通過在光刻圖案的分辨率上提供階躍函數(shù)增加的保真度，EUV光刻從根本上推動了半導(dǎo)體行業(yè)向前發(fā)展。然而，分辨率的提高并不是免費的。許多伴隨的進步也不得不帶來多個方面的變化，進而導(dǎo)致EUV 成本的提升。這些變化包括掩模生產(chǎn)、薄膜、沉積、蝕刻、硬掩模和光刻膠。雖然 EUV本身由 ASML 主導(dǎo)，但這種轉(zhuǎn)變已經(jīng)在制造過程中的相鄰步驟（尤其是光刻膠行業(yè)）引發(fā)了一場價值數(shù)十億美元的高風(fēng)險戰(zhàn)斗。
日本長期以來一直在該領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，東京電子擁有 EUV 光刻膠涂布機和顯影劑（photoresist coaters 和developers） 100% 的份額。由于他們在這個領(lǐng)域的壟斷地位，這讓他們在該市場以及蝕刻和清潔方面相關(guān)領(lǐng)域取得的年收入高達50億美元！此外，其他日本公司早已以約 75% 的市場份額壟斷了光刻膠市場。JSR 和 Tokyo Ohka Kogyo就是其中的領(lǐng)先者。他們提供了絕大多數(shù)專門用于 EUV 的化學(xué)放大（chemically amplified photoresist ）光刻膠。然而，這些市場正受到 Lam Research 的沖擊。
在深入探討即將到來的光刻膠戰(zhàn)爭的細節(jié)之前，讓我們簡單概述一下光刻圖案化過程。這一切都從清潔晶圓開始，這個步驟是為了確保晶圓上沒有異物，如微小的灰塵分子或先前工藝中的殘留化學(xué)品。
在更高級的節(jié)點中，在光刻工藝之前，會有一些底層、中間層和硬掩模沉積在晶圓上。完成此沉積是為了更準確地控制最終蝕刻，這是另一個話題。
最簡單的光刻形式將稱為使用濕光刻膠（wet photoresist）的單一圖案化。清洗后的晶圓被放入東京電子涂布機和顯影劑中。該工具在硅片頂部沉積化學(xué)放大抗蝕劑 （CAR）。CAR 懸浮在液體溶液中，硅片以極快的速度旋轉(zhuǎn)以涂覆硅片。旋轉(zhuǎn)過程還通過離心力去除大部分液體，并留下一層薄薄的光刻膠。還進行了稱為預(yù)烘烤的過程，以烤干最后一點液體，并在某些情況下以化學(xué)方式為即將進行的反應(yīng)準備光刻膠。
隨后，硅片進入 ASML的光刻工具，然后通過掩模將光線照射到光刻膠上，并在那里引起化學(xué)反應(yīng)。之后，晶圓被送回到東京電子涂布機/顯影工具清洗，使用顯影劑洗掉光刻膠。如果這種光刻膠是正性的，那么曝光的光刻膠會發(fā)生反應(yīng)并變成溶劑，這樣它就可以被洗掉。如果是負的，曝光的光刻膠反應(yīng)不再是溶劑，未曝光的光刻膠被洗掉。這僅適用于光刻工藝，除此之外還存在其他相關(guān)工藝，例如多圖案技術(shù)、蝕刻和間隔物，但讓我們今天關(guān)注光刻工藝。
上面概述的光刻膠工藝已經(jīng)出色地工作了幾十年，但它開始遇到重大問題。這與線邊緣粗糙度、靈敏度、分辨率和吞吐量有關(guān)。EUV 光刻使用相對于 DUV 而言極短波長的光來轟擊晶圓。較短波長的極紫外光的生成難度要大得多。
EUV 存在吞吐量問題。這個問題主要圍繞一個事實，即相對于DUV，EUV光刻機只有1/14劑量的光子打在晶圓上。因此，必須增加 EUV 中的劑量，這反過來又通過增加曝光時間來降低吞吐量。產(chǎn)能問題導(dǎo)致晶圓產(chǎn)量受到嚴重限制，成本增加。為了最大化吞吐量，劑量被最小化，這會導(dǎo)致與特征保真度相關(guān)的各種問題。
一種解決方案是使用更多的機器并從光源上入手，然而EUV光刻機機器極其昂貴，每臺約 1.5 億美元，而且ASML 的產(chǎn)量非常有限。至于增加光源功率，也相當非常困難，ASML 的功率增加路線圖遠不及 EUV 層在新節(jié)點上增加的速度。
除了更少的光子暴露在光刻膠上之外，EUV 光刻膠也吸收更少的光子。這主要因為光刻膠溶液是光酸產(chǎn)生劑、粘合促進劑和穩(wěn)定劑的極其精確的混合物。那就意味著如果在過程中出現(xiàn)差錯，會是一個代價高昂的錯誤。2019 年，臺積電的 Fab 14B 光刻膠出現(xiàn)問題，最終給他們帶來高達5.5 億美元的損失。使用 EUV 光刻膠，這種平衡行為更加難以控制，因為特定的混合物會導(dǎo)致吸收更少。對 EUV 的需求以及 1-2 次更少光子和更少吸收的需求相結(jié)合，為經(jīng)典光刻膠行業(yè)提供了一個成熟的機會。這就吸引廠商進入干燥抗蝕劑（dry resist）市場。
