高na EUV技术面临新挑战

据估计，高数值孔径EUV曝光系统将在2025年问世。虽然与极紫外光刻技术的引入相比，高na光刻技术的变化没有那么深刻，但它仍然给光抗蚀剂和相关材料带来了一系列新的挑战。

数值孔径越大，光子撞击晶圆的角度越小。这需要更薄的光刻胶层，以避免阴影。优点是较薄的抗蚀层降低了图案崩溃的风险，因为抗蚀层特征的纵横比较小。然而，它也提供较少的保护晶圆。

此外，用于创建高纵横比晶圆特征的长蚀刻工艺会腐蚀抗蚀层，最终降低转移图案。材料越少，越薄的抗蚀剂捕获的光子也越少，这可能会使粗糙度和其他随机效应变得更糟。

Fractilia的CTO Chris Mack指出，随机缺陷并不是高na系统的必然结果。通常这些缺陷是高na提供给光刻机的自由度的结果。如果特征大小是恒定的，更大的孔径可以通过向给定区域输送更多的光子来增加对比度和减少缺陷。但是，如果用更宽的角度来提高分辨率，打印出否则根本无法再现的特征，那么随机效应可能会变得更糟。

射光噪声:化学和光子
半导体行业花了几十年时间试图消除制造过程中的随机性。有时，看似随机的过程缺陷只是根本原因还不知道的系统缺陷。然而，在光刻技术中，工艺工程师必须与许多真正的物理随机性来源作斗争。

第一种是光子射噪声，它反映了光子在空间中的随机分布。诚实的抛硬币有一半的概率是“正面”，但仍然有可能连续20次看到“反面”。同样，当曝光剂量很大时，光子分布应该与所需图案的中心对齐。尽管如此，任何单个光子都可能落在整个分布的尾部附近，以及所需特征的边缘附近。在EUV光刻中，可用剂量相对较低，所需的特征非常小。在一个特征中光子的分布不是平滑的高斯曲线，而是离散事件的散射。每个高能量的EUV光子也会激发二次电子，这些电子会通过电阻反弹，直到它们的所有能量被吸收。

随机性的第二个来源，有时被称为化学射击噪声，来自于光刻胶本身。现代化学放大抗蚀剂包括许多不同的成分——不同长度的聚合物骨干分子、光酸发生器、溶剂和调整各种性能的添加剂。在大样品中，这些成分似乎是均匀分布的，但在旋转涂层和干燥过程中仍然会发生偏析，晶圆的抗蚀涂层可能不如散装样品均匀。在小的特征中，没有很多单独的分子。而且EUV光子比AFM尖端小，所以抵抗不均匀性，比最好的可用计量仍然可以被入射光子“看到”。

这些影响都不是新的。业内早就知道，抵抗不均匀性会导致粗糙度。然而，随着特征尺寸的缩小，几纳米的电子模糊和少数分子的抗不均匀性占整个特征尺寸的更大比例。现在，Mack说，随机效应可以消耗多达一半的边缘放置误差预算。[未来的文章将更详细地讨论边缘放置错误。]

这些分子尺度的不均匀性很难研究。为了研究抗蚀剂的分离行为，纽约州立大学理工学院副教授Gregory Denbeaux将聚苯乙烯(一种有意不混溶的成分)引入了模型抗蚀剂系统。在一个简单的三元相图中(见图1)，他研究了右下角，聚苯乙烯浓度很低，大部分溶剂蒸发了。正如他最近在圣何塞举行的SPIE高级光刻和制版会议上所解释的那样，这种情况可能会模拟PAG分子在旋转涂层后和曝光前的分离。随着溶剂浓度的降低和聚苯乙烯浓度的升高，分离在能量上趋于有利。实际发生的分离程度取决于单个分子的流动性。

