对更快、更小、更高效的电子设备需求不断增长，推动了半导体产业对创新的不懈追求。半导体制造核心的一项关键技术是极紫外光刻技术（EUV），可以提高分辨率，实现设备微型化。全球研究人员和公司都在重点关注开发新型极紫外（EUV）光刻胶材料，提高半导体设备性能。对此，光刻胶专家Rupesh Yelhekar以论文的形式发表了自己的学术成果。
光刻是半导体制造的关键步骤，将图案“光刻”到晶圆上，从而制造出集成电路和其他微结构。传统光刻技术依赖深紫外光，但随着集成电路达到个位数纳米尺度，极紫外光刻技术势在必行。极紫外光波长约为13.5纳米，能以高精度实现更小的尺寸。极紫外光刻胶是一种光敏材料，用于半导体制造工艺，特别是先进光刻技术。这些材料必须能够承受高能极紫外光子，并具有高分辨率图形能力。开发极紫外光刻胶材料所面临的一些挑战是：它们需要对短波长高度敏感，实现高分辨率对于生产3纳米以下复杂和小型图案至关重要，最大限度地减少线边缘粗糙度，并且脱气（污染）给制造商维持生产带来问题。
这些创新材料根据其配方或成分通常可以分为化学放大光刻胶（CAR）、非化学放大光刻胶、无机极紫外光刻胶和混合极紫外光刻胶。暴露在极紫外光下时，这些材料会发生化学或物理变化，从而将图案准确地转移到表面上。
了解极紫外线光刻胶材料
极紫外光刻胶材料是一种光敏物质，在高能极紫外光子照射下会发生化学变化。极紫外光子从光敏化合物中产生光酸。这种酸在抗蚀剂聚合物中催化脱保护反应，使其更易溶于显影液。放大反应增强灵敏度，实现图形高分辨率。随着半导体节点向更小尺寸发展，保持分辨率、灵敏度和图形保真度越来越复杂，也越来越具挑战性。研究人员正在开发新材料、机制和工艺技术来应对这些挑战，实现进一步微型化。
化学放大光刻胶：化学放大光刻胶是最常用的极紫外光刻胶。它们使用光致产酸剂（PAG），在暴露于极紫外光子时产生酸。这种酸在抗蚀剂中催化化学反应，导致曝光区域在显影过程中溶解。化学放大光刻胶以高灵敏度而闻名，因此适用于低剂量极紫外曝光，并能提高半导体制造过程中的吞吐量。它们可应用于光学设备、显示器和高级封装。
无机极紫外光刻胶：无机极紫外光刻胶具有不同的极紫外吸收系数和高蚀刻性，对解决一些现有问题很重要。因此，许多研究者开始研究无机材料在光刻胶领域的应用。这些材料不同于有机化学放大光刻胶，因为它们由无机材料组成，例如金属氧化物或含金属化合物。它们的工作原理是将丙烯酸作为有机配体，将金属氧化物体系应用于极紫外光刻。与有机光刻胶相比，无机光刻胶有望提高热稳定性，减少脱气，可应用于极端环境或专用半导体工艺。
非化学放大光刻胶：与化学放大光刻胶不同的是，非化学放大光刻胶不依赖酸催化反应。相反，它们在极紫外光照射下直接发生光促反应，促使溶解度发生变化。这些材料通常需要更高剂量的极紫外光才能形成图案，目前正探索特定应用和工艺要求。
混合极紫外光刻胶：混合极紫外光刻胶结合了有机和无机元素，充分利用了这两种材料的优势。这些材料的工作原理是在配体交换反应后选择用于纯化步骤的树脂作为聚苯乙烯树脂，用叔胺、哌啶和二甲胺将其功能化。这些材料旨在提高灵敏度、分辨率和热稳定性，解决纯有机或无机光刻胶的一些局限性。
从下图，我们则能看到极紫外光刻胶材料过去5年的相关论文发表趋势。
极紫外光刻胶开发的主要挑战
极紫外光灵敏度：灵敏度是极紫外光刻技术的主要挑战之一；开发和优化能有效吸收极紫外光并与之发生反应，从而在半导体晶片上生成精确图案的光刻胶材料非常困难。极紫外光子很稀缺和昂贵，需要具有高灵敏度的光刻胶材料，在制造过程中达到每小时100到120片晶圆的足够吞吐量。
