用新型極紫外光刻膠材料推進(jìn)半導體工藝

更快、更小、更高效的電子設備的需求不斷增長(cháng)，推動(dòng)了半導體行業(yè)對創(chuàng )新的不懈追求。半導體制造的核心技術(shù)之一是極紫外光刻 (EUVL)，它可以以更高的分辨率實(shí)現更小的特征尺寸，從而實(shí)現器件的小型化。全球的研究人員和公司正在專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)新型極紫外 (EUV) 光刻膠材料，以支持納米級分辨率的 EUVL 圖案化并提高半導體器件的性能。

光刻是半導體制造中的關(guān)鍵步驟，其中圖案被轉移到晶圓上以創(chuàng )建集成電路和其他微結構。傳統光刻依賴(lài)于深紫外光，但隨著(zhù)集成電路達到個(gè)位數納米尺度，EUV 光刻變得勢在必行。EUV 光的工作波長(cháng)約為 13.5 納米，能夠以高精度打印更小的特征。EUV 光刻膠是半導體制造工藝中使用的光敏材料，特別是先進(jìn)的光刻技術(shù)。這些材料必須能夠承受高能 EUV 光子并提供高分辨率圖案化能力。開(kāi)發(fā) EUV 光刻膠材料的一些挑戰是它們需要對短波長(cháng)高度敏感。

這些創(chuàng )新材料通常根據其配方或成分分為化學(xué)放大光刻膠 (CAR)、非化學(xué)放大光刻膠、無(wú)機 EUV 光刻膠和混合 EUV 光刻膠。當暴露在 EUV 光下時(shí)，它們會(huì )發(fā)生化學(xué)或物理變化，從而能夠將圖案準確轉移到表面上。

了解極紫外光刻膠材料

EUV 光刻膠材料是光敏物質(zhì)，當暴露于高能 EUV 光子時(shí)會(huì )發(fā)生化學(xué)變化。EUV 光子從光敏化合物產(chǎn)生光酸。這種酸催化抗蝕劑聚合物中的脫保護反應，使其更易溶于顯影劑溶液。放大的反應提高了靈敏度并實(shí)現高分辨率圖案化。隨著(zhù)半導體節點(diǎn)的尺寸越來(lái)越小，保持分辨率、靈敏度和圖案保真度變得更加復雜和具有挑戰性。目前正在進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)新材料、機制和加工技術(shù)，以應對這些挑戰并實(shí)現進(jìn)一步的小型化。

極紫外光刻膠材料種類(lèi)

化學(xué)放大光刻膠：化學(xué)放大光刻膠是最常用的 EUV 光刻膠。他們采用光致產(chǎn)酸劑 (PAG)，在暴露于 EUV 光子時(shí)產(chǎn)生酸。這種酸會(huì )催化抗蝕劑中的化學(xué)反應，導致曝光區域在顯影過(guò)程中溶解。CAR 以其高靈敏度而聞名，使其適合低劑量 EUV 曝光并提高半導體制造過(guò)程中的產(chǎn)量。它們可能會(huì )在光學(xué)設備、顯示器和先進(jìn)封裝中找到應用。

無(wú)機 EUV 光刻膠：具有不同 EUV 吸收系數和高蝕刻能力的無(wú)機光刻膠材料對于解決一些現有問(wèn)題具有重要意義。因此，許多研究人員開(kāi)始研究無(wú)機材料在光刻膠領(lǐng)域的使用。這些材料與有機 CAR 不同，因為它們由無(wú)機材料組成，例如金屬氧化物或含金屬化合物。他們的工作原理是將丙烯酸作為有機配體的金屬氧化物系統應用于 EUV 光刻。與有機光刻膠相比，無(wú)機光刻膠有望提供更高的熱穩定性并減少釋氣。他們可能會(huì )在極端環(huán)境或專(zhuān)門(mén)的半導體工藝中找到應用。

非化學(xué)放大光刻膠：與 CAR 不同，非化學(xué)放大光刻膠不依賴(lài)于酸催化反應。相反，它們在 EUV 曝光后直接發(fā)生光解反應，導致溶解度發(fā)生變化。這些材料通常需要更高劑量的 EUV 光來(lái)進(jìn)行圖案化，并且正在針對特定應用和工藝要求進(jìn)行探索。

混合 EUV 光刻膠：混合 EUV 光刻膠結合了有機和無(wú)機元素，充分利用了兩種材料類(lèi)型的優(yōu)勢。這些材料通過(guò)在配體交換反應后選擇用于純化步驟的樹(shù)脂作為用叔胺、哌啶和二甲胺官能化的聚苯乙烯樹(shù)脂來(lái)發(fā)揮作用。這些材料旨在提供增強的靈敏度、分辨率和熱穩定性，解決純有機或無(wú)機光刻膠的一些局限性。

極紫外光刻膠材料：過(guò)去 5 年發(fā)展趨勢

EUV 光刻膠開(kāi)發(fā)的主要挑戰

EUV 靈敏度：靈敏度是 EUV 光刻的關(guān)鍵挑戰之一；開(kāi)發(fā)和優(yōu)化能夠有效吸收 EUV 光并與之反應以在半導體晶圓上產(chǎn)生精確圖案的光刻膠材料非常困難。EUV 光子稀缺且昂貴，需要具有高靈敏度的光刻膠材料，以在制造過(guò)程中實(shí)現每小時(shí) 100 至 120 片晶圓的足夠吞吐量。

