EUV光刻胶，选购指南

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）编译自semiengineering

芯片行业寻求先进制程中灵敏度、分辨率与线宽粗糙度的最佳平衡。

在EUV光刻技术中，尤其是在高数值孔径EUV系统中，平衡分辨率、灵敏度与线宽粗糙度（LWR）的权衡变得愈发困难。

光刻图案化过程依赖于同时满足小特征尺寸分辨率、对EUV波长的高灵敏度以及可接受的线宽粗糙度的光刻胶。然而，从光掩模到晶圆图案化的最终步骤却是最不可预测且最难以理解的环节。

虽然仿真能准确预测特定照明与光掩模组合产生的空间图像，但一旦该图像与光刻胶接触，情况就变得复杂。光刻胶由多种成分混合而成，这些成分以不同方式与EUV光子相互作用。掩模特征的图形化能力取决于其周围光刻胶成分和EUV光子的分布。

化学放大光刻胶（CAR）

评估光刻工艺的三个关键参数——分辨率（Resolution）、线宽粗糙度（Line-width roughness）和灵敏度（Sensitivity）——构成了光刻工程师所称的RLS三角（RLS Triangle）。在化学放大光刻胶（CARs）中，优化其中一个参数往往以牺牲另外两个为代价。这类光刻胶通过入射光子生成光酸（photoacid），光酸随后使光刻胶聚合物脱保护（deprotect），从而使其可溶于显影液。光刻胶聚合物的分子尺寸和光酸的扩散距离共同决定了光刻胶的最终分辨率。

灵敏度衡量的是激活光酸生成剂（PAG）分子所需的能量。光刻胶的灵敏度限制了EUV曝光系统的吞吐量，因此是整体工艺成本的主要影响因素。Irresistible Materials公司首席执行官Dinesh Bettadapur估计，曝光剂量每降低1毫焦/平方厘米（mJ/cm²），每年可为每台扫描仪节省高达100万美元的成本。

单个EUV光子能量虽高，但数量有限。特征粗糙度取决于以下三者的相互作用：入射光子分布（即散粒噪声）、光刻胶中PAG分子的分布，以及聚合物骨架分子的尺寸。

在2025年2月SPIE先进光刻与图形化会议上，杜邦公司首席研究员Emad Aqad及其团队发表了关于扩展CAR光刻胶性能的研究。他们尝试使用替代性PAG分子，希望通过提高PAG分子的电子亲和力（electron affinity）来增强EUV吸收率。然而实验发现，高电子亲和力的PAG分子可能需要两个或更多热电子才能被激活，因此CAR的灵敏度并未提升。不过，这些替代PAG分子改善了特征粗糙度，并增强了曝光区与未曝光区的对比度。

图案特征的边缘位于入射光子分布的尾部。为了提高灵敏度，光刻胶可能需要减少生成光酸所需的光子数量，或降低聚合物脱保护所需的光酸量。但此类调整可能增加粗糙度，因为随机效应（stochastic effects）会导致特征边缘某些区域过度或不足曝光。类似地，若通过光酸扩散“修整”（trim）特征边缘以提升分辨率，光酸分布不均也会引发粗糙度。后烘烤（post-exposure bake）在管理RLS权衡中起关键作用——延长烘烤时间或提高温度可促进光酸扩散和光刻胶脱保护反应。

在EUV光刻（尤其是高数值孔径EUV）中，平衡这些权衡愈发困难。高数值孔径曝光下，入射光子以较浅角度照射晶圆，薄光刻胶层对防止阴影效应（shadowing）和确保足够焦深至关重要。然而，更薄的胶层必然吸收更少光子，从而降低材料的有效灵敏度。

薄光刻胶还增加了后续蚀刻步骤的难度。通常，蚀刻过程中的胶层侵蚀会使线条窄于标称尺寸、间距宽于标称尺寸。过窄的线条易出现断裂缺陷，而过宽的线条则易发生桥接（bridging）。虽然蚀刻中的胶层侵蚀可减少特征粗糙度，但会将“无缺陷窗口”（failure-free window，即无桥接或断裂的区域）推向大于标称尺寸的方向。

金属氧化物光刻胶（MOR）

这些挑战正驱动着光刻胶设计的创新。制造商们寻求更优方案以平衡RLS三角的权衡。尽管化学放大光刻胶（CAR）自深紫外光刻时代以来一直占据主导地位，但在EUV时代其表现已显乏力。

对薄光刻胶层的需求（需耐受长时间蚀刻）推动了对金属氧化物光刻胶（MOR）的研究。这类材料中，金属氧化物纳米团簇被配体包围。EUV曝光使配体脱离，促使相邻团簇间形成键合。生成的金属氧化物层比传统聚合物光刻胶更坚固，且对硬掩模材料具有优异的刻蚀选择性。

