2023年光刻技术新突破：探索2纳米EUV光刻胶研究进展

编者按：2纳米芯片即将进入公众视野，2纳米EUV光刻机也即将发货，金属氧化物抗试剂MOR被认为是最有希望的2纳米EUV光刻胶。

在前几篇帖子里，我们已经大概了解了目前的2纳米EUV光刻机（0.55NA）的光源和光学制造，并且提到了0.2纳米EUV光刻机（0.75NA）的预研工作。接下来，我准备花3-4篇文章介绍一下2纳米EUV光刻胶的进展。

目前的2纳米EUV光刻胶的主要方向有2个，第一个是采用7纳米EUV光刻机的化学扩增抗蚀剂（CAR），第二个是采用创新的金属氧化物抗蚀剂（MOR）。

要进行EUV光刻胶的研制，首先需要匹配的高分辨EUV光源。目前具备高分辨EUV光刻机研究的单位寥寥无几，其中主要的除了拥有EUV光刻机的单位，其他机构包括拥有高分辨EUV曝光机（MET-5）的美国劳伦斯伯克利国家实验室，以及拥有高分辨EUV干涉光刻的瑞士保罗·谢勒研究所（Paul Scherrer Institude，PSI）。这两家机构采用的都是同步辐射。比利时IMEC既有ASML的7纳米EUV光刻机，也有一套基于美国高谐波生成相干光源的双干涉光刻装置。

美国劳伦斯伯克利国家实验室高分辨EUV曝光机（MET-5）

保罗·谢勒研究所与ASML有长期合作框架，几乎每年都会在各种光刻会议上报告EUV光刻胶的研究工作。今天我们介绍的2023年4月在加州SPIE会议上公布的2022年下半年的研究结果。

保罗·谢勒研究所的EUV干涉光刻安装在瑞士同步辐射光源（Swiss Light Source）上（下图左上角就是瑞士光源）。这个实验室从事EUV光刻胶的研究已经超过十年历史了，可以说是伴随着EUV光刻技术的大规模商业化同步成长的。

干涉光刻利用同步辐射的两束相干光源的狭缝衍射效应成像。

利用不同的狭缝图形，可以完成规整的L/S图形或者点阵图形曝光，达到极高的分辨率。

根据网站更新的资料，保罗·谢勒研究所目前可以实现的EUV光刻分辨率是6纳米（12 纳米L/S间距）。

EUV光刻胶的评估方案是用SEM显微镜拍照，并用图像处理软件对照片提取线宽或半间距（HP）、线宽粗糙度（LWR）等数据。

在半年时间，PSI小组研究了来自6个供应商的100个EUV光刻胶样品。通常16纳米的分辨率适用于7-5纳米芯片节点，13纳米分辨率适用于5-3纳米芯片节点。对于2纳米芯片，研究聚焦于12纳米以下分辨率。

接下来我们看一下最佳的研究结果：

1，作为对比，下图展示的是4款光刻胶在14纳米半间距（HP）下的曝光图案SEM照片，大致来说，这是7纳米光刻机的工作区间。可以看到，这四款的曝光效果都很好。

2，但是当曝光的半间距从14纳米缩小到13纳米的时候，我们可以看得很清楚，其中3款CAR光刻胶曝光效果非常完整清晰，而对照组的C样品MTP光刻胶效果就非常差，不仅线条边缘不规则，而且出现大量的桥接。

3，接下来我们看一下曝光半间距降低到12、11、10纳米的情况，首先，第三组的MRT光刻胶线条已经发生断裂；第四组的CAR光刻胶线条也开始发生桥接。

A组的CAR光刻机在12纳米曝光线条良好，而B组CAR光刻胶一直到11纳米仍然保持线条完好。

因此，最好的CAR光刻胶目前可以达到11纳米的分辨率。

4，最后展示的是一组MOR光刻胶的测试。下图考察不同衬底层对同一款MOR光刻胶曝光分辨率的影响。

5，通常定义Z-factor去评估光刻机的曝光剂量（Dose-to-size）和线宽偏差（Unbiased LWR）的综合指标。

简单来说，曝光剂量越低越好，线宽偏差越低越好（最少要低于分辨率的十分之一）。

将以上得到的曝光图形进行数据提取，我们就可以得到不同光刻胶的使用区间。从下图我们就可以看到，不同光刻胶、不同厂商的配方都具有不同的特征。比如，虽然MTR光刻胶分辨率最差，但是它的剂量要求是最低的。

下图是过去3年PSI研究组优化的三种光刻胶MOR、MTR、CAR的最优曲线：

1，MTR的分辨率只能达到13纳米，但是Z-factor最低，适用性最强。

2，CAR的分辨率可以达到11纳米。

3，创新的MOR光刻胶分辨率可以达到10纳米。

从PSI实验室的最新研究结果看，2纳米光刻胶的性能在过去三年一直在提升，对于满足2纳米芯片制程是非常振奋的结果。

接下来，我们再详细聊聊包括IMEC、Lam、TEL等公司参与的最有希望的2纳米光刻胶--MOR的研究吧。