EUV光刻，新里程碑|euv|光刻胶|孔径|掩模

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在进入High NA EUV光刻时代的前夕，imec计算技术与系统/计算系统扩展高级副总裁Steven Scheer谈到了ASML-imec联合高NA EUV光刻实验室对半导体行业的意义。

Steven Scheer表示：“位于荷兰费尔德霍芬的 ASML-imec High NA EUV 联合光刻实验室的开业，标志着High NA EUV 大规模生产应用准备工作取得里程碑式进展。领先的内存和逻辑芯片制造商现在可以使用第一台原型High NA (0.55NA) EUV 扫描仪 (TWINSCAN EXE:5000) 和周边基础设施，包括涂层和开发轨道、计量工具以及晶圆和掩模处理系统。Imec 和 ASML 将支持IDM 和代工厂降低图案化技术的风险，并在扫描仪在其生产工厂投入使用之前开发私有的High NA EUV 用例。

ASML和imec还将向更广泛的供应商生态系统提供访问权限。开发设施将使他们能够走在High NA EUV 专用材料和设备工程的最前沿。第三组用户是imec 和我们在高级图案化项目中的几家合作伙伴，推动图案化生态系统进入下一代High NA EUV。

位于费尔德霍芬的联合高数值孔径 EUV 光刻实验室成立的目的是加速和经济高效地将高数值孔径 EUV 投入生产。在短时间内，ASML 和 ZEISS 开发出了高数值孔径 EUV 扫描仪专用解决方案，涉及光源、光学元件、镜头变形、拼接、减小景深 (DOF)、边缘位置误差 (EPE) 和套准精度。

与此同时，imec 与 ASML 和我们扩展的供应商网络紧密合作，准备就绪0.55NA 图案化生态系统——正如在 2024 年 SPIE 先进光刻和图案化会议上宣布的那样。我们确保及时提供先进的光刻胶和底层材料、光掩模、计量技术、（变形）成像策略、光学邻近校正 (OPC) 以及第一代高数值孔径 EUV 的集成图案化和蚀刻技术。所有的准备工作最近都促成了第一批晶圆的曝光。分别在暴露金属氧化物光刻胶 (MOR) 和化学放大光刻胶 (CAR) 后，可以成功打印10nm 和 16nm 宽的线/空间（即 20nm 和 32nm 间距）。

现在，原型扫描仪和基础设施已经准备就绪，预计将在2025-2026 年投入大批量生产。”

图 1 - High NA 实验室中的 EXE:5000 High NA EUV 扫描仪展示了 16nm 线条和单次曝光中获得的首个 10nm 密集线条。

首批用例：14A 逻辑芯片和 D0a DRAM

“High NA EUV将首先应用于14A代逻辑芯片的量产，它将能够在一次曝光中实现间距为24nm的金属线/间距（M0/M2）的图案化，最终目标是达到18nm间距。这将提高产量并缩短周期时间，与现有的多次图案化0.33NA EUV方案相比，甚至可能减少二氧化碳排放。它最终将成为图案化互补场效应晶体管（ CFET）芯片特有的复杂结构的关键技术。

随后，它将进入内存芯片制造领域，用于对DRAM 内存最关键的结构进行图案化。High NA EUV 预计可在一次曝光中对存储节点着陆垫和位线外围进行成像。D0a 2D-DRAM 技术将是第一个机会，需要 28nm 中心到中心间距。”

迈向下一代高数值孔径 EUV

“尽管尖端半导体生态系统的目标是短期内将High NA EUV 引入大批量生产，但imec 及其合作伙伴则着眼于更长远的目标——旨在实现下一代High NA EUV。对于这些活动，ASML-imec 联合High NA EUV 光刻实验室将充当 imec 设施的虚拟延伸。虽然曝光将在 Veldhoven 进行，但部分预处理和后处理工作将继续在 imec 的 300 毫米洁净室中进行。

首先，我们将密切监测High NA EUV 原型光刻集群（即连接的扫描仪和轨道）的性能。为此，imec 已准备好专用晶圆堆栈，并将基线工艺转移到原型High NA EUV 集群。我们的团队将从最终分辨率（最终目标是线/空间的金属间距为 18nm，接触孔的间距为 28nm）、稳定性（例如，曝光后结构临界尺寸 (CD) 和缺陷密度的稳定性）和有效焦深 (DOF) 方面评估集群。由于数值孔径较大，DOF 预计比 0.33NA EUV 小 2-3 倍——这是在 0.55NA EUV 中使用更薄光刻胶膜的原因之一。

此外，我们与计量领域的合作伙伴一起，在联合实验室开发并安装了专用检测工具，以监测和改善图案结构的缺陷率。电子束检测已被选为调查超小接触孔缺陷率的主要工具。我们的目标是实现业界雄心勃勃的目标，即在测量的一百万个接触孔中，每个接触孔只有一个缺陷。对于金属线/空间，光学检测工具与电子束相结合，以检测和分类缺陷，并提供指导，以实现每立方厘米缺陷数少于一个。

最后，逻辑和 DRAM 用例正在准备中。更大的工艺模块将接受图案分辨率和缺陷率方面的检查，例如使用检测工具和电气测试的组合。”

扩展 0.33NA EUV 活动，使Low NA EUV 和高 NA EUV 均受益

“我们洁净室中最新一代的 0.33NA EUV 扫描仪仍然是一套互补的工具，有助于改善下一代High NA EUV 的图案化生态系统。此外，并非所有芯片功能都需要High NA EUV——想想中间和全局片上互连线的图案化。因此，我们也将继续改善 0.33NA EUV 的生态系统。此外，一些挑战——例如需要改进抗蚀剂——在 0.33 和 0.55NA 中是共同的。

