本文由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自semiengineering

芯片行業(yè)尋求先進(jìn)制程中靈敏度、分辨率與線寬粗糙度的最佳平衡。

在EUV光刻技術(shù)中，尤其是在高數(shù)值孔徑EUV系統(tǒng)中，平衡分辨率、靈敏度與線寬粗糙度（LWR）的權(quán)衡變得愈發(fā)困難。

光刻圖案化過程依賴于同時(shí)滿足小特征尺寸分辨率、對(duì)EUV波長(zhǎng)的高靈敏度以及可接受的線寬粗糙度的光刻膠。然而，從光掩模到晶圓圖案化的最終步驟卻是最不可預(yù)測(cè)且最難以理解的環(huán)節(jié)。

雖然仿真能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)特定照明與光掩模組合產(chǎn)生的空間圖像，但一旦該圖像與光刻膠接觸，情況就變得復(fù)雜。光刻膠由多種成分混合而成，這些成分以不同方式與EUV光子相互作用。掩模特征的圖形化能力取決于其周圍光刻膠成分和EUV光子的分布。

化學(xué)放大光刻膠（CAR）

評(píng)估光刻工藝的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)——分辨率（Resolution）、線寬粗糙度（Line-width roughness）和靈敏度（Sensitivity）——構(gòu)成了光刻工程師所稱的RLS三角（RLS Triangle）。在化學(xué)放大光刻膠（CARs）中，優(yōu)化其中一個(gè)參數(shù)往往以犧牲另外兩個(gè)為代價(jià)。這類光刻膠通過入射光子生成光酸（photoacid），光酸隨后使光刻膠聚合物脫保護(hù)（deprotect），從而使其可溶于顯影液。光刻膠聚合物的分子尺寸和光酸的擴(kuò)散距離共同決定了光刻膠的最終分辨率。

靈敏度衡量的是激活光酸生成劑（PAG）分子所需的能量。光刻膠的靈敏度限制了EUV曝光系統(tǒng)的吞吐量，因此是整體工藝成本的主要影響因素。Irresistible Materials公司首席執(zhí)行官Dinesh Bettadapur估計(jì)，曝光劑量每降低1毫焦/平方厘米（mJ/cm2），每年可為每臺(tái)掃描儀節(jié)省高達(dá)100萬美元的成本。

單個(gè)EUV光子能量雖高，但數(shù)量有限。特征粗糙度取決于以下三者的相互作用：入射光子分布（即散粒噪聲）、光刻膠中PAG分子的分布，以及聚合物骨架分子的尺寸。

在2025年2月SPIE先進(jìn)光刻與圖形化會(huì)議上，杜邦公司首席研究員Emad Aqad及其團(tuán)隊(duì)發(fā)表了關(guān)于擴(kuò)展CAR光刻膠性能的研究。他們嘗試使用替代性PAG分子，希望通過提高PAG分子的電子親和力（electron affinity）來增強(qiáng)EUV吸收率。然而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高電子親和力的PAG分子可能需要兩個(gè)或更多熱電子才能被激活，因此CAR的靈敏度并未提升。不過，這些替代PAG分子改善了特征粗糙度，并增強(qiáng)了曝光區(qū)與未曝光區(qū)的對(duì)比度。

圖案特征的邊緣位于入射光子分布的尾部。為了提高靈敏度，光刻膠可能需要減少生成光酸所需的光子數(shù)量，或降低聚合物脫保護(hù)所需的光酸量。但此類調(diào)整可能增加粗糙度，因?yàn)殡S機(jī)效應(yīng)（stochastic effects）會(huì)導(dǎo)致特征邊緣某些區(qū)域過度或不足曝光。類似地，若通過光酸擴(kuò)散“修整”（trim）特征邊緣以提升分辨率，光酸分布不均也會(huì)引發(fā)粗糙度。后烘烤（post-exposure bake）在管理RLS權(quán)衡中起關(guān)鍵作用——延長(zhǎng)烘烤時(shí)間或提高溫度可促進(jìn)光酸擴(kuò)散和光刻膠脫保護(hù)反應(yīng)。

