韓國EUV光刻膠獲得大突破

東進(jìn)半導體19日宣布，近期通過(guò)了三星電子的EUV PR可靠性測試（Qual）。一位熟悉此事的業(yè)內人士表示，“東進(jìn)半導體在京畿道華城工廠(chǎng)開(kāi)發(fā)了 EUV PR，并在三星電子的華城 EUV 生產(chǎn)線(xiàn)上進(jìn)行了測試，并獲得了最終的認證?！?nbsp;
他們指出，雖然KrF和ArF的PR能在韓國量產(chǎn)，但以前沒(méi)有可以繪制更精細電路的EUV PR。這是因為開(kāi)發(fā)太困難了。韓國使用的EUV PR大部分是從日本進(jìn)口的。
2019年日本出口法規出臺后，韓國東進(jìn)半導體加快了EUV PR的發(fā)展，利用自身現有的氟化氬曝光機、比利時(shí)半導體研究所IMEC EUV設備等基礎設施，開(kāi)始了EUV PR的國產(chǎn)化。今年早些時(shí)候，它通過(guò)加強 EUV 公關(guān)專(zhuān)業(yè)人員來(lái)加速技術(shù)開(kāi)發(fā)。最重要的是，三星電子積極支持 EUV 測試環(huán)境，并取得了可在該領(lǐng)域使用的先進(jìn)質(zhì)量。
“在兩年內成功開(kāi)發(fā) EUV PR ，并通過(guò)認證是相當困難的，”一位業(yè)內人士表示。
三星電子是否會(huì )立即將東進(jìn)半導體 EUV PR 引入半導體生產(chǎn)線(xiàn)還有待觀(guān)察。因為按照通常慣例，當通過(guò)認證時(shí)，它被用于批量生產(chǎn)線(xiàn)。為此，有人預測最早可能在明年上半年供應。
三星電子和東進(jìn)半導體拒絕就通過(guò) EUV PR 、認證發(fā)表評論。三星電子的一位高管表示，“我們無(wú)法與合作伙伴確認認證，并補充說(shuō)，“正在努力使半導體材料、零件和設備多樣化?！?/span>
三巨頭決戰EUV光刻膠
通過(guò)在光刻圖案的分辨率上提供階躍函數增加的保真度，EUV光刻從根本上推動(dòng)了半導體行業(yè)向前發(fā)展。然而，分辨率的提高并不是免費的。許多伴隨的進(jìn)步也不得不帶來(lái)多個(gè)方面的變化，進(jìn)而導致EUV 成本的提升。這些變化包括掩模生產(chǎn)、薄膜、沉積、蝕刻、硬掩模和光刻膠。雖然 EUV本身由 ASML 主導，但這種轉變已經(jīng)在制造過(guò)程中的相鄰步驟（尤其是光刻膠行業(yè)）引發(fā)了一場(chǎng)價(jià)值數十億美元的高風(fēng)險戰斗。 日本長(cháng)期以來(lái)一直在該領(lǐng)域占據主導地位，東京電子擁有 EUV 光刻膠涂布機和顯影劑（photoresist coaters 和developers） 100% 的份額。由于他們在這個(gè)領(lǐng)域的壟斷地位，這讓他們在該市場(chǎng)以及蝕刻和清潔方面相關(guān)領(lǐng)域取得的年收入高達50億美元！此外，其他日本公司早已以約 75% 的市場(chǎng)份額壟斷了光刻膠市場(chǎng)。JSR 和 Tokyo Ohka Kogyo就是其中的領(lǐng)先者。他們提供了絕大多數專(zhuān)門(mén)用于 EUV 的化學(xué)放大（chemically amplified photoresist ）光刻膠。然而，這些市場(chǎng)正受到 Lam Research 的沖擊。  
在深入探討即將到來(lái)的光刻膠戰爭的細節之前，讓我們簡(jiǎn)單概述一下光刻圖案化過(guò)程。這一切都從清潔晶圓開(kāi)始，這個(gè)步驟是為了確保晶圓上沒(méi)有異物，如微小的灰塵分子或先前工藝中的殘留化學(xué)品。 在更高級的節點(diǎn)中，在光刻工藝之前，會(huì )有一些底層、中間層和硬掩模沉積在晶圓上。完成此沉積是為了更準確地控制最終蝕刻，這是另一個(gè)話(huà)題。 最簡(jiǎn)單的光刻形式將稱(chēng)為使用濕光刻膠（wet photoresist）的單一圖案化。清洗后的晶圓被放入東京電子涂布機和顯影劑中。該工具在硅片頂部沉積化學(xué)放大抗蝕劑 (CAR)。CAR 懸浮在液體溶液中，硅片以極快的速度旋轉以涂覆硅片。旋轉過(guò)程還通過(guò)離心力去除大部分液體，并留下一層薄薄的光刻膠。還進(jìn)行了稱(chēng)為預烘烤的過(guò)程，以烤干最后一點(diǎn)液體，并在某些情況下以化學(xué)方式為即將進(jìn)行的反應準備光刻膠。 隨后，硅片進(jìn)入 ASML的光刻工具，然后通過(guò)掩模將光線(xiàn)照射到光刻膠上，并在那里引起化學(xué)反應。之后，晶圓被送回到東京電子涂布機/顯影工具清洗，使用顯影劑洗掉光刻膠。如果這種光刻膠是正性的，那么曝光的光刻膠會(huì )發(fā)生反應并變成溶劑，這樣它就可以被洗掉。如果是負的，曝光的光刻膠反應不再是溶劑，未曝光的光刻膠被洗掉。這僅適用于光刻工藝，除此之外還存在其他相關(guān)工藝，例如多圖案技術(shù)、蝕刻和間隔物，但讓我們今天關(guān)注光刻工藝。


