本文由半導體產業縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自semiengineering

芯片行業尋求先進制程中靈敏度、分辨率與線寬粗糙度的最佳平衡。

在EUV光刻技術中，尤其是在高數值孔徑EUV系統中，平衡分辨率、靈敏度與線寬粗糙度（LWR）的權衡變得愈發困難。

光刻圖案化過程依賴于同時滿足小特征尺寸分辨率、對EUV波長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測且最難以理解的環節。

雖然仿真能準確預測特定照明與光掩模組合產生的空間圖像，但一旦該圖像與光刻膠接觸，情況就變得復雜。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。

化學放大光刻膠（CAR）

評估光刻工藝的三個關鍵參數——分辨率（Resolution）、線寬粗糙度（Line-width roughness）和靈敏度（Sensitivity）——構成了光刻工程師所稱的RLS三角（RLS Triangle）。在化學放大光刻膠（CARs）中，優化其中一個參數往往以犧牲另外兩個為代價。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（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公司首席執行官Dinesh Bettadapur估計，曝光劑量每降低1毫焦/平方厘米（mJ/cm2），每年可為每臺掃描儀節省高達100萬美元的成本。

單個EUV光子能量雖高，但數量有限。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先進光刻與圖形化會議上，杜邦公司首席研究員Emad Aqad及其團隊發表了關于擴展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EUV吸收率。然而實驗發現，高電子親和力的PAG分子可能需要兩個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，并增強了曝光區與未曝光區的對比度。

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量，或降低聚合物脫保護所需的光酸量。但此類調整可能增加粗糙度，因為隨機效應（stochastic effects）會導致特征邊緣某些區域過度或不足曝光。類似地，若通過光酸擴散“修整”（trim）特征邊緣以提升分辨率，光酸分布不均也會引發粗糙度。后烘烤（post-exposure bake）在管理RLS權衡中起關鍵作用——延長烘烤時間或提高溫度可促進光酸擴散和光刻膠脫保護反應。

在EUV光刻（尤其是高數值孔徑EUV）中，平衡這些權衡愈發困難。高數值孔徑曝光下，入射光子以較淺角度照射晶圓，薄光刻膠層對防止陰影效應（shadowing）和確保足夠焦深至關重要。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蝕刻步驟的難度。通常，蝕刻過程中的膠層侵蝕會使線條窄于標稱尺寸、間距寬于標稱尺寸。過窄的線條易出現斷裂缺陷，而過寬的線條則易發生橋接（bridging）。雖然蝕刻中的膠層侵蝕可減少特征粗糙度，但會將“無缺陷窗口”（failure-free window，即無橋接或斷裂的區域）推向大于標稱尺寸的方向。

金屬氧化物光刻膠（MOR）

這些挑戰正驅動著光刻膠設計的創新。制造商們尋求更優方案以平衡RLS三角的權衡。盡管化學放大光刻膠（CAR）自深紫外光刻時代以來一直占據主導地位，但在EUV時代其表現已顯乏力。

對薄光刻膠層的需求（需耐受長時間蝕刻）推動了對金屬氧化物光刻膠（MOR）的研究。這類材料中，金屬氧化物納米團簇被配體包圍。EUV曝光使配體脫離，促使相鄰團簇間形成鍵合。生成的金屬氧化物層比傳統聚合物光刻膠更堅固，且對硬掩模材料具有優異的刻蝕選擇性。

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

金屬氧化物光刻膠相對較新，其與EUV光子的相互作用細節尚未完全明確。得克薩斯大學奧斯汀分校計算機科學與技術系副教授Ching-Yu Huang及其同事研究了錫氧簇。（(MeSn)??O??(OH)??）上-CH基團的行為。去除的-CH基團越多（對應更高EUV曝光劑量），相鄰團簇間的鍵合越強。單個團簇的局部環境比-CH基團的總數量更關鍵。

清華大學第三研究組嘗試了基于氧化鋯（ZrO?）團簇的光刻膠。這些材料具有吸引力，因為其可能對多個曝光波長敏感，同時具有極高刻蝕抗性。為測試目的，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等離子體下實現了優異選擇性。但隨著基板溫度升高，會形成易升華的ZrBr。

盡管有這些演示，但底層仍然是完整圖案轉移系統的關鍵部分。它們至少提供均勻表面以促進光刻膠附著。在EUV光刻中，光子常穿透光刻膠進入底層。光刻膠/底層界面產生的二次電子可能驅動光刻膠中進一步反應。根據具體化學性質，結果可能是更完全的曝光或曝光區域更強的鍵合。

金屬氧化物光刻膠化學與CAR化學完全不同，不同底層化學可能產生最佳效果。Brewer Science科學家團隊負責人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。通過適當改性劑，他們在界面處促進MOR溶解度，最終將必要曝光劑量降低約20%。imec與Brewer Science的合作也通過結合旋涂底漆層與SiON硬掩模取得良好結果。

干法光刻膠

盡管金屬氧化物光刻膠備受關注，業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，其采用與傳統濕法光刻膠化學完全不同的技術路徑——光刻膠沉積與顯影均在真空環境下完成。

盡管批評者指出干法工藝需要新的專用設備，但其優勢在于允許實時調整工藝化學參數。工藝工程師可同步優化底層材料、后烘烤（post-exposure bake）和顯影化學過程。干法顯影還支持后圖形化處理技術，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，通過電性測試與光學檢測發現：實現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合化學放大光刻膠（CAR）與金屬氧化物光刻膠的優勢。例如，Bettadapur將Irresistible Materials的概念描述為多觸發光刻膠：入射光子生成光酸分子，在曝光區域，光酸從小分子核心去除配體以促進交聯；在暗區則淬滅交聯反應，從而減少特征模糊。

另一項由杜邦Rachel Snyder團隊開發的替代化學方案，利用光酸對光刻膠主鏈進行“解鏈”（unzipping），將其分解為單體。該解鏈反應可從聚合物鏈任意位置啟動（而非僅特定“保護”位點），且單體可選配以優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：化學放大光刻膠（CAR）

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

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

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

杜邦公司下一代EUV光刻膠開發項目經理Rachel Snyder提出另一項替代化學方案：利用光酸對光刻膠主鏈進行“解鏈”（unzipping），將其分解為單個單體。該解鏈反應可從聚合物鏈任意位置啟動（而非僅特定“保護”位點），單體種類可針對性選擇以優化顯影液中的溶解度。

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

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