改进极紫外光刻技术

　　在去年年底的时候，ASML向英特尔供货了全球首台高数值孔径极紫外（high NA EUV）光刻系统。目前，关于这台极紫外光刻系统方面信息并不多。从已经披露的媒体报道中可以看到，这台光刻系统是一个庞然大物，组装完成后的体积甚至比一辆卡车都要大。仅仅运输这台光刻系统，就需要13个集装箱。对此，关于改进和扩展极紫外光刻技术的工作尚未完成。在今年早些时候举行的美国西部光电展上，有关极紫外的研讨会议再次成为关注焦点。在高级光刻与图形会议上，有三场演讲涉及到了当前不同公司对于极紫外的研究成果。

　　富士胶片公司

　　2019年，极紫外光（EUV）光刻技术终于应用于大批量生产（HVM）。然而，即使使用最新合格的EUV光刻胶材料，其性能仍然无法满足行业预期。关键是随机问题。据报道，EUV光刻中的随机因素分析总结描述了两个主要随机问题，即“光子随机”和“化学随机”。

　　过去，说到随机问题，基本上是从EUV光源的低光子数考虑的，也就是“光子射出噪声”。即使最近在光源功率改进方面取得了进展，这仍然是一个关键问题。然而，随机问题不仅来自光源，还来自EUV材料和工艺，即“化学随机”。化学随机是指光刻用的抗蚀剂材料和工艺、薄膜中的材料均匀性、薄膜中的反应均匀性以及与显影剂的溶解行为。

　　超紫外光刻技术用于对先进半导体器件中的最小特征进行图案化。对功能更强的更小设备的需求，要求行业在极紫外工艺和材料方面进行创新。此外，极紫外在技术演进中发挥着至关重要的作用，它能提供更高的处理能力、更低的能耗和更高的性能，从而推动半导体路线图的不断进步。然而，极紫外光刻面临的最大挑战之一是材料要求，因为底层材料在极紫外光刻的图案化过程中发挥着关键作用。与底层抗反射涂层（BARC）不同，厚度不受波长限制，而是与抗蚀剂和工艺要求相关。

　　富士胶片公司的材料研究员Keiyu Ou介绍了一种新的开发工具。在半导体光刻技术中，芯片制造商在晶片上涂上光刻胶，使用掩膜选择性地曝光光刻胶，烘烤光刻胶使其硬化，然后使用显影剂使曝光的光刻胶消失（如果是正色调光刻胶），或者使未曝光的光刻胶消失（如果是负色调光刻胶）。最终在晶片上形成图案，以便随后对底层薄膜进行蚀刻和其他处理。

　　根据Keiyu Ou的介绍，富士胶片公司最初在一项EUV试验中并不成功，因为缺陷太多，本应分开的线或本应存在的特征没有接触到。这一结果导致研究团队调整了方法。“应该进一步减少随机性。”Keiyu Ou在描述这个新目标时说。

　　Keiyu Ou表示，造成问题的随机事件源于显影剂的化学性质。研究人员对这些缺陷背后的机理进行了调查，得出的结论是认为问题出在显影过程中抗蚀剂的膨胀。于是，他们调整了显影剂的配方，添加了一种专有的疏水性溶剂。这种溶剂往往不与水混合，配方的这一改变使显影剂能够处理低至28纳米间距的线条和空间，适用于刚刚进入大批量生产的EUV技术版本。

　　目前，EUV光刻胶显影剂市场竞争激烈，主要参与者包括Tokuyama、富士电子材料、昆山立邦、惠州大成微电子材料、Futurrex、江阴江华微电子材料等，这些企业的产品在半导体行业发挥着重要作用。富士胶片公司的子公司富士电子材料是EUV光阻显影剂市场的一个重要参与者。该公司提供多样化的电子材料产品组合，包括用于EUV光刻技术的光刻胶显影剂。近年来，公司凭借其强大的市场地位和持续的研发投资，见证了市场的稳步增长。

　　ASML

　　ASML的EUV High-NA产品经理Jara Garcia-Santaclara报告了在提供高数值孔径（NA）成像工具方面取得的进展。她指出，仅仅达到所需的分辨率是不够的。对于客户来说，不仅分辨率很重要，在该分辨率下提供的性能也同样重要。制造高数值孔径系统是一个长达10年的过程，从2014年开始设计工具到2023年第四季度向客户交付第一台工具。ASML尽可能多地使用了低数值孔径产品的技术。公司还进行了研发，旨在解决高数值孔径本身带来的问题。

