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EUV光刻，卡在了光刻膠上

半導體光刻膠阿斯麥爾

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本文由半導體產業縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自eetimes
EUV光刻膠大批量生產尚未完成 。

由比利時研究機構imec主辦的ITF日本2025論壇于11月10日在東京君悅酒店舉行 。 在上午11點開始的新聞發布會上宣布 ， 現任首席執行官盧克·范登霍夫將于2026年4月1日成為董事長 ， 帕特里克·范德納米爾已被任命為他的繼任者 。
范登霍夫自imec創立之初便給予支持 ， 自2009年擔任首席執行官以來 ， 他為imec如今的地位做出了卓越貢獻 ， 如今imec被譽為“引領全球先進半導體發展路線圖” 。 自2025年4月起 ， 他將擔任董事長 ， 負責監督imec的政治、外交和技術戰略 ， 并致力于支持imec的未來愿景和國際影響力 。
相比之下 ， 新任首席執行官范德納米爾(Vandenameele)擁有多年經驗 ， 曾擔任imec執行副總裁(EVP) ， 全面負責研發工作 。 展望未來 ， 他有望延續范登霍夫(Van den Hove)的愿景 ， 成為一位“擁有深厚技術背景的首席執行官” ， 并進一步鞏固先進工藝研究的實際應用和國際合作體系 。
三井化學代表董事、高級常務執行董事兼ICT解決方案事業部總經理平原昭夫作了題為“化學與合作：促進未來半導體生態系統”的報告 。
平原昭夫提到光罩是極紫外（EUV）曝光技術（一種尖端曝光技術）面臨的主要挑戰之一 。 ASML在過去十年中已交付超過300臺EUV曝光設備 。 然而 ， EUV光刻膠仍存在諸多技術難題 ， 目前尚未開發出符合大規模生產應用規格的光刻膠 。 因此 ， 許多半導體制造商仍在不使用光刻膠的情況下進行EUV曝光 。

半導體制造商擁有的 EUV 設備累計數量及全球總量 。 來源：美國銀行全球研究部估算（2021-2025 年）和作者估算（2016-2020 年）
本文首先闡述極紫外光刻膠膜的作用及其目前亟待解決的問題 。 其次 ， 將介紹三井化學公司正在開發的碳納米管（CNT）光刻膠膜 ， 這種光刻膠膜作為一種極具潛力的候選材料 ， 目前正受到廣泛關注 。 最后 ， 將探討極紫外光刻膠膜的未來發展前景 。
首先得出結論 ， 13.5 nm EUV光透過率與碳納米管薄膜的耐久性（壽命）之間存在權衡 ， 因此很難找到最佳解決方案 。 所以 ， 使用EUV技術的尖端半導體制造商預計將繼續被迫在是否采用碳納米管薄膜方面做出艱難的抉擇
EUV薄膜的作用EUV光刻膠的作用將通過下圖來解釋 。 光刻膠是一種薄的保護膜 ， 安裝它是為了防止異物粘附在光刻膠表面 。

