近日，據(jù)《日經(jīng)亞洲》報(bào)道，佳能Canon將斥資超過(guò)500億日元（3.5 億美元）在日本栃木建立一家工廠，以擴(kuò)大其現(xiàn)有用于芯片制造的光刻機(jī)的生產(chǎn)。佳能公司發(fā)言人 Hiroki Kobayashi 稱，新工廠將于2023年在宇都宮開(kāi)工建設(shè)，預(yù)計(jì)將于2025年投產(chǎn)。佳能已經(jīng)21 年沒(méi)有建新的光刻機(jī)廠。

有媒體稱，新工廠可能包括制造被稱為“下一代光刻技術(shù)——納米壓印光刻”設(shè)備的設(shè)施。據(jù)悉，使用該技術(shù)成本將比EUV光刻機(jī)降低40%，能耗減少90%，而且可達(dá)到10nm分辨率，有很大機(jī)會(huì)成為EUV光刻機(jī)的替代工藝。

佳能早在2004 年就開(kāi)始研發(fā)納米壓印技術(shù)，并于2014 年收購(gòu)了美國(guó)納米壓印公司Molecular Imprints，成為納米壓印技術(shù)的引領(lǐng)者，尤其在存儲(chǔ)和邏輯芯片的制造應(yīng)用中。自2017年以來(lái)，一直有佳能將納米壓印技術(shù)用于量產(chǎn)存儲(chǔ)芯片的新聞，此次佳能新工廠是否將量產(chǎn)納米壓印設(shè)備，尚未可知。可以肯定的是，納米壓印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程正在加速，除了佳能在死磕的最高端的芯片制造應(yīng)用，其他領(lǐng)域（如光學(xué)元件制造）的應(yīng)用已經(jīng)優(yōu)先商業(yè)化。

為了解納米壓印技術(shù)的最新進(jìn)展，我們查閱了相關(guān)資料，從佳能公司今年最新發(fā)布的論文中，可以略窺一二。

本文原文標(biāo)題：“Nanoimprint Lithography: Today and Tomorrow”，由佳能公司的Hirotoshi Torii等人于2022年5月25日，在Novel Patterning Technologies 2022會(huì)議上發(fā)布，鏈接doi: 10.1117/12.2615740

這篇文章介紹了佳能公司納米壓印技術(shù)的原理、技術(shù)應(yīng)用及市場(chǎng)，并闡述了為進(jìn)一步提高納米壓印技術(shù)性能所作的努力。

注：譯文略有刪減。

一、納米壓印技術(shù)簡(jiǎn)介

壓印光刻是一種有效且眾所周知的復(fù)制納米級(jí)特征的技術(shù)。納米壓印光刻(NIL)制造設(shè)備使用一種圖案化技術(shù)，該技術(shù)涉及逐場(chǎng)沉積和將通過(guò)噴射技術(shù)沉積的低粘度抗蝕劑暴露在襯底上。圖案化的掩模被降低到流體中，然后通過(guò)毛細(xì)管作用快速流入掩模中的浮雕圖案。在該填充步驟之后，抗蝕劑在UV輻射下交聯(lián)，然后去除掩模，在基板上留下圖案化的抗蝕劑。在該填充步驟之后，抗蝕劑在UV輻射下交聯(lián)，然后去除掩模，在基板上留下圖案化的抗蝕劑。與光刻設(shè)備產(chǎn)生的圖案相比，該技術(shù)忠實(shí)地再現(xiàn)了更高分辨率和更大均勻性的圖案。此外，由于該技術(shù)不需要一系列寬徑透鏡和高級(jí)光刻設(shè)備所需的昂貴光源，因此NIL設(shè)備實(shí)現(xiàn)了更簡(jiǎn)單，更緊湊的設(shè)計(jì)，允許多個(gè)單元聚在一起以提高生產(chǎn)率。

