EUV光刻机就位后仍需解决的材料问题

对于如今的半导体产业而言，EUV光刻机是打造下一代逻辑和DRAM工艺技术的关键所在，为了在未来的工艺军备竞赛中保持优势，台积电、三星和英特尔等厂商纷纷花重金购置EUV光刻机。
 
然而，当这些来自荷兰造价上亿的庞大机器到位并组装好后，并不意味着EUV光刻机的生产工作完全准备就绪。随着先进工艺晶圆制造中图案化策略和分辨率重视程度的攀升，为了满足这些需求，与EUV光刻技术相关的材料同样需要纳入考量，尤其是光刻胶和防护膜。
 
EUV光刻胶
 
大家最为熟知的一大光刻材料自然就是光刻胶了，光刻胶为晶圆生产带来的不仅是高分辨率，同样也是控制随机缺陷的关键。极紫光透过光掩膜透明的部分在光刻胶上曝光，接着去掉曝光的光刻胶，蚀刻曝光的材料，最终去掉所有光刻胶留下光刻后的图案，而我们常说的分辨率也就是光刻胶所能产生的最小尺寸了。
 
与此同时，在ASML看来，下一代高NA EUV光刻机为光刻胶再度带来了挑战，更少的随机效应、更高的分辨率和更薄的厚度。首先传统的正胶和负胶肯定是没法用了，DUV光刻机上常用的化学放大光刻胶（CAR）也开始在5nm之后的分辨率和敏感度上出现瓶颈，所以光刻胶上的创新已经成了2023年/2024年后高NA EUV光刻机的必要条件。
 
2020年，泛林集团宣布在ASML和imec的战略合作下，已经研究出了用于EUV光刻机图案化的干式光刻胶技术，这种干式光刻胶技术可以显著提高EUV的敏感度和分辨率优势，而且其生产工艺耗能更少，所用的原材料也比传统光刻胶工艺少上5到10倍，从而改善了每次处理EUV晶圆所需的总成本。近日，泛林集团宣布将与三菱化学旗下Gelest以及Entegris这两大材料公司合作，共同推进EUV干式光刻胶的量产。
 

线宽粗糙度增加下厚度减少的金属氧化物光刻胶 / imec

 
而imec和JSR这样的厂商则选择了在金属氧化物光刻胶（MOR）上下注，在他们的研究评估中，MOR光刻胶拥有更好的图案转移能力，能够实现更高的分辨率，并把光刻胶做得更薄。不过虽然这类光刻胶已经被一票光刻胶厂商、晶圆厂看好，但目前在量产上还是存在一些问题的，比如在制备过程中需要将金属污染等级降低至传统行业等级之下。
 
EUV防护膜
 
对于利用EUV光刻机制造芯片来说，其实EUV防护膜的使用并不是必要的，这个材料的存在更多是为了保证光掩膜的清洁。尽管如今庞大的EUV都被放置在遵循严格标准的无尘洁净室里，基本杜绝了外部颗粒的污染，然而在EUV光刻机的曝光过程中，要想做到零颗粒是不可能的，依照ASML的说法，约摸1万次曝光就会有一个杂质颗粒的出现。
 
部分厂商对此或许并不在意，比如三星就一直在推迟防护膜的使用，以至于最后干脆自己投资并开发EUV防护膜。因为这些杂质的存在或许会对良率产生一定影响，但如果为光掩膜贴上透射率不高的防护膜，那么就会吸收部分13.5nm波长的极紫光，届时影响了的就是产量了。EUV光刻机开始普及使用的那段时期，恰好遇上了全球半导体产能短缺，自然保产量才是各大晶圆厂的首要目标。
 
不过如今产能情况逐渐转好，EUV防护膜的开发与普及也是时候提上议程了。要想不对EUV光刻机的产能输出造成太大的影响，晶圆厂都希望防护膜的透射率能做到90%以上。从去年开始，已经有一批企业打造出了90%透射率以上的防护膜了。比如Canatu打造的碳纳米管EUV防护膜，就可以做到97%的透射率。
 

全尺寸EUV防护膜 / imec
 

既然如此，这些晶圆厂已经早已经跟进了才对，为何防护膜至今仍然没有受到台积电、三星等厂商的青睐，难不成他们在等更低成本的方案不成？其实不然，光刻过程中还有一个问题也在影响EUV防护膜的普及，那就是材料寿命。
 
虽然这些防护膜已经实现了90%的透射率，但随着新一代EUV光刻机的光源功率已经超过了250W，未来的高NA EUV光刻机的功率还将进一步提升，光源带来的热应力会破坏这些防护膜，所以在选择防护膜的同时还得考虑耐热性，否则不会有晶圆厂想要频繁替换防护膜的。所以大部分防护膜厂商即便实现了90%以上的透射率，也还在推进具有可观寿命防护膜的大规模量产，至于这些EUV防护膜的广泛使用，还需要等待材料和工艺上后续创新。