EUV 薄膜和動態氣鎖 (DGL) 的作用[點擊放大
來源：Mark van de Kerkhof 等人 (ASML) ， “支持 >400W 源功率的高透射 EUV 薄膜” ， SPIE 會議論文集第 12051 卷 120510B-1 ， 作者補充 。
如果顆粒粘附在光罩本身上 ， 其陰影會在曝光過程中投射到晶圓上的光刻膠上 ， 從而造成缺陷 。 但是 ， 如果顆粒粘附在覆蓋在光罩上的保護膜上 ， 則顆粒會處于失焦狀態 ， 不會在晶圓上造成缺陷 。 換句話說 ， 保護膜的主要作用是保護光罩免受顆粒的侵害 。
EUV光刻膠的工作條件與波長為248納米的KrF曝光設備和波長為193納米的ArF曝光設備中使用的傳統透射光刻膠完全不同 。 KrF和ArF曝光設備使用透射式光刻掩模和透鏡 ， 因此只有當這些波長的光穿過光刻膠時 ， 光刻膠才能發揮作用 。
另一方面 ， 在極紫外（EUV）曝光中 ， 波長為13.5納米的光經多層反射鏡多次反射和聚焦后照射到光罩上 ， 然后反射光被引導到晶圓上的光刻膠層 。 因此 ， 極紫外光在往返過程中會兩次穿過光罩 。
另一個問題是 ， EUV光源不僅發射13.5 nm波長的光 ， 還發射其他光 ， 例如深紫外（DUV） 。 如果深紫外光照射到光刻膠上 ， 會對圖案形成產生嚴重影響 。 因此 ， 必須在晶圓前放置一層稱為動態氣鎖（DGL）的薄膜來阻擋深紫外光 。
如果薄膜或DGL薄膜的透射率較低 ， 則光刻膠上的輻照強度會降低 ， 從而導致分辨率降低和吞吐量降低 。
那么 ， 目前極紫外光刻膠的透射率是多少？
EUV薄膜路線圖下圖展示了 ASML 的 EUV 光刻膠薄膜路線圖 。 大約在 2018 年 ， ASML 開發了一種具有多晶硅 (p-Si) 芯的光刻膠薄膜 。 當光僅穿過薄膜一次時（單次穿過薄膜的 EUV 透射率） ， 其透射率為 82%；但當光穿過薄膜三次時 ， 總 EUV 透射率降至 57% 。 換句話說 ， 由于光刻膠薄膜和 DGL 的存在 ， 到達光刻膠的 EUV 光量減少了約一半 。

ASML 的 EUV 薄膜路線圖 。 來源：Anthony Yen（ASML） ， “EUV 光刻概述和展望” ， 下一代光刻研討會幻燈片（2024 年 7 月 4 日）
到2024年 ， EUV光的單次透射率將達到90% ， 三次透射率將提高到73% 。 圖中這種薄膜材料被標記為“Composite+” ， 很可能使用了碳納米管 。
然而 ， 在碳納米管薄膜能夠用于大規模生產之前 ， 還有一些重大問題需要解決 。
碳納米管薄膜出現哪些問題？此圖發表于 imec 在 2017 年 SPIE 國際光刻會議上發表的論文集 。

碳納米管 (CNT) 薄膜的問題 。 來源：Ivan Pollentier 等人 (imec) ， “EUV 薄膜的新型膜解決方案：更好還是更差——” ， SPIE 會議論文集第 10143 卷 101430L-2 頁 ， 作者補充
首先 ， 由于波長為13.5 nm的極紫外光會被空氣中的氧氣吸收 ， 因此極紫外曝光設備內部是真空環境 。 此外 ， 為了防止極紫外光源產生的碳基污染物降低鏡面的反射率 ， 曝光設備中引入了氫氣 。 這是因為極紫外光照射產生的氫自由基可以通過化學反應去除附著在鏡面上的碳 。
然而 ， 這些氫自由基也會“攻擊”碳納米管薄膜 。 如圖所示 ， 構成碳納米管的碳纖維會逐漸被氫自由基蝕刻 。 結果 ， 經過約50小時的極紫外光照射后 ， 碳納米管網絡結構顯著破壞 ， 使其變得多孔 。 在這種狀態下 ， 它不再能起到薄膜的作用 。
因此 ， 為了防止氫自由基造成的劣化 ， 研究人員設計了一種在碳納米管表面涂覆一層薄金屬膜的方法 。 展示了該方法的一個實例 ， 實驗證實 ， 即使經過500小時的氫自由基測試 ， 涂覆金屬膜的碳納米管薄膜也幾乎沒有受到損傷 。
然而 ， 這種金屬涂層存在一個嚴重的缺陷 。 未涂覆金屬涂層時 ， 極紫外光透過率為96% ， 涂覆后降至90% 。 此外 ， 經過500小時的氫自由基測試后 ， 由于碳的再沉積等原因 ， 碳納米管纖維似乎增厚了 。 因此 ， 碳納米管薄膜的透過率很可能進一步低于90% 。
因此 ， 碳納米管薄膜存在一個根本性的難題：雖然為了保持較高的極紫外透射率 ， 最好避免金屬涂層 ， 但碳納米管在暴露于氫自由基環境中時會迅速磨損 ， 而施加金屬涂層以防止氫自由基的侵蝕會導致透射率顯著降低 。
簡而言之 ， 碳納米管薄膜的透光率和壽命之間存在權衡關系 。 因此 ， 為了將碳納米管薄膜應用于極紫外曝光設備 ， 解決這一權衡關系的新材料工程研究至關重要 。 然而 ， 這是一個非常棘手的問題 。
三井化學公司發布的公告中提到了碳納米管薄膜三井化學宣布他們已經研發碳納米管薄膜長達 15 年 。 15 年前是 2010 年 ， 當時極紫外光刻設備尚未上市 。 令人驚訝的是 ， 他們竟然在那時就開始研發碳納米管薄膜 。