先前的研究表明，NIL分辨率優(yōu)于10nm，使得該技術(shù)適用于使用單個(gè)掩模打印多代關(guān)鍵存儲(chǔ)器級(jí)別。此外，僅在必要時(shí)應(yīng)用抗蝕劑，從而消除材料浪費(fèi)。鑒于壓印系統(tǒng)中沒(méi)有復(fù)雜的光學(xué)器件，當(dāng)與簡(jiǎn)單的單級(jí)處理和零浪費(fèi)相結(jié)合時(shí)，工具成本的降低導(dǎo)致了對(duì)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器應(yīng)用非常有說(shuō)服力的成本模型。

在制造中引入的任何新光刻技術(shù)都必須提供性能優(yōu)勢(shì)或成本優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵技術(shù)屬性包括對(duì)準(zhǔn)，套刻精度和吞吐量。在之前的論文中，已經(jīng)在測(cè)試晶片上報(bào)告了套刻精度和吞吐量結(jié)果。2018年，Hiura等人。使用FPA-1200 NZ2C四工位集合工具報(bào)告了3.4 nm的混合匹配套刻層(MMO)和橫跨晶片的單機(jī)套刻層(SMO)為2.5 nm。這些結(jié)果通過(guò)將放大致動(dòng)器系統(tǒng)與高階失真校正(HODC)系統(tǒng)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而能夠校正高達(dá)K30的高階失真項(xiàng)。

最后，我們描述了佳能在開(kāi)發(fā)可持續(xù)未來(lái)方面的努力，并探討了如何應(yīng)用新方法來(lái)減少浪費(fèi)并實(shí)現(xiàn)環(huán)保的解決方案。

二、納米壓印技術(shù)應(yīng)用與市場(chǎng)

與其他半導(dǎo)體器件的圖案化方法不同，NIL具有拓展其他市場(chǎng)的潛力，如圖1所示。除了內(nèi)存和邏輯，NIL應(yīng)用還包括 CMOS、筆記本電腦、光學(xué)元件和超光學(xué)元件(MOES)。在本文中，我們討論了DRAM，邏輯和MOE。本文的這一部分還包括關(guān)于如何解決缺陷以及機(jī)器學(xué)習(xí)如何驅(qū)動(dòng)NIL性能的更新。

a.?DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）

佳能NIL最近的努力集中在開(kāi)發(fā)用于高級(jí)內(nèi)存應(yīng)用，例如DRAM和存儲(chǔ)類內(nèi)存。DRAM內(nèi)存具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)镈RAM的路線圖要求繼續(xù)縮放，最終達(dá)到14nm及以上的半音高。對(duì)于DRAM，某些關(guān)鍵層上的套刻比NAND FLASH要緊得多，誤差預(yù)計(jì)為最小半間距的15-20%。對(duì)于14nm，這意味著2.1-2.8 nm。DRAM器件設(shè)計(jì)也具有挑戰(zhàn)性，布局并不總是有利于間距劃分方法，例如SADP和SAQP。這使得直接打印過(guò)程，例如NIL是一個(gè)有吸引力的解決方案。包括DRAM套刻要求的設(shè)備路線圖如圖2所示。

近年來(lái)，設(shè)備制造商為了生產(chǎn)高產(chǎn)量的設(shè)備，需要考慮的不僅僅是套刻誤差，還包括近年來(lái)引入的邊緣放置誤差概念。邊緣放置誤差(Edge Placement Error, EPE)是電路布局的預(yù)期和印刷特征之間的差異。例如，考慮設(shè)備中的一條線，它必須精確地放置，以便觸點(diǎn)能夠正確地落在該線上。偏差或錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)位，進(jìn)而影響器件的良率。雖然在概念上很簡(jiǎn)單，但由于需要復(fù)雜的多重模式方案，導(dǎo)致EPE的變量顯著增加。

b.?Logic（邏輯芯片）

第二個(gè)感興趣的市場(chǎng)是logic。2021年，佳能與日本其他主要半導(dǎo)體制造設(shè)備公司一起申請(qǐng)新能源和工業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)組織（NEDO）關(guān)于邏輯器件擴(kuò)展小型化的“后5G信息和通信系統(tǒng)增強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施的研究和開(kāi)發(fā)項(xiàng)目”。方案獲批，標(biāo)的為2nm節(jié)點(diǎn)后邏輯器件的擴(kuò)展。該計(jì)劃包括使用美國(guó)國(guó)家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)與技術(shù)研究所 (AIST) 的共享試驗(yàn)線實(shí)施和驗(yàn)證納米制造晶圓。NEDO 項(xiàng)目組織的示意圖如圖 3 所示。