但MOR本质上是负性材料：曝光区域在显影液中更难溶解。这对接触孔等应用形成显著限制。Inpria首席工程师Amrit Narasimhan透露，该公司正在开发用于正性光刻胶的反极性配体。

金属氧化物光刻胶相对较新，其与EUV光子的相互作用细节尚未完全明确。得克萨斯大学奥斯汀分校计算机科学与技术系副教授Ching-Yu Huang及其同事研究了锡氧簇。（(MeSn)₁₂O₁₄(OH)₆₂）上-CH基团的行为。去除的-CH基团越多（对应更高EUV曝光剂量），相邻团簇间的键合越强。单个团簇的局部环境比-CH基团的总数量更关键。

清华大学第三研究组尝试了基于氧化锆（ZrO₂）团簇的光刻胶。这些材料具有吸引力，因为其可能对多个曝光波长敏感，同时具有极高刻蚀抗性。为测试目的，研究人员省略底层和硬掩模层，仅使用ZrO₂作为掩模层。在低温HBr等离子体下实现了优异选择性。但随着基板温度升高，会形成易升华的ZrBr。

尽管有这些演示，但底层仍然是完整图案转移系统的关键部分。它们至少提供均匀表面以促进光刻胶附着。在EUV光刻中，光子常穿透光刻胶进入底层。光刻胶/底层界面产生的二次电子可能驱动光刻胶中进一步反应。根据具体化学性质，结果可能是更完全的曝光或曝光区域更强的键合。

金属氧化物光刻胶化学与CAR化学完全不同，不同底层化学可能产生最佳效果。Brewer Science科学家团队负责人Si Li及其同事研究了一系列与金属氧化物光刻胶配合使用的旋涂玻璃底层。通过适当改性剂，他们在界面处促进MOR溶解度，最终将必要曝光剂量降低约20%。imec与Brewer Science的合作也通过结合旋涂底漆层与SiON硬掩模取得良好结果。

干法光刻胶

尽管金属氧化物光刻胶备受关注，业界仍在寻找替代方案。其中较突出的方案是Lam Research的干法光刻胶工艺，其采用与传统湿法光刻胶化学完全不同的技术路径——光刻胶沉积与显影均在真空环境下完成。

尽管批评者指出干法工艺需要新的专用设备，但其优势在于允许实时调整工艺化学参数。工艺工程师可同步优化底层材料、后烘烤（post-exposure bake）和显影化学过程。干法显影还支持后图形化处理技术，例如通过离子束平滑光刻胶特征[。Lam工艺工程师Zhengtao Chen与imec合作的研究表明，通过电性测试与光学检测发现：实现最佳电性良率的底层材料，与最小化线边缘粗糙度（line edge roughness）的底层材料并不相同。

新兴替代方案

多种替代性光刻胶方案试图结合化学放大光刻胶（CAR）与金属氧化物光刻胶的优势。例如，Bettadapur将Irresistible Materials的概念描述为多触发光刻胶：入射光子生成光酸分子，在曝光区域，光酸从小分子核心去除配体以促进交联；在暗区则淬灭交联反应，从而减少特征模糊。

另一项由杜邦Rachel Snyder团队开发的替代化学方案，利用光酸对光刻胶主链进行“解链”（unzipping），将其分解为单体。该解链反应可从聚合物链任意位置启动（而非仅特定“保护”位点），且单体可选配以优化显影液中的溶解度[9]。

EUV光刻胶替代方案 来源：Irresistible Materials公司

上图：化学放大光刻胶（CAR）

入射光子生成光酸（photoacid），使聚合物主链脱保护（deprotect）。

中图：小分子光刻胶入射光子去除保护性配体（protective ligands），允许交联（cross linking）。

下图：Irresistible Materials多触发光刻胶（MTR）同时包含光酸与小分子组分，具有剂量依赖的淬灭（quenching）或增强（amplifying）行为。

杜邦公司下一代EUV光刻胶开发项目经理Rachel Snyder提出另一项替代化学方案：利用光酸对光刻胶主链进行“解链”（unzipping），将其分解为单个单体。该解链反应可从聚合物链任意位置启动（而非仅特定“保护”位点），单体种类可针对性选择以优化显影液中的溶解度。

尽管近期SPIE先进光刻与图形化会议展现了光刻胶领域充满活力与创新性，但也凸显了高数值孔径EUV曝光带来的巨大图形化挑战。多种解决方案初显潜力，但尚未有明确胜出者。

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