纳米技术2025最新Letter 400W EUV 光刻用金属硅化物 EUV 薄膜的制备与优化（韩国）

摘要在极紫外光刻EUVL工艺中极紫外EUV薄膜作为薄而透明的保护层可防止光掩模掩模版受到颗粒污染从而保持光掩模图案完整性、降低芯片失效风险并提高生产良率。由于纳米级厚度下 EUV 薄膜具有机械脆性且需耐受 EUVL 环境中的严苛条件包括高温与氢自由基其制备面临重大挑战。为此学界已对碳基材料、硅基材料等多种材料展开广泛研究以开发 EUV 薄膜。本研究探讨了金属硅化物MeSix薄膜在高功率 EUVL 应用中的可行性。我们成功制备了两种尺寸的MeSix薄膜10 mm×10 mm样品与全尺寸110 mm×144 mm薄膜并对其光学性能、机械性能、热学特性、化学性质及使用寿命进行评估。测试结果显示薄膜透射率超过90%反射率低于0.04%在2 Pa压差作用下可承受300 µm 的挠曲变形极限拉伸强度超过2 GPa热发射率测量值为0.3。通过采用400 W EUV 功率离线测试20 W cm−2对20,000片晶圆进行耐久性测试验证了薄膜的优异性能。通过比较暴露于400 W EUV 功率前后获得的测量值评估了薄膜的透射率变化。随着集成电路IC芯片图案持续缩小极紫外光刻技术EUVL备受业界关注。采用13.5纳米波长的 EUVL 技术通讯作者所有通信请致函该作者是电子、汽车、军事及人工智能计算领域广泛应用的IC芯片制造关键技术。厚度约数十纳米的极紫外EUV光刻胶层如同光掩模的物理防护盾在 EUVL 工艺中有效防止外部污染如图1所示。这些光刻胶层对于制备尺寸小于5纳米的精细图案至关重要。在EUV过程中的EUV薄膜EUV 光刻胶覆盖在 EUV 光掩模reticle上可防止颗粒物接触并污染光掩模。此外光刻胶上的任何污染物都会使 EUV 光无法聚焦在晶圆上从而确保只有从光掩模反射且无缺陷的光线到达晶圆。这一机制显著提升了半导体制造工艺的良率和可靠性。在 EUVL 过程中光掩模reticle上的图案通过波长为13.5纳米的 EUV 光转移到晶圆上。鉴于 EUV 光在所有材料中具有高能量和吸收特性与KrF和ArF光刻技术中先前使用的光刻胶相比需要采用不同的材料和结构特性。为确保 EUVL 工艺中的高透射率 EUV 光刻胶薄膜的厚度必须限制在几十纳米范围内这使其变得极其脆弱。此外在高能 EUV 曝光下光刻胶表面温度可迅速升至数百摄氏度使得热稳定性成为关键因素。再者 EUV 扫描仪环境中存在氢自由基可能降解光刻胶并导致其破裂。因此必须满足机械完整性、热稳定性和化学耐久性等不可或缺的要求。硅、氮化硅、金属硅化物MeSix及碳基材料等各类材料因其在 EUV 薄膜中的潜在应用价值已被广泛研究。然而随着提升 EUVL 生产效率对更高 EUV 功率需求的增加硅及氮化硅薄膜的应用受限于其机械稳定性、热稳定性及化学稳定性不足的问题。碳基材料因其优异性能被视为 EUV 薄膜的理想候选材料但要在 EUV 光刻工艺中成功应用仍需解决氢自由基耐久性提升、碳纳米管孔隙率精准控制等关键挑战。相比之下MeSix材料展现出卓越的光学特性和热稳定性表明其在高功率 EUVL 环境中具有应用潜力。因此多种MeSix材料已成为当前研究热点。本研究采用MeSix材料制备了全尺寸自由支撑式 EUV 薄膜110毫米×144毫米并评估了其在高功率环境中的潜在应用价值。