開(kāi)發(fā)工作將針對(duì)納米片器件，如下圖所示。在這個(gè)計(jì)劃中，佳能將開(kāi)發(fā)NIL 技術(shù)用于 12nm半節(jié)距及以下的BEOL。

c.?Meta Optical Elements (MOEs)（超光學(xué)元件）

超光學(xué)元件是一種圖案化的超表面。這些元件的潛在用途是用于相機(jī)、手機(jī)和其他設(shè)備中的光學(xué)元件，這些設(shè)備通常依賴于聚焦光形成圖像的成形鏡頭。通過(guò)引入超表面，可以縮小鏡頭并消除過(guò)去的約束。超表面通常指的是超材料的二維對(duì)應(yīng)物。超表面可以是結(jié)構(gòu)化的或非結(jié)構(gòu)化的，具有水平維度中的亞波長(zhǎng)尺度圖案。

因?yàn)槌哥R是平坦的（平面的）和超薄的，所以它們不會(huì)產(chǎn)生色差——它們是“消色差的”——因?yàn)樗胁ㄩL(zhǎng)的光幾乎同時(shí)通過(guò)。它們的優(yōu)點(diǎn)還包括可調(diào)色散——操縱光的顏色如何分散的能力——與玻璃或其他具有固定色散的傳統(tǒng)材料相反。

在右側(cè)圖中所示的示例中，請(qǐng)注意元素的特征大小和方向的更改。

MOES的前期工作主要依賴于電子束光刻，電子束光刻適合原型制作，但不用于大面積生產(chǎn)。由于與技術(shù)相關(guān)的模式約束很少，NIL是MOE生產(chǎn)模式的有吸引力的選擇。

d.?Defect Management（缺陷管理）

所有設(shè)備的一個(gè)共同主題都是缺陷性和缺陷管理。每種設(shè)備類型都有自己的需求，這就規(guī)定了管理各種缺陷源的策略和實(shí)踐。Logic 設(shè)備有最嚴(yán)格的要求，而DRAM相對(duì)于 Logic 往往比較寬松。MOEs更多的是作為一個(gè)平均器件，所需的缺陷水平并不像最先進(jìn)的半導(dǎo)體電路那樣緊密。

關(guān)于減輕零缺陷源的方法已經(jīng)發(fā)表了幾篇論文。最近的工作是在現(xiàn)場(chǎng)研究的顆粒清洗和顆粒檢測(cè)。晶片顆粒檢測(cè)（WPC）系統(tǒng)對(duì)空白晶片的靈敏度為200nm量級(jí)，通過(guò)與KLA-Tencor SP3工具進(jìn)行比較得到確認(rèn)，如圖6所示。該工具將用于避免在使用過(guò)程中獲取復(fù)制掩模上的任何中繼器缺陷。

e.?針對(duì)NIL的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)

最后，佳能正在應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)來(lái)進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，提高生產(chǎn)力，并實(shí)現(xiàn)快速增強(qiáng)系統(tǒng)的自主控制。該系統(tǒng)軟件被稱為“光刻+”或Liplus。在圖7中顯示了一個(gè)如何將其應(yīng)用于NIL的示例。在本例中，開(kāi)發(fā)了機(jī)器學(xué)習(xí)模型來(lái)檢查自動(dòng)滴液配方中的潛在缺陷位置，以便可以快速地對(duì)液滴模式進(jìn)行微調(diào)并反饋到工具日志中，從而產(chǎn)生更有效的液滴模式。Liplus可以應(yīng)用的其他領(lǐng)域包括對(duì)準(zhǔn)優(yōu)化、抗噴射和減輕振動(dòng)。

三、可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)

