)域展示了其廣泛的應(yīng)用前景。隨著科技的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，光刻技術(shù)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)得到進(jìn)一步拓展和深化。

未來，我們應(yīng)繼續(xù)推動(dòng)光刻機(jī)技術(shù)的研究與創(chuàng)新，投入更多資源和精力來解決技術(shù)和工藝上的挑戰(zhàn)。通過發(fā)展更先進(jìn)的光刻機(jī)技術(shù)，我們能為微納米制造領(lǐng)域帶來更多的創(chuàng)新和發(fā)展，助力科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)增長和社會(huì)進(jìn)步。

審核編輯：黃飛

?