在EUV光刻（尤其是高數(shù)值孔徑EUV）中，平衡這些權(quán)衡愈發(fā)困難。高數(shù)值孔徑曝光下，入射光子以較淺角度照射晶圓，薄光刻膠層對(duì)防止陰影效應(yīng)（shadowing）和確保足夠焦深至關(guān)重要。然而，更薄的膠層必然吸收更少光子，從而降低材料的有效靈敏度。

薄光刻膠還增加了后續(xù)蝕刻步驟的難度。通常，蝕刻過程中的膠層侵蝕會(huì)使線條窄于標(biāo)稱尺寸、間距寬于標(biāo)稱尺寸。過窄的線條易出現(xiàn)斷裂缺陷，而過寬的線條則易發(fā)生橋接（bridging）。雖然蝕刻中的膠層侵蝕可減少特征粗糙度，但會(huì)將“無缺陷窗口”（failure-free window，即無橋接或斷裂的區(qū)域）推向大于標(biāo)稱尺寸的方向。

金屬氧化物光刻膠（MOR）

這些挑戰(zhàn)正驅(qū)動(dòng)著光刻膠設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。制造商們尋求更優(yōu)方案以平衡RLS三角的權(quán)衡。盡管化學(xué)放大光刻膠（CAR）自深紫外光刻時(shí)代以來一直占據(jù)主導(dǎo)地位，但在EUV時(shí)代其表現(xiàn)已顯乏力。

對(duì)薄光刻膠層的需求（需耐受長(zhǎng)時(shí)間蝕刻）推動(dòng)了對(duì)金屬氧化物光刻膠（MOR）的研究。這類材料中，金屬氧化物納米團(tuán)簇被配體包圍。EUV曝光使配體脫離，促使相鄰團(tuán)簇間形成鍵合。生成的金屬氧化物層比傳統(tǒng)聚合物光刻膠更堅(jiān)固，且對(duì)硬掩模材料具有優(yōu)異的刻蝕選擇性。

但MOR本質(zhì)上是負(fù)性材料：曝光區(qū)域在顯影液中更難溶解。這對(duì)接觸孔等應(yīng)用形成顯著限制。Inpria首席工程師Amrit Narasimhan透露，該公司正在開發(fā)用于正性光刻膠的反極性配體。

金屬氧化物光刻膠相對(duì)較新，其與EUV光子的相互作用細(xì)節(jié)尚未完全明確。得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系副教授Ching-Yu Huang及其同事研究了錫氧簇。（(MeSn)??O??(OH)??）上-CH基團(tuán)的行為。去除的-CH基團(tuán)越多（對(duì)應(yīng)更高EUV曝光劑量），相鄰團(tuán)簇間的鍵合越強(qiáng)。單個(gè)團(tuán)簇的局部環(huán)境比-CH基團(tuán)的總數(shù)量更關(guān)鍵。

清華大學(xué)第三研究組嘗試了基于氧化鋯（ZrO?）團(tuán)簇的光刻膠。這些材料具有吸引力，因?yàn)槠淇赡軐?duì)多個(gè)曝光波長(zhǎng)敏感，同時(shí)具有極高刻蝕抗性。為測(cè)試目的，研究人員省略底層和硬掩模層，僅使用ZrO?作為掩模層。在低溫HBr等離子體下實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異選擇性。但隨著基板溫度升高，會(huì)形成易升華的ZrBr。

盡管有這些演示，但底層仍然是完整圖案轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。它們至少提供均勻表面以促進(jìn)光刻膠附著。在EUV光刻中，光子常穿透光刻膠進(jìn)入底層。光刻膠/底層界面產(chǎn)生的二次電子可能驅(qū)動(dòng)光刻膠中進(jìn)一步反應(yīng)。根據(jù)具體化學(xué)性質(zhì)，結(jié)果可能是更完全的曝光或曝光區(qū)域更強(qiáng)的鍵合。