分辨率和 LER：隨著(zhù)特征尺寸的減小，保持高分辨率而不產(chǎn)生過(guò)大的線(xiàn)邊緣粗糙度 (LER) 就成為問(wèn)題。EUV 光刻膠 LER 的一個(gè)重要潛在來(lái)源是由于高光子能量而產(chǎn)生的光子散粒噪聲。LER 挑戰涉及最大限度地減少形成晶體管特征的已開(kāi)發(fā)光刻膠線(xiàn)邊緣的不規則性或粗糙度。過(guò)多的 LER 會(huì )導致晶體管性能變化并降低芯片產(chǎn)量。制造商需要優(yōu)化光刻膠配方和工藝條件，以實(shí)現 2 nm 的 LER，但靈敏度僅為 70 mJ/cm，并且晶體管特征的邊緣更平滑、更精確。

脫氣：EUV 光刻中的脫氣問(wèn)題是指在 EUV 光曝光期間從光刻膠中釋放揮發(fā)性有機化合物 (VOC) 或其他材料。這些脫氣材料可能會(huì )污染周?chē)h(huán)境，包括 EUV 光刻設備中使用的光學(xué)器件。污染會(huì )降低設備性能和產(chǎn)量，同時(shí)增加維護要求?？刂坪妥畲笙薅鹊販p少排氣對于維持整個(gè) EUV 光刻工藝的可靠性和效率至關(guān)重要。

熱穩定性：EUV 曝光會(huì )產(chǎn)生大量熱量，需要在高能條件下保持穩定的光刻膠材料。許多應用需要具有優(yōu)異熱穩定性的涂層。大多數市售去除劑在熱負荷高達 130°C 后會(huì )迅速溶解抗蝕劑層。

新型 EUV 光刻膠材料的進(jìn)步前景廣闊

高靈敏度、低劑量材料：研究人員正在探索創(chuàng )新的化學(xué)放大光刻膠，即使在較低劑量下也能對 EUV 光子產(chǎn)生強烈反應，從而將吞吐量提高到每小時(shí) 100 片晶圓并降低制造成本。

改進(jìn)的分辨率和 LER 控制：化學(xué)放大和無(wú)機抗蝕劑等新型材料旨在減輕 LER，同時(shí)保持高分辨率圖案化能力。先進(jìn)的化學(xué)原子抗蝕劑成分和獨特的聚合物結構在實(shí)現更高的 EUV 光靈敏度、提高對比度以及將 LER 降低到 2nm 以下方面發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。

減少釋氣：低釋氣光刻膠的開(kāi)發(fā)可確保更清潔的 EUV 曝光，從而提高產(chǎn)量并提高半導體器件的可靠性。減少排氣對于保持 EUV 光刻工藝的清潔度和完整性至關(guān)重要，因為 EUV 光刻工藝對污染物高度敏感。半導體制造商與材料供應商和設備制造商密切合作，確保 EUV 光刻工藝中使用的光刻膠和其他材料滿(mǎn)足嚴格的除氣要求，并有助于生產(chǎn)高質(zhì)量的半導體器件。

熱穩定性解決方案：為了解決 EUV 光刻的熱挑戰，研究人員正在開(kāi)發(fā)具有增強熱穩定性的工程材料，從而在不影響性能的情況下延長(cháng)曝光時(shí)間。

合作與未來(lái)展望

開(kāi)發(fā)和優(yōu)化新型 EUV 光刻膠材料需要半導體制造商、材料供應商和研究機構之間的合作。半導體行業(yè)對下一代器件的追求依賴(lài)于 EUV 光刻技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善。

新型 EUV 光刻膠材料的成功應用將為半導體技術(shù)帶來(lái)無(wú)數的可能性。更小、更強大的設備將徹底改變各個(gè)領(lǐng)域，包括數據中心、醫療保健、汽車(chē)和人工智能。影響不僅限于傳統計算，使半導體制造商能夠生產(chǎn)具有更小特征尺寸的芯片。這使得電子設備的晶體管密度更高、性能更高、功耗更低。它還增強了半導體器件的功能，從而能夠生產(chǎn)先進(jìn)的處理器、存儲器件和傳感器，從而推動(dòng)各個(gè)行業(yè)的技術(shù)創(chuàng )新。

結論

新型極紫外光刻膠材料是不斷增強半導體技術(shù)的重要基石。在半導體晶圓上打印更小、更精確的特征的能力對于滿(mǎn)足數字時(shí)代的需求至關(guān)重要。該領(lǐng)域的協(xié)作研發(fā)為半導體行業(yè)帶來(lái)了光明的未來(lái)，確保電子設備的不斷發(fā)展，為我們的生活賦能和豐富。

開(kāi)發(fā)新型 EUV 光刻膠材料需要材料科學(xué)家、化學(xué)家、物理學(xué)家和工程師之間的合作。材料供應商、半導體制造商和研究機構攜手合作，在嚴苛的 EUV 曝光條件下設計、表征和測試這些材料。

EUV 光刻和光刻膠開(kāi)發(fā)領(lǐng)域正在不斷發(fā)展。研究人員正在探索廣泛的材料創(chuàng )新，包括無(wú)機抗蝕劑、納米結構材料和混合聚合物。隨著(zhù)半導體行業(yè)追求更高水平的小型化和性能，對新型 EUV 光刻膠材料的追求仍然是一個(gè)活躍的研究和創(chuàng )新領(lǐng)域。