用新型極紫外光刻膠材料推進半導體工藝

更快、更小、更高效的電子設備的需求不斷增長，推動了半導體行業對創新的不懈追求。半導體制造的核心技術之一是極紫外光刻 (EUVL)，它可以以更高的分辨率實現更小的特征尺寸，從而實現器件的小型化。全球的研究人員和公司正在專注于開發新型極紫外 (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鍵步驟，其中圖案被轉移到晶圓上以創建集成電路和其他微結構。傳統光刻依賴于深紫外光，但隨著集成電路達到個位數納米尺度，EUV 光刻變得勢在必行。EUV 光的工作波長約為 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，特別是先進的光刻技術。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。開發 EUV 光刻膠材料的一些挑戰是它們需要對短波長高度敏感。

這些創新材料通常根據其配方或成分分為化學放大光刻膠 (CAR)、非化學放大光刻膠、無機 EUV 光刻膠和混合 EUV 光刻膠。當暴露在 EUV 光下時，它們會發生化學或物理變化，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，當暴露于高能 EUV 光子時會發生化學變化。EUV 光子從光敏化合物產生光酸。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現高分辨率圖案化。隨著半導體節點的尺寸越來越小，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。目前正在進行研究開發新材料、機制和加工技術，以應對這些挑戰并實現進一步的小型化。

極紫外光刻膠材料種類

化學放大光刻膠：化學放大光刻膠是最常用的 EUV 光刻膠。他們采用光致產酸劑 (PAG)，在暴露于 EUV 光子時產生酸。這種酸會催化抗蝕劑中的化學反應，導致曝光區域在顯影過程中溶解。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程中的產量。它們可能會在光學設備、顯示器和先進封裝中找到應用。

無機 EUV 光刻膠：具有不同 EUV 吸收系數和高蝕刻能力的無機光刻膠材料對于解決一些現有問題具有重要意義。因此，許多研究人員開始研究無機材料在光刻膠領域的使用。這些材料與有機 CAR 不同，因為它們由無機材料組成，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。他們可能會在極端環境或專門的半導體工藝中找到應用。

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

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

極紫外光刻膠材料：過去 5 年發展趨勢

EUV 光刻膠開發的主要挑戰

EUV 靈敏度：靈敏度是 EUV 光刻的關鍵挑戰之一；開發和優化能夠有效吸收 EUV 光并與之反應以在半導體晶圓上產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，以在制造過程中實現每小時 100 至 120 片晶圓的足夠吞吐量。

分辨率和 LER：隨著特征尺寸的減小，保持高分辨率而不產生過大的線邊緣粗糙度 (LER) 就成為問題。EUV 光刻膠 LER 的一個重要潛在來源是由于高光子能量而產生的光子散粒噪聲。LER 挑戰涉及最大限度地減少形成晶體管特征的已開發光刻膠線邊緣的不規則性或粗糙度。過多的 LER 會導致晶體管性能變化并降低芯片產量。制造商需要優化光刻膠配方和工藝條件，以實現 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 光刻中的脫氣問題是指在 EUV 光曝光期間從光刻膠中釋放揮發性有機化合物 (VOC) 或其他材料。這些脫氣材料可能會污染周圍環境，包括 EUV 光刻設備中使用的光學器件。污染會降低設備性能和產量，同時增加維護要求。控制和最大限度地減少排氣對于維持整個 EUV 光刻工藝的可靠性和效率至關重要。

熱穩定性：EUV 曝光會產生大量熱量，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 后會迅速溶解抗蝕劑層。

新型 EUV 光刻膠材料的進步前景廣闊

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

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

減少釋氣：低釋氣光刻膠的開發可確保更清潔的 EUV 曝光，從而提高產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足嚴格的除氣要求，并有助于生產高質量的半導體器件。

熱穩定性解決方案：為了解決 EUV 光刻的熱挑戰，研究人員正在開發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曝光時間。

合作與未來展望

開發和優化新型 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。半導體行業對下一代器件的追求依賴于 EUV 光刻技術的不斷進步和完善。

新型 EUV 光刻膠材料的成功應用將為半導體技術帶來無數的可能性。更小、更強大的設備將徹底改變各個領域，包括數據中心、醫療保健、汽車和人工智能。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，從而能夠生產先進的處理器、存儲器件和傳感器，從而推動各個行業的技術創新。

結論

新型極紫外光刻膠材料是不斷增強半導體技術的重要基石。在半導體晶圓上打印更小、更精確的特征的能力對于滿足數字時代的需求至關重要。該領域的協作研發為半導體行業帶來了光明的未來，確保電子設備的不斷發展，為我們的生活賦能和豐富。

開發新型 EUV 光刻膠材料需要材料科學家、化學家、物理學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 光刻和光刻膠開發領域正在不斷發展。研究人員正在探索廣泛的材料創新，包括無機抗蝕劑、納米結構材料和混合聚合物。隨著半導體行業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活躍的研究和創新領域。