Lam Research 正試圖成為當中的攪局者。他們將使用化學(xué)氣相沉積工藝在金屬光刻膠上分層，而不是使用旋涂機的濕式光刻膠（wet photoresist ）技術(shù)。Lam Research聲稱干式光刻膠技術(shù)（dryresist ）與濕式光刻膠相比具有多項優(yōu)勢。由于是一種密集沉積的金屬（metal），它不會與許多其他化學(xué)物質(zhì)混合。這允許金屬光刻膠僅作為吸收劑。回到吞吐量，這意味著每個晶圓通過和功率降低了 2 倍。每臺 EUV 工具吞吐量幾乎翻倍，這將大大降低成本。
靈敏度并不是唯一的優(yōu)勢。Lam 的干式光刻膠也是采用干法開發(fā)的。在濕顯影中，光刻膠用水或酸洗滌。當光刻膠由于毛細作用力溶解掉時，圖案化的線條和其他特征可能會坍塌。隨著最小金屬間距 （MMP） 超過 28 納米，這越來越成為一個問題。臺積電的 N5 和 N4 工藝節(jié)點的 MMP 分別為 30nm 和 28nm，因此當前的出貨節(jié)點正好處于邊緣。
然而，東京電子仍有創(chuàng)新在進行中。雖然他們同意現(xiàn)有的開發(fā)沖洗工藝確實會導(dǎo)致超過 28nm 間距（14nm 臨界尺寸）的生產(chǎn)線塌陷，但他們發(fā)現(xiàn)了一種新的溶劑沖洗工藝，可以將其擴展到 ~24nm（12nm 臨界尺寸）。這將允許將濕抗蝕劑方法縮放到 24 納米。
但并不是濕抗蝕劑的所有問題都解決了，因為我們還是很難洗掉所有的光刻膠。如果所有的光刻膠沒有被洗掉，以后的步驟就會有問題。殘留的光刻膠在蝕刻時會導(dǎo)致孔洞，最終相互“親吻”。殘留物也可能導(dǎo)致這些孔完全丟失。
東京電子目前對此的解決方案是簡單地蝕刻殘留的光刻膠。雖然這是一個簡單的解決方案，但可能會出現(xiàn)復(fù)雜情況，因為它會導(dǎo)致孔變大或傾斜。斜面效果不一定是負面的，但也不是在所有用例中都是最佳的。
Lam Research 聲稱他們的工藝可以實現(xiàn) 5nm 節(jié)點上使用的現(xiàn)有 32nm 間距，與現(xiàn)有的濕式光刻膠工藝相比，其方案具有更低的可變性和更好的寬容度。我們無法與 Lam Research 分享的硬性數(shù)字進行爭論。當晶圓廠追求特征尺寸、性能和功耗時，干法工藝總體上更好。由于顯示了當前部署的工具和流程與即將推出的工具和流程，因此 Lam Research 進行的比較可能被認為是不誠實的。
與此同時，東京電子正在盡最大努力延長現(xiàn)有產(chǎn)品的壽命。他們的Clean Track Lithius Pro Z 與每臺 ASML EUV 機器一起使用。事實證明，它對于最初的 EUV 節(jié)點是可靠且高效的，但隨著行業(yè)超越單一圖案化 EUV，化學(xué)放大抗蝕劑 （CAR） 顯然已達到極限。在其他條件相同的情況下，干式抗蝕劑將在前沿和最小特征尺寸方面獲勝。
Lam Research 最初的目標是在 5nm IMEC 節(jié)點（代工廠為 3nm）上使用。他們與 IMEC 和ASML 合作進一步開發(fā)這項技術(shù)。Lam 還與三星、英特爾、臺積電和 SKHynix 合作，將該技術(shù)用于邏輯節(jié)點和 DRAM 節(jié)點的商業(yè)化。這顯然很有希望。
面對洶涌襲來的新挑戰(zhàn)者，東京電子和光刻膠老牌企業(yè)并沒有坐以待斃， Inpria就是其中的代表。他們開發(fā)了一種新型光刻膠，金屬氧化物抗蝕劑 （MOR）。
Inpria 于 2007 年誕生于俄勒岡州立大學(xué)研究中心。此后，Inpria 獲得了來自三星、英特爾、應(yīng)用材料、臺積電、SKHynix、JSR 和 TOK 的大量投資。
