高数值孔径EUV光刻技术：推动芯片制造的新篇章

过去的两年见证了高数值孔径极紫外（EUV）光刻技术的显著发展。随着首批系统交付客户以及ASML与imec联合实验室的启动，整个生态系统得以早期探索其潜力，这项技术正迎来真正的飞跃。当前，高数值孔径EUV技术展现出巨大潜力，有望实现其在尺寸微缩、工艺简化及设计灵活性方面的承诺。

这些能力的释放得益于一种全面的方法，该方法同时优化材料和图案化工艺、掩模和成像技术、光刻增强技术（如光学邻近校正 (OPC)）、计量和检测以及设计。这是imec-ASML高数值孔径EUV生态系统内强大合作的成果，涵盖了领先的芯片制造商、设备、材料和光刻胶供应商、掩模公司以及计量专家。

本文探讨了高数值孔径 EUV 光刻技术背后的关键驱动因素，并重点介绍了光刻和图案化生态系统发展中的转折点，使得该技术得以进行实验验证。

更高的分辨率和图像对比度

相较于0.33NA EUV光刻，0.55NA EUV光刻的数值孔径(NA)提高了67%，有望获得更高的分辨率。

解析间距小至16纳米：世界纪录

光刻系统的分辨率反映了其打印和分辨特定间距或关键尺寸(CD)特征的能力。瑞利方程提供了提高分辨率的三个途径：使用更小的k1因子、更短波长的光以及提高系统投影镜头的数值孔径(NA)。k1因子受许多芯片制造工艺相关因素影响，通常尽可能接近其物理极限0.25以提高分辨率。NA控制用于成像的光量（即镜头捕获的衍射级数）。低NA(0.33)和高NA(0.55) EUV光刻均使用波长为13.5nm的光，但高NA EUV的NA值比低NA EUV高67%，在分辨率方面具备明显优势，有望分辨出间距小至16nm（或CD为8nm）的线条。

2024年，imec在ASML-imec高数值孔径EUV光刻实验室中，利用0.55NA EUV光刻扫描仪（TWINSCAN EXE:5000）实现了16nm间距线/空的单次打印图像，创造了世界纪录。这些图像打印在专为高数值孔径EUV光刻优化的金属氧化物光刻胶（MOR）上。同样，接触孔（打印在化学放大光刻胶（CAR）上）和柱状结构（打印在MOR上）也展现了令人瞩目的24nm间距（中心距）分辨率。

然而，最终分辨率仅是“光学”上的承诺，反映图像在照射到晶圆前空中成像的质量。在晶圆曝光过程中，空中成像会在光刻胶中形成图案，这些图案在显影后会被进一步蚀刻到下层材料中。因此，最终图案化结构的分辨率也取决于图案化过程中使用的材料（光刻胶、下层材料、硬掩模等）和蚀刻工艺的性能。工艺限制也可能影响300mm晶圆上最终结构的良率。

因此，高数值孔径极紫外光刻技术（High NA EUV）实现工业相关图案化结构的分辨率极限将大于16nm间距。先进的光刻材料研发工作，特别是新型材料和磁光刻（MOR）技术的研发，对于使图案化技术的分辨率尽可能接近高数值孔径极紫外光刻技术的理论极限至关重要。

2025年，imec展示了20nm间距的金属化线结构，适用于工业级镶嵌金属化工艺；此外，还展示了采用直接金属刻蚀（DME）金属化方案获得的20nm和18nm间距的钌线。这种极高的分辨率是通过一种整体方法实现的，涉及对光学邻近校正（OPC）技术、光掩模、光刻胶、底层、刻蚀工艺和材料的协同优化。

工艺简化

芯片行业可能认为，20nm的特征尺寸也可通过低数值孔径 (Low NA) 的极紫外 (EUV) 光刻技术进行图案化。诚然如此，但这需通过复杂的多次曝光步骤实现，增加了制造时间、降低了良率、提高了碳排放并增加了成本。而高数值孔径 (High NA) 的极紫外光刻技术提供的高分辨率减少了多次曝光的需求，使得最小芯片特征尺寸能在一次曝光中完成印刷。

逻辑路线图：逻辑A14和A10关键金属层的单次图案化

对于A14和A10逻辑节点，最关键金属层（即M0和M2）的要求非常苛刻：线/间距≤20nm，用于中断线的密集端对端(T2T)结构（行业目标是T2T的CD≤15nm，LCDU≤3nm），以及中心距≤30nm的随机通孔。与需要三个掩模的0.33NA EUV光刻相比，实验证实，使用仅一个掩模的0.55NA EUV光刻即可完成这些特征的图案化。

DRAM路线图：D1d和D0a位线周边/存储节点，着陆焊盘层的单次图案化

高数值孔径极紫外光刻技术能够省去复杂的多重曝光步骤，成为未来DRAM节点发展的关键技术。对于如32nm (D1d) 和28nm (D0a) DRAM等节点，实验已证实使用高数值孔径极紫外光刻技术对BLP/SNLP层进行图案化的可行性。与至少需要三个掩模的 0.33NA EUV 光刻技术相比，使用仅一个掩模的 0.55NA EUV 光刻技术即可完成这些BLP/SNLP层的图案化。

设计灵活性

在20世纪中期后，先进逻辑芯片的设计在最关键层中从二维电路布局转向了一维曼哈顿布局。这种设计上的“代价”是为了扩展193nm浸没式光刻技术的应用范围，使其能够实现更低k1值的单次曝光和多次曝光，为 准备好。在二维双向设计中，曼哈顿几何结构用于在垂直和水平方向上形成电路。相比之下，一维或单向设计仅在每一层中沿垂直或水平方向排列结构。尽管一维曼哈顿布局能够提供高密度表示，但它也存在一些局限性。例如，当需要将一条金属线与相邻的金属线连接时，必须增加一层带有通孔的结构——这不仅会增加晶圆成本，还会增加电流路径的长度。

高数值孔径极紫外光刻技术带来的分辨率飞跃使重新应用成为可能。这不仅为芯片设计人员提供了更大的灵活性以提升功耗和性能，还有助于减少芯片面积或层数从而降低成本。

高数值孔径极紫外光刻技术可实现二维设计的双向布线

Imec及其合作伙伴演示了使用 双向布线。OPC优化和掩模制作质量使得 能够在蚀刻后实现设计意图与晶圆数据之间良好的图案保真度。

与曲线设计技术的兼容性

此外，imec还开发了一种解决方案用于在芯片设计阶段引入更复杂的曲线几何形状。曲线设计已被证明对多种应用场景有益。例如，在标准单元设计中曲线设计可以在放宽M...的同时实现面积缩减。imec最近展示了曲线设计形状与高数值孔径EUV光刻技术的兼容性从而能够充分利用...。

结论

开发高数值孔径（High-NA）专用光刻和图案化技术需要采用整体方法才能验证其三大优势：相较于...；通过单次图案化简化工艺；以及通过...。Imec及其合作伙伴生态系统正不断突破这些技术的极限开发下一代...。目前研发工作正致力于解决...等挑战。

因此...它被视为满足...需求的必要条件因为这些应用需要硬件快速发展。该技术在实现...方面也发挥着关键作用。