本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）编译自globalspec

High NA 不再是唯一出路。

半导体行业正在重新评估其制造最先进芯片的长期路线图。高数值孔径（High-NA）光刻技术曾被视为实现亚2纳米节点微型化的必由之路，但现在正被人们与其他选择进行权衡。

尽管高数值孔径技术是光学领域的里程碑式成就，但它面临的巨大挑战和巨大的资本投入也促使了互补图案化技术的同步发展。事实上，这些技术作为具有竞争力且实用的替代方案，正日益受到关注。

这并不是对光学进步的拒绝。而是务实地拥抱多方面的工具包，其中材料科学、物理学和创新工艺的进步汇聚在一起，以克服巨大的障碍。

高数值孔径（NA）芯片的未来节点生产造价高达4亿美元，代表着世界上最先进、最昂贵的芯片制造设备。它由ASML公司制造，承诺压缩波长、扩大透镜尺寸并实现8纳米分辨率。更高的数值孔径可以聚集更多光线，从而实现更精细的图案化，但它并没有扩大透镜尺寸，反而缩小了成像范围。

最新的高数值孔径扫描仪每小时可处理220片晶圆。英特尔公司是第一家使用高数值孔径扫描仪来扩展逻辑和存储设备的公司，但许多其他公司可能也会效仿。

在追求尖端光学工具的同时，务实的理念也逐渐兴起。工程师们如今正倡导优先考虑成本效益和可制造性的替代方案。这些方案包括：取消昂贵的洁净室改造、增强结构稳定性、改进薄膜设计以提高透光率，以及减少对复杂晶圆场缝合的依赖。在现代芯片设计的异构集成领域，替代方法越来越被认为是针对特定应用的重要实用解决方案。

深紫外线复苏的可能性不大

或许最令人惊喜的发展是深紫外(DUV) 浸没式光刻技术的再度兴起。DUV 曾一度被认为是一项即将过时的技术，但事实证明它不可或缺。其长盛不衰证明了其工艺的成熟度以及支撑其发展的庞大基础设施。

通过改进多重图案化技术，采用顺序光刻蚀刻循环，工程师们现在可以实现远低于光学分辨率极限的间距。该工艺从193纳米光学器件中挖掘出前所未有的容量和性能，通过重复精确的曝光实现更精细的特征。

基于间隔层的流程，例如自对准双重图案化(SADP) 和自对准四重图案化 (SAQP)，将结构细分为更紧密的几何形状。根据《半导体工程》的一份报告，这些方法使 DUV 工艺远远超出了其标称的 40 纳米半间距极限，通过精确的套刻控制和严格的检测，实现了 20 纳米及以下的精度。

在更广泛的基于蚀刻的工艺系列中，间隔层技术是对光刻-蚀刻-光刻-蚀刻 (LELE) 等间距分割方法的补充，但其设计方面的复杂性更低，并且在 NAND 闪存和 FinFET 结构微缩方面已获得成功验证。SADP 和 SAQP 通过采用沉积和蚀刻循环来形成侧壁间隔层，使芯片制造商无需依赖成本日益高昂的曝光步骤即可复制几何形状。

中芯国际(SMIC) 对 7 纳米器件的独立审核证实，仅采用 DUV 工艺（采用先进的多重曝光技术而非高数值孔径技术）即可生产出功能齐全的芯片。TechInsights 对华为麒麟 9000S 处理器的拆解分析明确证实了这一验证，表明 DUV 仍然能够生产此前被认为仅供高数值孔径技术使用的先进节点。

纳米压印光刻技术(NIL) 在 Imec 实验室中集成到 200 毫米/300 毫米代工工艺中。来源：Imec

纳米压印：机械范式的转变

纳米压印光刻(NIL) 采用了与传统光刻技术截然不同的方法。与利用光投射图像不同，NIL 使用主模板将图案物理压印到低粘度光刻胶上，并通过紫外光和热固化使其硬化。这种直接的机械转移完全避开了光的衍射极限，以及光学方法固有的相关问题，例如光子散粒噪声以及日益复杂的光学邻近效应校正。