Inpria 的投資者是該行業(yè)的巨頭。它包括與 Lam Research 合作將干式抗蝕劑商業(yè)化的所有 4 家公司。該名單還包括前面提到的 CAR 光刻膠的領(lǐng)導(dǎo)者JSR 和TOK 。JSR 在 2017 年和 2020 年參與了 Inpria 的幾輪融資，最近他們硬著頭皮以 5.14 億美元直接收購了該公司——對該公司的估值為 7.42 億美元。對于一家以預(yù)收入為基礎(chǔ)開發(fā)化學(xué)品的工業(yè)公司來說，這是一個令人印象深刻的估值。
很明顯，該公司擁有價值不菲的知識產(chǎn)權(quán)。JSR 管理往往非常保守，因此它充分說明了正在發(fā)生的中斷。光刻膠行業(yè)與 TokyoElectron 合作了數(shù)十年，而 JSR/Inpria 正在繼續(xù)這種緊密結(jié)合的伙伴關(guān)系。他們正在共同開發(fā)光刻膠、工藝和涂布機/顯影劑，以為下一個即將實現(xiàn)商業(yè)化工藝節(jié)點做好準備。
MOR 仍然使用與當前光刻工藝類似的步驟。通過懸浮在溶液中，將其旋涂到硅片上。他們可以通過升級，從而可以在相同的Tokyo Electron Clean Track Lithius Pro Z上使用。這種升級不是資本密集型的，且可以使用 CAR 或 MOR 光刻膠。
MOR 仍然是濕的，這意味著某些問題仍將存在，即沉積的選擇性。晶圓上光刻膠的潛在不均勻沉積會導(dǎo)致曝光和烘烤工藝步驟出現(xiàn)問題。
Lam Research 干式抗蝕劑技術(shù)的最大優(yōu)勢之一是使用化學(xué)氣相沉積 （CVD） 工藝來沉積光刻膠，從而可以更精細地控制光刻膠的可變性和厚度。
眾所周知，獲得合適的厚度對于光刻膠來說非常重要。如果有極薄的層，則光刻工具具有更高的性能和吞吐量，因為需要曝光的光刻膠更少。另一方面，蝕刻時會損壞薄抗蝕劑膜（負光致抗蝕劑）。厚的光刻膠層不僅會導(dǎo)致較低的吞吐量，還會導(dǎo)致圖案塌陷和顯影后殘留的光刻膠留在孔中。
TokyoElectron 和 JSR 聲稱他們有一種新的金屬氧化物抗蝕劑曝光后烘烤工藝，這將有助于提高光刻膠的靈敏度。這意味著晶圓廠可以顯著降低 EUV 機器所需的劑量，從而提高產(chǎn)量。
TokyoElectron 聲稱用量減少了 38%，而 Lam Research 聲稱干式抗蝕劑用量減少了 50%。Tokyo Electron 還聲稱新的曝光后烘烤可實現(xiàn)極其均勻的抗蝕劑厚度和低金屬污染。如果這些說法成立，那么這可以延長濕光刻膠的使用壽命。
同樣，Tokyo Electron 和 JSR 擁有新的濕法開發(fā)工藝，可以抵抗支柱倒塌（pillar collapse ）問題。36nm 支柱經(jīng)常崩塌，這是 DRAM 中電容器縮放的最大挑戰(zhàn)之一。新的顯影工藝也適用于較低的 EUV 劑量，并減少了最終特征的厚度變化。
通過 MOR，Tokyo Electron 正在努力優(yōu)化從涂層、烘烤、開發(fā)，并一直到蝕刻的整個工藝流程。他們聲稱他們已經(jīng)實現(xiàn)了每平方厘米 0.1 個缺陷的缺陷密度。這聽起來很棒，但這種缺陷密度意味著每 300 毫米晶圓有 70.6 個缺陷。光刻工藝在前沿晶圓上進行了 70 多次，而 N3 工藝將對每個晶圓進行 20 多次EUV 浸漬。那就意味著這些缺陷確實開始堆積并破壞產(chǎn)量。MOR 仍有一些障礙需要克服。
優(yōu)化流程的想法并不是一個全新的想法。工藝模塊優(yōu)化是應(yīng)用材料公司在其整個互連工藝流程和工具產(chǎn)品中已經(jīng)做了很長時間的事情。由于東京電子在光刻膠涂布機/顯影劑中的主導(dǎo)地位，它使東京電子在蝕刻和清潔領(lǐng)域獲得了份額。Lam Research 同樣希望通過提供從硬掩模到光刻膠沉積和開發(fā)一直到蝕刻的技術(shù)來滲透光刻市場。多步驟工藝優(yōu)化允許最終用戶芯片和工藝中的線邊緣粗糙度更小、更均勻、缺陷更少以及更高的可靠性。
干法工藝顯著降低了化學(xué)品的使用。這尤其適用于旋轉(zhuǎn)抗蝕劑和顯影。光刻膠不需要懸浮在溶液中進行沉積，也不會像濕法工藝那樣產(chǎn)生廢料。顯影過程不需要用大量酸或超純水沖洗硅片以溶解硅片上的光刻膠。這反過來又將所需的電量減半。
EUV光刻膠爭奪，未來的輸贏還有待觀察，因為兩種路線都都有好處，但毫無疑問，一場新的戰(zhàn)斗已經(jīng)打響。