Denbeaux说:“减少分离后分子的范围在能量上变得有利，将减少分离。”例如，更快的干燥会使混合物更快地变得粘稠，从而减少分离的时间。

图1:显示光刻胶偏析的三元相图。资料来源:半导体工程/Katherine Derbyshire

Denbeaux强调这是一个模型系统。现代的光阻剂不太容易发生分离。不过，在与单个光子相关的维度上，没有任何东西是同质的。

优化放大电阻
目前还不清楚，当纳米线的尺寸下降到20纳米以下时，该行业将转向哪种抗化学物质。研究人员Aysegül developioglu解释说，ASML与Paul Scherrer研究所合作进行的抗筛选研究使用衍射光栅来消除与掩模相关的污染和缺陷问题。研究小组比较了传统的化学放大抗蚀剂和新型的多触发抗蚀剂。此时，只有CA抗蚀剂能够达到12纳米的目标分辨率，尽管多触发抗蚀剂给出了有希望的结果。多触发电阻[1]依赖于一系列近距离的化学反应来解除聚合物骨架的保护。单个光酸分子是不够的，降低了PAG扩散的影响。对比度提高，粗糙度降低。

在Paul Scherrer研究所的研究中，多触发电阻提供了最佳的z因子，这是一个综合了分辨率、线条粗糙度和灵敏度的优点数字:

Z = CD^3.x轻水反应堆²x剂量

尽管已经取得了进展，但根据developoglu的说法，线宽粗糙度仍然是所有研究的抗蚀剂的挑战。

杜邦电子与工业的技术奖得主李明琦讨论了该公司通过抗蚀剂结构减少随机效应的努力。增加聚合物基质的电子吸收可以减少二次电子引起的特征模糊，目前在3到7nm之间。使用聚合物基质固定PAG分子可以限制分离和扩散。直接将PAG分子与聚合物基体结合是不成功的，因为它降低了聚合物的溶解度。相反，李说，一种更有前途的方法是将PAG分子固定在分子玻璃基质中。如果PAG分离确实发生，一个更亲水的聚合物可以减少簇大小，使聚集能量更不利。

图2:光刻胶和EUV光子之间的相互作用是复杂的，每个光子产生一个级联的光电子发射。来源:imec

康奈尔大学教授克里斯托弗·奥伯(Christopher Ober)提出了另一项建议，试图改进目前的聚合物合成方法。传统的合成方法控制的是单体的比例，而不是它们的组装顺序或产生的链长。AAABBB, ABABAB和AABBAABBAABB都是可能的A-B聚合物。Ober解释说，多肽化学提供了一种替代方法，利用聚合物骨架的结构来控制溶解度，从而控制分子量。该抗蚀剂平台由美国高精度图案科学中心开发，提供了更紧密的分子量分布，因此更均匀的抗蚀剂。

不含光酸的光敏性
目前，金属氧化物抗蚀剂可能是光酸驱动化学的主要替代品。基于金属氧化物核心，周围的配体调节溶解度，交联和其他性质，这些抗蚀剂提供了固有的良好的耐蚀性。稠密的核心吸收更多的能量，也衰减电子能量和减少模糊。

改进的耐蚀性和吸收率解决了薄电阻最严重的局限性，提供了高na友好的解决方案。不幸的是，只有负色调金属氧化物电阻是可用的，所以他们不能用于接触孔。Inpria (JSR Corp.的一部分)和Lam Research都提供金属氧化物抗蚀剂，部分原因是它们的开发方法不同。

最后一个抗蚀剂概念，主链断裂，试图通过从根本上简化抗蚀剂分子来减少不均匀性。Zeon Corp.的Akihide Shirotori描述的一种版本仅围绕两个单体构建。EUV光子将高分子量链切割成更小、更容易溶解的片段。该公司报告称，其配方高度稳定，能够容忍涂层、曝光和显影之间的长时间延迟。

更稳定的电阻给晶圆厂更大的灵活性和促进更有效的设备利用。但在这些抗静电剂商业化之前，还有很多工作要做。Zeon希望在曝光区域和未曝光区域之间建立一个更清晰的阈值，以减少电子模糊的影响。更有效的分裂反应也会减少必要的照射剂量。

虽然光刻胶是图案转移堆栈的主要组成部分，但其最终性能取决于任何底层的吸附和粘附性能、显影剂化学性质以及可以帮助降低抗蚀剂缺陷的印刷适印性的显影后处理。本文的第二部分将讨论在SPIE高级光刻和制版会议上讨论的这些领域的新结果。

参考

1. c . Popescu;g·奥卡拉汉;a·麦克勒兰德;j·罗斯;t·拉达;t .奖赏;r . Dammel;m . Moinpour;y曹;a·p·g·罗宾逊，"多触发抗蚀剂的进展"SPIE 11612，图形材料和工艺的进展XXXVIII, 116120K(2021年4月5日);doi: 10.1117/12.2583888