上面概述的光刻膠工藝已經(jīng)出色地工作了幾十年，但它開(kāi)始遇到重大問(wèn)題。這與線(xiàn)邊緣粗糙度、靈敏度、分辨率和吞吐量有關(guān)。EUV 光刻使用相對于 DUV 而言極短波長(cháng)的光來(lái)轟擊晶圓。較短波長(cháng)的極紫外光的生成難度要大得多。 EUV 存在吞吐量問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題主要圍繞一個(gè)事實(shí)，即相對于DUV，EUV光刻機只有1/14劑量的光子打在晶圓上。因此，必須增加 EUV 中的劑量，這反過(guò)來(lái)又通過(guò)增加曝光時(shí)間來(lái)降低吞吐量。產(chǎn)能問(wèn)題導致晶圓產(chǎn)量受到嚴重限制，成本增加。為了最大化吞吐量，劑量被最小化，這會(huì )導致與特征保真度相關(guān)的各種問(wèn)題。 一種解決方案是使用更多的機器并從光源上入手，然而EUV光刻機機器極其昂貴，每臺約 1.5 億美元，而且ASML 的產(chǎn)量非常有限。至于增加光源功率，也相當非常困難，ASML 的功率增加路線(xiàn)圖遠不及 EUV 層在新節點(diǎn)上增加的速度。 除了更少的光子暴露在光刻膠上之外，EUV 光刻膠也吸收更少的光子。這主要因為光刻膠溶液是光酸產(chǎn)生劑、粘合促進(jìn)劑和穩定劑的極其精確的混合物。那就意味著(zhù)如果在過(guò)程中出現差錯，會(huì )是一個(gè)代價(jià)高昂的錯誤。2019 年，臺積電的 Fab 14B 光刻膠出現問(wèn)題，最終給他們帶來(lái)高達5.5 億美元的損失。使用 EUV 光刻膠，這種平衡行為更加難以控制，因為特定的混合物會(huì )導致吸收更少。對 EUV 的需求以及 1-2 次更少光子和更少吸收的需求相結合，為經(jīng)典光刻膠行業(yè)提供了一個(gè)成熟的機會(huì )。這就吸引廠(chǎng)商進(jìn)入干燥抗蝕劑（dry resist）市場(chǎng)。
Lam Research 正試圖成為當中的攪局者。他們將使用化學(xué)氣相沉積工藝在金屬光刻膠上分層，而不是使用旋涂機的濕式光刻膠（wet photoresist ）技術(shù)。Lam Research聲稱(chēng)干式光刻膠技術(shù)（dryresist ）與濕式光刻膠相比具有多項優(yōu)勢。由于是一種密集沉積的金屬（metal），它不會(huì )與許多其他化學(xué)物質(zhì)混合。這允許金屬光刻膠僅作為吸收劑?；氐酵掏铝?，這意味著(zhù)每個(gè)晶圓通過(guò)和功率降低了 2 倍。每臺 EUV 工具吞吐量幾乎翻倍，這將大大降低成本。  
靈敏度并不是唯一的優(yōu)勢。Lam 的干式光刻膠也是采用干法開(kāi)發(fā)的。在濕顯影中，光刻膠用水或酸洗滌。當光刻膠由于毛細作用力溶解掉時(shí)，圖案化的線(xiàn)條和其他特征可能會(huì )坍塌。隨著(zhù)最小金屬間距 (MMP) 超過(guò) 28 納米，這越來(lái)越成為一個(gè)問(wèn)題。臺積電的 N5 和 N4 工藝節點(diǎn)的 MMP 分別為 30nm 和 28nm，因此當前的出貨節點(diǎn)正好處于邊緣。