为同时提升机械强度与化学耐久性该薄膜采用三层结构设计实现了超过90%的 EUV 透射率和低于0.04%的反射率。在2帕的压差作用下薄膜的挠曲量测得为300 µm 。此外其极限拉伸强度UTS超过2 GPa热发射率为0.3。在400瓦 EUV 照射及氢自由基存在的条件下对薄膜进行了寿命评估结果表明该薄膜可承受多达20,000片晶圆的暴露。在此评估过程中 EUV 透射率意外下降了1.3%。材料和方法具体见该文章。图2. 样品制备工艺流程。(a) 晶圆清洗步骤(b) 气相沉积工艺三层结构沉积步骤(c) 雕刻掩模沉积工艺(d) 前表面PR涂层工艺与背面PR图案化工艺(e) 雕刻掩模蚀刻工艺(f) 晶圆切割工艺。图3.自由支撑式 EUV 薄膜制备工艺流程。(a)PR剥离工艺与样品清洗步骤(b)硅湿法刻蚀工艺(c)刻蚀掩模去除与清洗步骤。确定最佳湿法刻蚀条件对避免硅刻蚀过程中薄膜破裂至关重要。图4. 制备薄膜的结构示意图。(a) 用于评估的10 mm × 10 mm样品(b) 全尺寸薄膜尺寸为110 mm × 144 mm(c) 薄膜横截面的透射电子显微镜TEM图像。图(a)、(b)和(c)中的比例尺分别表示5 mm、20 mm和5 nm。图5. 全尺寸薄膜的光学性能。(a) 模拟结果与测量结果的对比(b) 测量获得的透射率分布图。图6. 用于评估热辐射发射率的热负荷测试仪。(a) 实验装置与仪器配置示意图(b) 808 nm光束分布图。比例尺为1 mm。图7. 膜层表面温度与热辐射发射率关系图。采用808 nm激光照射膜层虚线表示趋势线。图8. 机械性能评估。(a) 凸度测试仪装置(b) 10 mm × 10 mm薄膜评估左图为测量获得的压力-挠度数据右图为转换后的应力-应变曲线(c) 110 mm × 144 mm薄膜的压力-挠度数据。图8c图9. 氢自由基暴露下的耐久性评估。(a) 氢自由基评估实验装置示意图(b) 采用原子力显微镜AFM检测氢自由基处理前后的表面粗糙度变化(c) 氢自由基处理前后膜层横截面的透射电子显微镜TEM图像。比例尺为10 nm。图10. 衣膜寿命评估。(a) 衣膜在20 W·cm⁻² EUV 环境中的暴露过程直至破裂。(b) 经20 W·cm⁻² EUV 照射4小时后透射率的变化。结论随着客户对更高生产效率的需求增加 EUV 扫描仪的功率也有所提升这揭示了先前开发的SiN和Si薄膜在功率超过400 W时的局限性。本研究介绍了使用金属硅化物制备适用于400 W EUV 光刻的 EUV 薄膜。所制备的薄膜透射率超过90%且反射率满足0.04%的要求。此外其机械强度通过超过2 GPa的拉伸试验得到验证。对于全尺寸薄膜测得在∆2 Pa压力下的挠度小于300 µm 。最重要的是寿命评估表明该薄膜适用于400 W EUV 扫描仪并能承受相当于20,000片晶圆的曝光量。金属硅化物薄膜可通过微机电系统等传统技术制备为大规模生产带来显著优势。然而为适应400 W以上的输出功率必须开发有效耗散薄膜吸收 EUV 能量的方法。为解决这些问题研究人员正在探索多种研究途径包括调整金属硅化物中金属与硅的比例以增强热机械性能、控制薄膜沉积过程中的氧化反应以改善薄膜特性以及利用电阻测量法预测薄膜热性能从而简化评估流程。通过采用这些方法预计可克服上述挑战从而实现高达600 W的应用功率。目前我们正在评估金属硅化物薄膜在超过400 W应用中的潜力并已取得显著成果。相关研究结果预计将在近期发表。