我们的“0.33NA 扩展活动”的重点领域之一是High NA EUV 的场拼接。场拼接的必要性源于引入变形镜头（即在 x 和 y 方向上具有不同缩小倍率的镜头）与不变的掩模空白尺寸（仅允许晶圆上的半场尺寸）相结合。在 2024 年 SPIE 高级光刻 + 图案会议上，imec 分享了其在实现分辨率场拼接方面的最新见解，这减少了为应对场尺寸减小而进行设计更改的需要。这项工作是在 imec 洁净室的 NXE:3400C 扫描仪上进行的，与 ASML 和我们的掩模合作伙伴合作。

另一个关键课题是光刻胶和底层开发。我们正与光刻胶供应商一起筛选替代光刻胶材料，并根据缺陷率、粗糙度和剂量减少情况对其性能进行基准测试。

几十年来，化学放大光刻胶 (CAR) 一直主导着光学光刻领域，并且将继续在特定用例中占据主导地位。但High NA EUV 可能标志着金属氧化物光刻胶 (MOR) 的突破，金属氧化物光刻胶在高分辨率线条/间隔和小六角形柱方面表现出色。对这些 MOR 如何与 EUV 光反应的基础研究将使我们能够克服剩余的挑战，例如它们的性能稳定性。我们还研究了底层与光刻胶的匹配，以提高其粘附性。此外，选择底层和光刻胶材料组合可以进一步降低曝光剂量，从而降低（High NA）EUV 成本。

最后，我们专注于定向自组装 (DSA)，它使用嵌段共聚物 (BCP) 的微分离来定义图案。业界对将 DSA 与 EUV 结合使用很感兴趣，因为它能够降低粗糙度、修复缺陷并降低 EUV 剂量。我们的目标是进一步降低 DSA 图案内的缺陷率。从长远来看，我们将把 DSA 开发扩展到High NA EUV。为了与High NA EUV 相关，我们必须将 DSA 图案缩小到 24nm 间距以下。由于目前使用的 PS- b -PMMA 型嵌段共聚物无法实现这一点，因此我们已与 DSA 材料供应商一起开始研究所谓的High χ BCP。”

Hyper-NA EUV：光刻技术的下一个亮点？

“虽然现在称其为下一个亮点还为时过早，但 imec 和 ASML 已经开始了对Hyper NA EUV 的可行性研究。Hyper NA的数值孔径甚至更高，为 0.75-0.85，可能成为 0.55NA EUV 的继任者，使业界能够打印间距远低于 20nm 的线条/空间，从而避免重新依赖High NA EUV 多重图案化。

这项技术能否成为现实，将取决于行业需求，以及克服技术障碍的能力。例如，Imec 正在通过模拟研究使用 Hyper-NA EUV 进行成像的可行性。问题之一是景深的进一步减小，景深的减小与 NA 的平方成反比。目前可用的总景深对行业来说是否仍然可行，我们该如何处理这些受限的景深资源？但最终，与前几代光学光刻技术一样，决策也将取决于成本可以降低的程度。关键在于找到经济上的最佳平衡点——引入新技术的成本和收益开始超过“旧”技术带来的日益增加的挑战的时间点。”

减少二氧化碳当量排放量

“我们使用了我们的虚拟晶圆厂模型 imec.netzero 来量化从Low NA EUV 多重曝光过渡到High NA EUV 单次曝光对环境的影响。二氧化碳排放的主要来源是光刻步骤中的电力消耗。我们的模型显示，在单个光刻步骤中，0.55NA EXE:5200 扫描仪比 0.33NA NXE:3800 扫描仪消耗更多电量——假设 EUV 光源和晶圆吞吐量相同。这主要是因为需要更快的晶圆和光罩阶段来保持吞吐量，而High NA EUV 的扫描长度较短。有限的扫描是由于较大 NA 使用了变形镜头。

尽管High NA 扫描仪的功耗较高，但我们的模型显示，当用High NA 单次曝光等效装置替换一个 EUV Low NA 光刻-光刻-蚀刻 (LELE) 通孔工艺模块时，二氧化碳排放量总体减少了 30%。工艺简化比平台加速带来的功耗增加更重要。可以通过最大化扫描仪吞吐量（以每小时晶圆片数 (wph) 为单位）来控制电力消耗。降低光刻胶剂量和管理芯片尺寸/光罩布局已被确定为保持该吞吐量的关键因素，因为它们都会影响High NA EUV 扫描仪完成晶圆曝光所需的时间。

图 2 – 图表显示，用High NA 单次曝光替代低 NA LELE 时，CO 2当量排放量减少 30%。两种情况下，假设标称吞吐量为 220wph。

除了光刻之外，蚀刻工艺也是直接二氧化碳排放的重要来源。大多数干蚀刻工艺都依赖于氟化合物，而氟化合物的全球变暖潜能值比二氧化碳高得多。我们开发工艺和设计方向以减少这些氟化合物的排放。

除了排放之外，还有其他值得关注的领域，例如材料稀缺和 PFAS 等有毒物质的使用。PFAS是半导体制造多个方面的内在推动因素，包括CAR和冲洗材料。High NA EUV 可能标志着不含 PFAS 的 MOR 的引入。我们最近展示了在薄 MOR 光刻胶中图案化小线条/空间的良好性能，以及使用带有二元明场掩模的 MOR 光刻胶图案化接触孔的良好性能。但 CAR 仍将是图案化不太重要的芯片特征的主力。我们与供应商社区一起，发起了新的研究计划，探索不含 PFAS 或限量 PFAS 的替代品，并对其性能进行基准测试。

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