然而，東京電子仍有創(chuàng )新在進(jìn)行中。雖然他們同意現有的開(kāi)發(fā)沖洗工藝確實(shí)會(huì )導致超過(guò) 28nm 間距（14nm 臨界尺寸）的生產(chǎn)線(xiàn)塌陷，但他們發(fā)現了一種新的溶劑沖洗工藝，可以將其擴展到 ~24nm（12nm 臨界尺寸）。這將允許將濕抗蝕劑方法縮放到 24 納米。

但并不是濕抗蝕劑的所有問(wèn)題都解決了，因為我們還是很難洗掉所有的光刻膠。如果所有的光刻膠沒(méi)有被洗掉，以后的步驟就會(huì )有問(wèn)題。殘留的光刻膠在蝕刻時(shí)會(huì )導致孔洞，最終相互“親吻”。殘留物也可能導致這些孔完全丟失。
東京電子目前對此的解決方案是簡(jiǎn)單地蝕刻殘留的光刻膠。雖然這是一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案，但可能會(huì )出現復雜情況，因為它會(huì )導致孔變大或傾斜。斜面效果不一定是負面的，但也不是在所有用例中都是最佳的。

Lam Research 聲稱(chēng)他們的工藝可以實(shí)現 5nm 節點(diǎn)上使用的現有 32nm 間距，與現有的濕式光刻膠工藝相比，其方案具有更低的可變性和更好的寬容度。我們無(wú)法與 Lam Research 分享的硬性數字進(jìn)行爭論。當晶圓廠(chǎng)追求特征尺寸、性能和功耗時(shí)，干法工藝總體上更好。由于顯示了當前部署的工具和流程與即將推出的工具和流程，因此 Lam Research 進(jìn)行的比較可能被認為是不誠實(shí)的。

與此同時(shí)，東京電子正在盡最大努力延長(cháng)現有產(chǎn)品的壽命。他們的Clean Track Lithius Pro Z 與每臺 ASML EUV 機器一起使用。事實(shí)證明，它對于最初的 EUV 節點(diǎn)是可靠且高效的，但隨著(zhù)行業(yè)超越單一圖案化 EUV，化學(xué)放大抗蝕劑 (CAR) 顯然已達到極限。在其他條件相同的情況下，干式抗蝕劑將在前沿和最小特征尺寸方面獲勝。

Lam Research 最初的目標是在 5nm IMEC 節點(diǎn)（代工廠(chǎng)為 3nm）上使用。他們與 IMEC 和ASML 合作進(jìn)一步開(kāi)發(fā)這項技術(shù)。Lam 還與三星、英特爾、臺積電和 SKHynix 合作，將該技術(shù)用于邏輯節點(diǎn)和 DRAM 節點(diǎn)的商業(yè)化。這顯然很有希望。
面對洶涌襲來(lái)的新挑戰者，東京電子和光刻膠老牌企業(yè)并沒(méi)有坐以待斃， Inpria就是其中的代表。他們開(kāi)發(fā)了一種新型光刻膠，金屬氧化物抗蝕劑 (MOR)。 Inpria 于 2007 年誕生于俄勒岡州立大學(xué)研究中心。此后，Inpria 獲得了來(lái)自三星、英特爾、應用材料、臺積電、SKHynix、JSR 和 TOK 的大量投資。

Inpria 的投資者是該行業(yè)的巨頭。它包括與 Lam Research 合作將干式抗蝕劑商業(yè)化的所有 4 家公司。該名單還包括前面提到的 CAR 光刻膠的領(lǐng)導者JSR 和TOK 。JSR 在 2017 年和 2020 年參與了 Inpria 的幾輪融資，最近他們硬著(zhù)頭皮以 5.14 億美元直接收購了該公司——對該公司的估值為 7.42 億美元。對于一家以預收入為基礎開(kāi)發(fā)化學(xué)品的工業(yè)公司來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)令人印象深刻的估值。 很明顯，該公司擁有價(jià)值不菲的知識產(chǎn)權。JSR 管理往往非常保守，因此它充分說(shuō)明了正在發(fā)生的中斷。光刻膠行業(yè)與 TokyoElectron 合作了數十年，而 JSR/Inpria 正在繼續這種緊密結合的伙伴關(guān)系。他們正在共同開(kāi)發(fā)光刻膠、工藝和涂布機/顯影劑，以為下一個(gè)即將實(shí)現商業(yè)化工藝節點(diǎn)做好準備。 MOR 仍然使用與當前光刻工藝類(lèi)似的步驟。通過(guò)懸浮在溶液中，將其旋涂到硅片上。他們可以通過(guò)升級，從而可以在相同的Tokyo Electron Clean Track Lithius Pro Z上使用。這種升級不是資本密集型的，且可以使用 CAR 或 MOR 光刻膠。