分辨率和线边缘粗糙度：随着特征尺寸的减小，在保持高分辨率的同时而不产生过多线边缘粗糙度（LER）就成了问题。由于光子能量高，用于极紫外光刻胶的线边缘粗糙度的一个重要潜在源是光子散粒噪声。线边缘粗糙度的挑战在于最大限度地减少形成晶体管尺寸的光刻胶显影线边缘的不规则性或粗糙性。过多线边缘粗糙度会引起晶体管性能发生变化，芯片产量降低。制造商需要优化光刻胶配方和工艺条件，实现2纳米线边缘粗糙度，但灵敏度仅为70 mJ/cm，并且晶体管尺寸边缘更光滑，更精确。
脱气：极紫外光刻中的脱气问题是指在极紫外光照射下，从光刻胶中释放挥发性有机化合物（VOC）或其他材料。这些排出物质可能会污染周围环境，包括极紫外光刻设备中使用的光学器件和反射镜。污染会降低设备性能和产量，同时增加维护需求。控制并尽量减少脱气对于保持整个极紫外光刻工艺的可靠性和效率至关重要。
热稳定性：极紫外光曝光会产生大量热量，要求光刻胶材料在高能条件下保持稳定。许多应用要求涂层具有优异的热稳定性。大多数市售的去除剂在热负荷达到130°C后迅速溶解抗蚀层。
新型极紫外光刻胶材料取得重大进展
高灵敏度、低剂量材料：研究人员正在探索新型化学放大光刻胶，即使在较低剂量下也能对极紫外光子产生强烈反应，将吞吐量提高到每小时100片晶圆，并降低制造成本。
提高分辨率和线边缘粗糙度控制：新型材料，如化学放大和无机光刻胶，旨在减轻线边缘粗糙度，同时保持高分辨率图形能力。先进化学原子光刻胶成分和独特的聚合物结构对于提高极紫外光灵敏度、改善对比度、降低2纳米以下线边缘粗糙度至关重要。
减少脱气：开发低脱气光刻胶可以确保提高极紫外光曝光洁净度，从而增加产量并提高半导体设备可靠性。减少放气对于保持极紫外光刻工艺的清洁度和完整性至关重要，而该工艺对污染物高度敏感。半导体制造商与材料供应商和设备制造商密切合作，确保在极紫外光刻工艺中使用的光刻胶和其他材料符合严格的除气要求，有助于生产高质量的半导体设备。
热稳定性解决方案：要解决极紫外光刻的热挑战，研究人员正在开发热稳定性更强的工程材料，在不影响性能的前提下延长曝光时间。
合作与未来前景
开发和优化新型极紫外光刻胶材料需要半导体制造商、材料供应商和研究机构之间进行合作。半导体行业对下一代设备的追求有依赖于极紫外光刻技术不断改进和完善。
新型极紫外光刻胶材料的成功应用将为半导体技术带来许多可能。更小、更强大的设备将彻底改变各个领域，包括数据中心、医疗保健、汽车和人工智能。这种影响不局限于传统计算，还允许半导体制造商能够生产特征尺寸更小的芯片。这使得电子设备中的晶体管密度更高、性能更好、功耗更低，还提高了半导体设备的功能，能够生产先进处理器、存储设备和传感器，推动各行各业技术创新。
总结
新型极紫外光刻胶材料是不断提高半导体技术的关键踏脚石。要满足数字时代的需求，就必须能够在半导体晶片上打印出更小、更精确的尺寸。这一领域的合作研究和开发为半导体行业带来了光明的未来，确保了电子设备的不断发展，让我们的生活更加丰富多彩。
开发新型极紫外光刻胶材料需要材料科学家、化学家、物理学家和工程师之间相互合作。材料供应商、半导体制造商和研究机构协同工作，在苛刻的极紫外曝光条件下设计、表征和测试这些材料。
极紫外光刻技术和光刻胶开发领域在不断发展。研究人员正在探索各种创新材料，包括无机光刻胶、纳米结构材料和混合聚合物。随着半导体行业追求更高水平的微型化和性能，对新型极紫外光刻胶材料的追求仍然是研究和创新的活跃领域。