最近的进展已将NIL从实验室的好奇心推进到可投入生产的制造技术。佳能等公司以及值得一提的中国公司普林诺（Prinano）已经开发出可用于生产的设备。普林诺用于300毫米晶圆的PL-SR系统声称能够压印10纳米以下的特征，且套刻精度偏差小于2纳米。该系统固有的优势包括显著降低的设备成本、极低的能耗以及无需笨重的激光和光学系统，使其在大批量、重复性光刻技术中具有吸引力。

在特定领域，NIL 的价值主张最引人注目。

内存： NAND 闪存和 DRAM 的规则、密集阵列非常适合单步压印工艺。

光子学和硅中介层：制造波导和硅通孔(TSV) 的图案。

复合半导体和新型基板：与光学光刻不同，NIL 与基板的材料或形貌无关，可以在弯曲、柔性或非硅表面上进行制造。

尽管模板缺陷、母版耐久性和复杂逻辑层套刻方面仍存在挑战，但NIL已成功开辟出一个重要的市场。NIL不太可能在5纳米以下节点取代高NA逻辑技术，但它在邻近应用领域的崛起，创造了一个并行扩展的路线图。

图案塑造技术

鉴于高数值孔径光刻技术并非完美无缺，目前已出现一类新的工艺，可在曝光后对元件进行校正和细化。其中，应用材料公司的Centura Sculpta 技术引入了几何整形技术，这是一种数字雕刻技术，可以减轻高数值孔径光刻技术固有的随机效应，同时减少对昂贵的多重图案化的依赖。Sculpta 技术使用定向带状电子束来拉长印刷特征，使点到点间距比单次印刷更近。此外，它还可以消除可能降低良率的桥接缺陷。

东京电子的Acrevia系统也采用气体团簇束(GCB) 技术，在光刻后重塑和细化图案。在初始曝光和干蚀刻之后，Acrevia 系统以受控的晶圆角度引导高能气体原子团簇，以调整侧壁尺寸、平滑粗糙边缘并减少随机效应。通过降低线边缘粗糙度并校正晶圆内差异，该设备减少了对双重曝光层的需求。

光刻后优化可作为校正阶段，在曝光后细化轮廓，而非重复曝光。此类系统可无缝集成到当前的高数值孔径(High-NA) 流程中，既可作为良率提升器，又可作为套刻缓冲器。此外，它们还能提供关键的平衡，降低行业对光学微缩的战略依赖。

混合剧本

高数值孔径本质上具有选择性，这既取决于物理限制，也取决于经济权衡。它的部署是一项专注于卓越分辨率的战略性工程选择。其结果是，混合图案化技术能够优化整个光刻堆栈的成本、产量和性能。

在混合模型中，每种工具都有其各自的作用。高数值孔径（NA）用于最关键的前端层，例如鳍片、栅极和触点。替代工具则成为主力，定义关键的互连和逻辑层。深紫外（DUV）浸没技术用于密集、规则的结构，例如SRAM位单元和选定的金属层。纳米压印（NIL）技术在光子学和微机电系统中找到了自己的利基市场，在这些领域，成本和独特的材料多功能性具有变革性。至关重要的是，整个多工具流程都以图案化后特征校正技术为基础。

这些系统共同构成了一种通用的校正措施，可以改善关键尺寸的均匀性，并降低性能要求和成本负担。这种混合方法体现了工程哲学的根本性演变，并融入了系统级视角。

结论

几十年来，摩尔定律一直以一个可预测的公式指引着整个行业：更小的晶体管、更快的芯片和更便宜的性能。高数值孔径（NA）技术应运而生，作为摩尔定律的延续，旨在将微缩技术扩展到2纳米以下的时代。如今，这一愿景依然存在，但背景已发生改变。

成熟的技术可以自我重塑。摩尔定律会有所改变。工程师们仍在追求密度，但需要通过光学、机械和化学工艺的融合来实现。高数值孔径技术或许仍将保持领先地位，但其主导地位正受到芯片制造领域同等重要替代技术的削弱。

这一战略扩展开启了半导体微型化的新时代。未来的创新将不再依赖于单一的突破，而是更多地依赖于多种方法的战略协调，每种方法都针对特定的需求量身定制。随之而来的是一个更全面的框架，其中经济可行性、可制造性和基础物理学在指导半导体工程进步方面享有同等的权威。

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