高数值孔径EUV可能比看起来更接近

高NA EUV有望缩小到埃级，为具有更高晶体管计数和全新工具、材料和系统架构的芯片奠定了基础。在最近举行的SPIE高级光刻会议上，英特尔光刻硬件和解决方案总监马克·菲利普斯重申，公司打算在2025年将该技术应用于大批量生产。虽然许多观察家认为这一时间表很有挑战性，但该公司可能希望避免——或至少推迟——使用EUV的多模式流程的需要。

高NA EUV系统的好处可以用一个词来概括——分辨率。将光圈增加到0.55，而不是当前曝光系统中的0.33，可以在可实现的临界尺寸上实现成比例的改善，对于0.55 NA EUV，可能低至8nm，相对于0.33 NA系统的13nm。

不幸的是，目前还没有生产高NA EUV扫描仪。在上个月的SPIE会议上，ASML和蔡司报告称，虽然开发工作正在进行中，但第一次系统安装预计要到2023年。从0.33 NA到0.55 NA的转变没有最初引入EUV光刻技术那么激进，但光刻生态系统包含的变化不仅仅是扫描仪。为了在2025年前将高NA系统插入批量生产，该行业将需要改进光掩模、抗蚀剂堆栈和图案转移过程的其他方面。

EUV光学组件组装到系统框架中。资料来源：蔡司

最根本的挑战是，较大的数值孔径会导致EUV光子以较低的入射角照射晶圆，从而降低聚焦深度。这个较低的角度加剧了3D掩模效应，并使抗蚀剂中潜影的形成复杂化。

EUV掩模的横截面。资料来源：（Imec，库鲁汶，根特大学，PTB）

遮罩具有厚度

虽然光学光刻（365nm至193nm）系统利用折射光学，但EUV系统依赖于反射光学。入射的13.5nm波长的光子照射到目前由钼/硅双层构成的多层反射镜上，并以所需角度反射回来（见图2）。光罩通过在反射光子的路径中放置吸收层来创建其图案。

虽然可以很方便地将遮罩视为顶部有二维吸收体图案的平面镜，但实际上它是一个三维物体。反射面位于多层膜内部，在当前材料的深度约为50nm。吸收层具有厚度、折射率（n）和消光系数（k），所有这些都会影响其产生的强度分布。光圈越大，光子以较浅的角度撞击遮罩，相对于图案尺寸投射出更长的阴影。“暗”完全遮挡区域和“亮”完全曝光区域之间的边界变为灰色，从而降低图像对比度。这些影响并不新鲜。

自90nm节点以来，相移掩模已用于生产。2020年，安德烈亚斯·埃尔德曼（AndreasErdmann）和弗劳恩霍夫研究所（Fraunhofer Institute）、Imec、ASML和蔡司（Zeiss）的同事系统地分析了EUV掩模材料对成像行为的影响。 但即将采用的高NA EUV系统将3D遮罩效果推向了最前沿。有几个选项可用于减少有效吸收体高度，从而减少3D遮罩效果的影响，第一个也是最简单的方法是减少吸收体材料的厚度。Imec高级图案化项目总监库尔特·朗斯（KurtRonse）表示，高钠EUV图案化的第一层可能具有相对宽松的尺寸，约为28nm。简单地降低吸收器高度应能提供足够的对比度。然而，随着功能的不断缩小，制造商需要重新考虑吸收体材料。Erdmann指出，目前使用的钽基吸收体的光学特性相对较差。降低吸收体的折射率将改善剂量-尺寸特性，在恒定曝光剂量下实现更小的特性。同时，增加消光系数可以减少三维效应。

不幸的是，n和k不是独立的参数，掩模制造商可以简单地在工艺刻度盘上设置。它们是材料特性，因此彼此相关，也与吸收器的其他特性相关。为了采用新材料，掩模制造商必须能够对其进行蚀刻并修复缺陷。目前用于钽吸收体的反应离子蚀刻是一些候选材料的一种选择，但新的吸收体仍可能需要新的蚀刻工艺和新的化学。接触层和金属层有不同的要求，可能需要不同的吸收器。Ronse说，目前还没有达成共识的选择。为了继续进行工艺开发，掩模制造商需要行业的额外指导。