最后，我們討論了佳能在發(fā)展可持續(xù)性和解決全球問(wèn)題以改善人類方面的努力。這導(dǎo)致了如圖8所示的“目標(biāo)清單”，其中包括經(jīng)濟(jì)實(shí)惠和清潔能源，負(fù)責(zé)任的消費(fèi)和生產(chǎn)以及工業(yè)創(chuàng)新和基礎(chǔ)設(shè)施等主題。

這些指導(dǎo)原則適用于NIL技術(shù)，如圖9所示。NIL工具的開(kāi)發(fā)旨在最大限度地降低功耗并減少浪費(fèi)。通過(guò)將抗蝕劑直接噴射到晶片上的步進(jìn)場(chǎng)上，該晶片具有與填充壓印掩模上的浮雕圖像所需的體積相配的體積，以及直接在形成的抗蝕劑圖案下方的薄的殘余底層，使抗蝕劑使用最小化。

關(guān)于功耗，NIL利用簡(jiǎn)單的單步圖案化過(guò)程與較低的功率暴露源相結(jié)合以降低功耗，無(wú)論如圖10a和10b所示的器件節(jié)點(diǎn)如何。

作為最后一個(gè)例子，我們考慮在噴射之后的抗蝕劑填充過(guò)程，其需要去除存在的任何氣體以完成滴聚和特征填充步驟。一直使用氦氣，因?yàn)樗苋菀讛U(kuò)散到熔融二氧化硅掩模中。然而，目前世界面臨氦氣短缺。例如，圖11顯示了過(guò)去七十年美國(guó)的生產(chǎn)和存儲(chǔ)，最近兩者的趨勢(shì)是顯而易見(jiàn)的。

為了應(yīng)對(duì)這一趨勢(shì)，我們最近研究了氮?dú)夂秃獾忍娲鷼怏w。氣體滲透率本質(zhì)上是溶解度系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)的乘積。在合適的材料存在下，可以更有效地去除二氧化碳。這在圖12中示出，其中抗蝕劑填充時(shí)間被模擬為碳(SOC)薄膜上底層自旋厚度的函數(shù)。需要最小厚度的SOC來(lái)實(shí)現(xiàn)更快的填充。需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究來(lái)了解該機(jī)制，但現(xiàn)在正在制定路線圖，以盡量減少或消除氦氣的使用。

四、結(jié)論

壓印光刻是一種有效且眾所周知的復(fù)制納米級(jí)特征的技術(shù)。納米壓印光刻(NIL)制造設(shè)備使用一種圖案化技術(shù)，該技術(shù)涉及逐場(chǎng)沉積和將通過(guò)噴射技術(shù)沉積的低粘度抗蝕劑在襯底上曝光。先前的研究表明，NIL分辨率優(yōu)于10nm，使使得該技術(shù)適用于單掩模印刷幾代關(guān)鍵內(nèi)存級(jí)別。此外，僅在必要時(shí)應(yīng)用抗蝕劑，從而消除材料浪費(fèi)。鑒于壓印系統(tǒng)中沒(méi)有復(fù)雜的光學(xué)器件，當(dāng)與簡(jiǎn)單的單級(jí)處理和零浪費(fèi)相結(jié)合時(shí)，工具成本的降低導(dǎo)致了對(duì)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器應(yīng)用非常有說(shuō)服力的成本模型。

這篇評(píng)論論文中，我們已經(jīng)觸及了可以使用NIL解決的市場(chǎng)，包括高級(jí)存儲(chǔ)器，邏輯和超光學(xué)元件。我們還描述了進(jìn)一步提高NIL性能的努力，涵蓋了缺陷緩解和機(jī)器學(xué)習(xí)算法。此外，我們報(bào)告了最近開(kāi)發(fā)圖案轉(zhuǎn)移工藝的努力，該工藝可用于通過(guò)調(diào)整晶圓的關(guān)鍵尺寸和降低線邊緣粗糙度來(lái)解決邊緣放置誤差。

最后，我們討論了佳能在開(kāi)發(fā)可持續(xù)未來(lái)方面的努力，并探討了如何應(yīng)用新方法來(lái)減少浪費(fèi)并實(shí)現(xiàn)環(huán)保解決方案。

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