　　问题之一就是视场的大小。从数值孔径为0.33的低数值孔径系统到数值孔径为0.55的高数值孔径系统，都是出于提高分辨率的需要。在其他条件相同的情况下，高数值孔径系统产生的图像比低数值孔径系统小40%。但是，较高的数值孔径值也会缩小视场，这意味着不可能同时对整个大型裸片成像。

　　为了解决这个问题，业界计划采用拼接技术，即用两个掩膜曝光分别对芯片的两半成像，两半之间有少量重叠。不过，拼接技术要求对曝光强度进行极其精细的控制，并对曝光位置进行非常严格的精确控制。如果做不到这一点，缝合区域就会有缺陷，芯片就无法工作。Garcia-Santaclara在会议上展示了良好的缝合效果，验证了所需的能力。她还指出了许多其他领域的进展，例如抗蚀剂和其他材料。

　　总部位于比利时的半导体研究机构Imec将在2024年先进光刻与图形会议上展示其在实现高数值孔径极紫外光刻技术方面取得的最新成果。据称，该公司在EUV工艺方面取得了关键成就包括抗蚀剂和底层开发、掩膜增强、光学接近校正开发、高分辨率场拼接、减少随机故障以及改进计量和检测。

　　在High-NA EUV光刻技术中采用拟态透镜可获得比传统扫描仪小一半的光场尺寸。因此，需要采用场拼接技术来解决这一问题，使其成为高数值孔径光刻技术的关键推动因素。在此次会议上，Imec分享了其基于与ASML和掩膜车间合作伙伴在Imec NXE: 3400C扫描仪上所做的工作而实现高分辨率拼接的见解。

　　Imec先进图形、工艺和材料高级副总裁Steven Scheer表示，场拼接是实现高数值孔径的一个关键因素。由于采用了变形透镜（即在X和Y方向上具有不同去倍率的透镜），因此需要进行场拼接，从而使场尺寸达到传统扫描仪场尺寸的一半。高分辨率拼接将减少为应对扫描区域缩小而进行设计变更的需要。

　　英特尔

　　英特尔TD工艺工程组组长Robert Browning在演讲中介绍了持续改进的案例。他讨论了一种通过图案整形来推进极紫外成像的方法。他解释说，这种技术采用在晶圆上打印的图案，通过掩膜步骤和倾斜蚀刻，仅在一个方向上拉伸图案。

　　在举例说明时，他说只在Y方向拉长，而不在X方向拉长。在通过一次拉伸后，旋转晶片并通过另一次拉伸，可确保拉伸在两侧均等进行。因此，开始时的正方形可能会变成长方形，而原始图案中的圆形则会变成椭圆形。

　　这种伸长的X和Y方向取决于工艺开始时的晶片方向。因此，拉伸方向是任意的，芯片制造商可以调整拉伸方向和程度，以获得最大的收益。其中最主要的是，由于图案整形可以清理粗糙的线条边缘，因此可以将图案化能力扩展到低于极紫外光刻技术所能达到的水平。图案整形还可以帮助消除极紫外光刻步骤。Browning表示，这样可以节省大量的时间和成本。这些数字加起来会非常可观。

　　英特尔计划从20A工艺开始引入图案整形，然后在18A节点之后采用高数值孔径极紫外光。这种方法有望降低制造工艺的复杂性，避免使用EUV双图案化。然而，业内一些专业人士指出，至少在初期阶段，高数值孔径极紫外光刻的成本可能会高于低数值孔径极紫外光刻。此外，高数值孔径极紫外光刻设备还面临一系列具体挑战，包括曝光面积减半，如上文所述。

　　这是台积电目前采取谨慎态度的两个原因。台积电倾向于使用高性价比的成熟技术，以保证产品竞争力。事实上，如果回顾一下EUV技术的发展历程，台积电早在2019年就开始在芯片生产中使用EUV光刻设备，比三星晚几个月，但比英特尔早几年。目前，英特尔有望在高数值孔径极紫外光刻领域领先三星和台积电，获得一定的技术和战略优势，增加对客户的吸引力。

　　根据IThome的一份报告，事实上，英特尔积极的发展路线图包括从英特尔20A工艺开始实施RibbonFET全栅极（GAA）晶体管架构和PowerVia背面功率传输技术。随后，英特尔预计将在18A工艺中进一步优化，并在之后的后续工艺节点中采用高数值孔径极紫外光刻设备。这些进步预计将实现更低的功耗、更高的性能和更小的芯片尺寸。

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