MOR 仍然是濕的，這意味著(zhù)某些問(wèn)題仍將存在，即沉積的選擇性。晶圓上光刻膠的潛在不均勻沉積會(huì )導致曝光和烘烤工藝步驟出現問(wèn)題。 Lam Research 干式抗蝕劑技術(shù)的最大優(yōu)勢之一是使用化學(xué)氣相沉積 (CVD) 工藝來(lái)沉積光刻膠，從而可以更精細地控制光刻膠的可變性和厚度。 眾所周知，獲得合適的厚度對于光刻膠來(lái)說(shuō)非常重要。如果有極薄的層，則光刻工具具有更高的性能和吞吐量，因為需要曝光的光刻膠更少。另一方面，蝕刻時(shí)會(huì )損壞薄抗蝕劑膜（負光致抗蝕劑）。厚的光刻膠層不僅會(huì )導致較低的吞吐量，還會(huì )導致圖案塌陷和顯影后殘留的光刻膠留在孔中。 TokyoElectron 和 JSR 聲稱(chēng)他們有一種新的金屬氧化物抗蝕劑曝光后烘烤工藝，這將有助于提高光刻膠的靈敏度。這意味著(zhù)晶圓廠(chǎng)可以顯著(zhù)降低 EUV 機器所需的劑量，從而提高產(chǎn)量。 TokyoElectron 聲稱(chēng)用量減少了 38%，而 Lam Research 聲稱(chēng)干式抗蝕劑用量減少了 50%。Tokyo Electron 還聲稱(chēng)新的曝光后烘烤可實(shí)現極其均勻的抗蝕劑厚度和低金屬污染。如果這些說(shuō)法成立，那么這可以延長(cháng)濕光刻膠的使用壽命。

同樣，Tokyo Electron 和 JSR 擁有新的濕法開(kāi)發(fā)工藝，可以抵抗支柱倒塌（pillar collapse ）問(wèn)題。36nm 支柱經(jīng)常崩塌，這是 DRAM 中電容器縮放的最大挑戰之一。新的顯影工藝也適用于較低的 EUV 劑量，并減少了最終特征的厚度變化。

通過(guò) MOR，Tokyo Electron 正在努力優(yōu)化從涂層、烘烤、開(kāi)發(fā)，并一直到蝕刻的整個(gè)工藝流程。他們聲稱(chēng)他們已經(jīng)實(shí)現了每平方厘米 0.1 個(gè)缺陷的缺陷密度。這聽(tīng)起來(lái)很棒，但這種缺陷密度意味著(zhù)每 300 毫米晶圓有 70.6 個(gè)缺陷。光刻工藝在前沿晶圓上進(jìn)行了 70 多次，而 N3 工藝將對每個(gè)晶圓進(jìn)行 20 多次EUV 浸漬。那就意味著(zhù)這些缺陷確實(shí)開(kāi)始堆積并破壞產(chǎn)量。MOR 仍有一些障礙需要克服。

優(yōu)化流程的想法并不是一個(gè)全新的想法。工藝模塊優(yōu)化是應用材料公司在其整個(gè)互連工藝流程和工具產(chǎn)品中已經(jīng)做了很長(cháng)時(shí)間的事情。由于東京電子在光刻膠涂布機/顯影劑中的主導地位，它使東京電子在蝕刻和清潔領(lǐng)域獲得了份額。Lam Research 同樣希望通過(guò)提供從硬掩模到光刻膠沉積和開(kāi)發(fā)一直到蝕刻的技術(shù)來(lái)滲透光刻市場(chǎng)。多步驟工藝優(yōu)化允許最終用戶(hù)芯片和工藝中的線(xiàn)邊緣粗糙度更小、更均勻、缺陷更少以及更高的可靠性。 干法工藝顯著(zhù)降低了化學(xué)品的使用。這尤其適用于旋轉抗蝕劑和顯影。光刻膠不需要懸浮在溶液中進(jìn)行沉積，也不會(huì )像濕法工藝那樣產(chǎn)生廢料。顯影過(guò)程不需要用大量酸或超純水沖洗硅片以溶解硅片上的光刻膠。這反過(guò)來(lái)又將所需的電量減半。
EUV光刻膠爭奪，未來(lái)的輸贏(yíng)還有待觀(guān)察，因為兩種路線(xiàn)都都有好處，但毫無(wú)疑問(wèn)，一場(chǎng)新的戰斗已經(jīng)打響。
來(lái)源：內容由半導體行業(yè)觀(guān)察（ID：icbank）編譯自etnews