金屬氧化物光刻膠化學(xué)與CAR化學(xué)完全不同，不同底層化學(xué)可能產(chǎn)生最佳效果。Brewer Science科學(xué)家團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Si Li及其同事研究了一系列與金屬氧化物光刻膠配合使用的旋涂玻璃底層。通過適當(dāng)改性劑，他們?cè)诮缑嫣幋龠M(jìn)MOR溶解度，最終將必要曝光劑量降低約20%。imec與Brewer Science的合作也通過結(jié)合旋涂底漆層與SiON硬掩模取得良好結(jié)果。

干法光刻膠

盡管金屬氧化物光刻膠備受關(guān)注，業(yè)界仍在尋找替代方案。其中較突出的方案是Lam Research的干法光刻膠工藝，其采用與傳統(tǒng)濕法光刻膠化學(xué)完全不同的技術(shù)路徑——光刻膠沉積與顯影均在真空環(huán)境下完成。

盡管批評(píng)者指出干法工藝需要新的專用設(shè)備，但其優(yōu)勢(shì)在于允許實(shí)時(shí)調(diào)整工藝化學(xué)參數(shù)。工藝工程師可同步優(yōu)化底層材料、后烘烤（post-exposure bake）和顯影化學(xué)過程。干法顯影還支持后圖形化處理技術(shù)，例如通過離子束平滑光刻膠特征[。Lam工藝工程師Zhengtao Chen與imec合作的研究表明，通過電性測(cè)試與光學(xué)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：實(shí)現(xiàn)最佳電性良率的底層材料，與最小化線邊緣粗糙度（line edge roughness）的底層材料并不相同。

新興替代方案

多種替代性光刻膠方案試圖結(jié)合化學(xué)放大光刻膠（CAR）與金屬氧化物光刻膠的優(yōu)勢(shì)。例如，Bettadapur將Irresistible Materials的概念描述為多觸發(fā)光刻膠：入射光子生成光酸分子，在曝光區(qū)域，光酸從小分子核心去除配體以促進(jìn)交聯(lián)；在暗區(qū)則淬滅交聯(lián)反應(yīng)，從而減少特征模糊。

另一項(xiàng)由杜邦Rachel Snyder團(tuán)隊(duì)開發(fā)的替代化學(xué)方案，利用光酸對(duì)光刻膠主鏈進(jìn)行“解鏈”（unzipping），將其分解為單體。該解鏈反應(yīng)可從聚合物鏈任意位置啟動(dòng)（而非僅特定“保護(hù)”位點(diǎn)），且單體可選配以優(yōu)化顯影液中的溶解度[9]。

EUV光刻膠替代方案 來源：Irresistible Materials公司

上圖：化學(xué)放大光刻膠（CAR）

入射光子生成光酸（photoacid），使聚合物主鏈脫保護(hù)（deprotect）。

中圖：小分子光刻膠入射光子去除保護(hù)性配體（protective ligands），允許交聯(lián)（cross linking）。

下圖：Irresistible Materials多觸發(fā)光刻膠（MTR）同時(shí)包含光酸與小分子組分，具有劑量依賴的淬滅（quenching）或增強(qiáng)（amplifying）行為。

杜邦公司下一代EUV光刻膠開發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理Rachel Snyder提出另一項(xiàng)替代化學(xué)方案：利用光酸對(duì)光刻膠主鏈進(jìn)行“解鏈”（unzipping），將其分解為單個(gè)單體。該解鏈反應(yīng)可從聚合物鏈任意位置啟動(dòng)（而非僅特定“保護(hù)”位點(diǎn)），單體種類可針對(duì)性選擇以優(yōu)化顯影液中的溶解度。

盡管近期SPIE先進(jìn)光刻與圖形化會(huì)議展現(xiàn)了光刻膠領(lǐng)域充滿活力與創(chuàng)新性，但也凸顯了高數(shù)值孔徑EUV曝光帶來的巨大圖形化挑戰(zhàn)。多種解決方案初顯潛力，但尚未有明確勝出者。

*聲明：本文系原作者創(chuàng)作。文章內(nèi)容系其個(gè)人觀點(diǎn)，我方轉(zhuǎn)載僅為分享與討論，不代表我方贊成或認(rèn)同，如有異議，請(qǐng)聯(lián)系后臺(tái)。