本文档为日本应用物理学会期刊《Japanese Journal of Applied Physics》于2026年发表的“Progress Review”类别文章，题为“Lithography at the End of Scaling”。作者是Harry J. Levinson，来自美国加利福尼亚州萨拉托加的HJL Lithography。本文并非一篇报道单一原创性研究的论文，而是一篇全面的“进展综述”，旨在审视在半导体器件尺寸微缩接近物理极限的背景下，光刻技术未来所面临的挑战与发展方向。文章系统性地梳理了为延续摩尔定律超越传统尺寸缩放路径，光刻领域需要解决的诸多关键技术问题，并探讨了潜在的解决方案。
论文主题与核心论点
本文的核心论点是：尽管晶体管和互连的尺寸微缩终将因物理限制而停止，但光刻技术的发展远未终结。相反，为了支持未来高性能、低功耗的集成电路以及先进封装技术，光刻技术需要在多个前沿领域进行深入且广泛的研发。文章从实现高数值孔径（High-NA）极紫外光刻的成熟化、应对随机性效应、支持新型器件架构、发展计算光刻与曲线特征、开发新型光刻胶材料、提升生产力、以及探索超越当前路线图的更高分辨率技术等多个维度，构建了一个完整的光刻技术未来路线图。
主要观点阐述
第一，高数值孔径极紫外光刻的实现与挑战。 文章指出，要实现当前技术路线图中预测的最小尺寸，必须充分启用高数值孔径极紫外光刻并达到高生产率水平。高数值孔径曝光工具（如NA=0.55）是工程学的杰作，其掩模台加速度高达32G，扫描速度超过1米/秒，同时运动控制精度达到纳米级。然而，高数值孔径也带来了新的挑战，尤其是极浅的焦深。文章详细分析了限制图案化能力的关键因素——随机性效应，特别是光子散粒噪声。为了降低噪声影响需要提高曝光剂量，但这会降低生产率。因此，提升光源功率（如开发1千瓦光源）和减少照明系统中的反射镜数量（从4片减至2片）成为提高生产力的关键路径。同时，文章探讨了替代当前二氧化碳激光驱动等离子体光源的选项，如固态激光器和自由电子激光器，后者虽然能效更高、可产生偏振光且波长可调，但系统庞大且需要全新的工业基础设施，代表了从“一机一源”到“一源多机”的范式转变。
第二，设计-技术协同优化与新型器件架构对光刻的需求。 随着单纯几何尺寸缩放放缓，设计-技术协同优化成为延续面积缩放的关键。文章回顾了从32纳米节点开始，通过引入局部互连和单向图形等方法实现设计-技术协同优化的历程。当前，新型器件架构如全环绕栅极晶体管和背面互连技术正在推动新一轮的设计-技术协同优化需求。文章特别强调了背面互连技术给光刻带来的全新挑战：需要通过厚硅层进行对准和套刻测量，这要求曝光系统和量测工具具备新能力。此外，晶圆键合导致的畸变使得套刻校正模型复杂化，需要每片晶圆进行高密度测量和场间可变的校正，这推动了计量学和工艺控制的发展。
第三，计算光刻、曲线特征与光刻胶材料的演进。 为了获得最大的工艺窗口，逆向光刻技术和光源-掩模协同优化技术变得日益重要。这些技术的解决方案往往涉及掩模上的曲线特征。文章指出，随着多束掩模写入器的引入，制造曲线特征掩模的障碍已从写入时间转向整个掩模制造和数据流程的基础设施成熟度，包括数据格式、掩模规则检查、工艺修正、缺陷检测和量测等。更进一步，将曲线特征直接引入芯片设计本身（而不仅仅是掩模上的辅助图形）可以带来性能提升和功耗降低，这需要电子设计自动化工具链的全面支持，对寄生参数提取等环节提出了新的数学描述挑战。在计算光刻方面，文章列表详述了极紫外光刻需要应对的复杂因素，包括掩模三维效应、 flare、带宽影响、各向异性成像等，所有这些因素需要在处理复杂布局时被同时建模，计算复杂度和精度要求持续提升。在材料方面，文章分析了为应对分子级随机性并满足亚纳米级线边缘粗糙度要求，光刻胶材料的发展方向：从多组分的化学放大胶转向分子分布更均匀的金属氧化物光刻胶，并展望了“垂直定制”光刻胶等新概念，这些材料旨在通过小尺寸的垂直分子结构来兼顾功能性和高分辨率。