甚至在更远的地平线上，一种具有不同消光系数的新型多层掩模坯料可以减少反射面的有效深度。例如，用钌代替钼可以提供40nm的反射深度。然而，改变多层材料比更换吸收器更为复杂。新的掩模坯料需要达到相同或更好的厚度均匀性和缺陷规格。Ronse说，尽管这最终可能是必要的，但新的多层膜不会很快出现。

掩模制作方面的另一个变化是从可变波束（VSB）电子束掩模写入器到多波束掩模写入器。D2S首席执行官藤村昭（Aki Fujimura）表示：“多光束书写器更适合EUV，因为暴露抗蚀剂需要更多的能量，并且会产生发热问题。因此，你希望能够使用多光束，即使是简单的形状。但多光束也可以在掩模上制作曲线形状，而无需延长写入时间。”

模式传输变得（更）复杂

在通过光掩模的吸收图案后，EUV光子遇到晶圆及其光刻胶层。聚焦深度的减小使得更难同时保持抗蚀剂叠层顶部和晶圆平面的聚焦。如果焦点错误使相邻的特征靠得太近，则间隙无法清除，并出现桥接缺陷。如果特征之间的间距太大，则产生的光刻胶特征太薄，并在其自身重量的作用下塌陷。

东京电子蚀刻产品集团董事Angélique Raley在SPIE上介绍的工作中解释说，如果没有足够的聚焦深度，两种制度之间已经很窄的工艺窗口可能会完全消失。减少抗蚀剂厚度既可以提高焦点，又可以降低图案崩溃的风险，但也带来了额外的挑战。

首先，较薄的电阻更容易产生随机缺陷。EUV曝光源提供的光子数量已经很低，而较薄的抗蚀剂吸收确实到达的光子的能力较低。随机缺陷，表现为线边缘粗糙度，已经是EUV产量损失的主要原因。

通常，图案转移过程依赖于具有光致抗蚀剂、粘附促进底层和硬掩模层的复杂堆叠。在转移到晶圆之前，初始步骤复制硬掩模中的抗蚀剂图案。如果暴露和未暴露的抗蚀剂特征之间的对比度较差，则可能需要初步的“脱胶”步骤。较薄的抗蚀剂在残留物去除和图案转移蚀刻期间更容易受到侵蚀。这些担忧并不新鲜。一段时间以来，该行业一直在研究替代性抗蚀剂。尽管如此，还没有普遍接受的传统化学放大电阻的替代品出现。

在化学放大电阻中，入射光子激活光酸发生器分子，每个分子产生多种光酸。光酸反过来会破坏抗蚀剂的主链聚合物，使其可溶于显影剂。然而，CAR对EUV的吸收能力较差，需要相对较厚的一层来获得足够的剂量。

一种很有希望的替代方法是金属氧化物电阻，它使用入射光子来分解氧化锡纳米团簇。氧化物簇在显影剂中可溶，而金属锡则不可溶。这些是消极的音调抵抗。暴露使材料不溶。金属氧化物本质上更耐腐蚀，吸收更多的EUV光子，使它们能够在较薄的层上获得类似的结果。不幸的是，接触孔可能是高钠EUV曝光的第一种应用，需要正色抗蚀剂。

如上所述，尽管如此，图案传输堆栈比光刻胶更重要。底层材料，通常为旋装玻璃或碳化硅，有助于促进抗粘着。Raley证明，这些材料可以扩大桥接和图案塌陷缺陷之间的过程窗口。然而，底层也会增加总厚度，为了将图案转移到硬掩模，必须去除总厚度。它需要随着抗蚀剂变薄。然而，杜邦公司的Jae Hwan Sim及其同事表明，底层密度取决于厚度。 较薄且密度不足的底层可允许光酸扩散。这种行为会从抗蚀剂的底部去除光酸，导致不完全显影。

未来的一篇文章将更详细地讨论EUV模式转换。抗侵蚀和功能保真度是业界正在以各种方式应对的持续挑战。然而，正如SPIE会议所表明的那样，无论光刻工程师是否做好准备，高NA曝光系统将很快带来额外的复杂性。