第四，生产力提升：硬件与软件的双重驱动。 在尺寸微缩红利减弱的背景下，提升生产力成为降低成本的关键。硬件方面，持续提升光源功率是提高极紫外光刻产能的核心。文章通过图表分析了曝光工具吞吐量与光源功率/曝光剂比值的关系，指出在达到机电极限前，更高的功率支持更高的剂量以抑制随机性，从而可能使单次曝光在低k1值下变得经济可行。同时，必须解决高功率带来的掩模和镜片热效应问题。软件方面，对于包含数十亿乃至万亿晶体管的器件，计算光刻任务的运行时间已成为产品上市时间的瓶颈。因此，在提高计算速度的同时提升模型精度（例如通过更精细的网格和纳入更多物理机制），将是长期且高强度的研发活动。此外，文章也提及了通过使用短波长光固化底层材料来替代热板，可显著降低能耗，体现了在环境可持续性方面的努力。
第五，极紫外光刻的延伸与极限探索。 根据国际器件与系统路线图，未来需要形成7纳米半节距的图形，这超出了0.55数值孔径单次曝光的能力范围。若需要更小尺寸，文章探讨了两种提升光学分辨率的技术路径：一是进一步提高数值孔径（超高数值孔径，Hyper-NA），二是缩短波长（如使用6.7纳米）。超高数值孔径方案可以沿用现有的13.5纳米波长基础设施，但焦深更小，且可能需依赖偏振光照明，而曲线特征会削弱偏振光的优势。短波长方案能提供相对较大的焦深，但需要全新的多层膜、掩模、光刻胶、曝光工具和量测技术基础设施，并且面临表面粗糙度导致散射增强、已知多层膜角带宽限制数值孔径等根本性挑战。文章列表对比了两种方案的利弊。最终，光刻的极限将受到材料分子尺寸的制约，例如氧化锡的键长约0.2纳米，线边缘粗糙度要求通常为最小特征尺寸的10%，因此5纳米特征可能是接近分子构建块尺寸的实用极限。
第六，传统光学光刻的新使命：环境与先进封装。 文章强调，成熟的光学光刻技术（如i线和深紫外光刻）并非无所作为，而是在应对环境法规和满足先进封装需求方面承担新任务。在环境方面，开发无PFAS（全氟和多氟烷基物质）的光化学品和PFAS减排方法成为重要议题，已有部分替代材料被开发出来，但更先进节点对材料性能要求更高，挑战巨大。在先进封装领域，需要应对大面积、非平面基板、以及现有图形 placement 误差大等挑战。这催生了具有更大曝光视场的步进机，以及无需掩模、可适应基板形变和位置误差的直接写入光刻技术。然而，直接写入技术的量产吞吐量始终是其面临的重大挑战。
论文的意义与价值
这篇综述文章的价值在于，它超越了单纯关注分辨率提升的传统视角，为“后微缩时代”的光刻技术绘制了一幅多维度的综合发展蓝图。作者Harry J. Levinson凭借其深厚的行业洞察力，系统性地整合了从设备工程、材料科学、计算科学到电路设计协同的跨领域挑战。文章明确指出，光刻技术的未来不仅在于追求更高的数值孔径或更短的波长，更在于通过计算光刻、设计协同、新材料开发和生产效率提升等一系列创新，来克服物理极限带来的障碍，并服务于新型器件架构和先进封装等系统级集成需求。它为学术界和工业界的研究人员指明了关键的研究方向，强调了基础研究（如随机性物理）、工程创新（如自由电子激光器）和基础设施构建（如曲线特征生态系统）的同等重要性。本文是对光刻领域未来十年甚至更长时间内研发议程的一次权威梳理和前瞻性指引。