圖 6：三井化學已對碳納米管 (CNT) 薄膜進行了 15 年的研究[點擊放大
來源：平原昭夫（三井化學） ， “化學與合作：驅動未來半導體生態系統”（2025 年日本國際半導體技術論壇）演講幻燈片
回顧歷史 ， 三井化學于2019年5月與ASM公司簽署了EUV光刻膠業務的許可協議 ， 獲得了生產和銷售權 。 隨后 ， 該公司于2021年5月26日正式宣布開始商業化生產EUV光刻膠 。 首批產品為多晶硅芯結構的光刻膠 。
然而 ， 隨著市場對更高透光率的需求 ， 三井化學決定從多晶硅芯材轉向碳納米管材料 。 根據該公司所示的路線圖（盡管細節尚未公布） ， 預計該公司將于2025年左右開始全面開發和生產碳納米管薄膜 。
下圖總結了新發布的碳納米管薄膜的性能 。 單次極紫外光照射的透射率為 94% ， 三次照射的透射率約為 83% 。 該薄膜的使用壽命為 5000 至 10000 張 ， 且不含任何大于 20 μm 的異物 。

三井化學的 EUV 光刻膠路線圖 。 來源：平原昭夫（三井化學） ， “化學與合作：驅動未來半導體生態系統”（ITF Japan 2025）演講幻燈片

三井化學碳納米管 (CNT) 薄膜的性能 。 來源：平原昭夫（三井化學） ， “化學與合作：驅動未來半導體生態系統”（ITF Japan 2025）演講幻燈片
根據94%的極紫外光透過率和僅5000至10000張的使用壽命判斷 ， 這些碳納米管很可能沒有金屬包覆 。 然而 ， 尖端半導體制造商通常要求使用壽命達到30000張或更長 。 因此 ， 未來最大的挑戰很可能是如何在不犧牲透過率的前提下提高使用壽命 。
此外 ， 三井化學還展示了ASML的EUV路線圖 。 下圖中 ， 計劃于2027年左右發布的“NXE:3800F”以黃色方框突出顯示 。 由此可以推斷 ， 三井化學計劃將目前正在研發的碳納米管薄膜集成到NXE:3800F中 。

計劃在 2027 年發布時為 NXE:3800F 配備碳納米管薄膜 。 來源：平原昭夫（三井化學） ， “化學與合作：驅動未來半導體生態系統”（2025 年日本國際半導體技術博覽會）演講幻燈片
EUV光刻膠的展望自 ASML 于 2016 年首次發布其 EUV 曝光工具以來 ， 已經過去了十年 。 在過去的十年里 ， 該公司已出貨 300 多臺設備 ， 可以說 EUV 不再僅僅是一種“未來技術” ， 而已成為半導體制造領域的主要參與者 。
臺積電對EUV光刻技術的廣泛應用便是最好的例證 。 2019年 ， EUV光刻技術首次應用于7nm+工藝的量產 ， 當時僅應用于約五層半導體 。 然而 ， 僅僅幾年后 ， 在3nm工藝時代 ， 這一數字便大幅增長至20層以上 。 EUV光刻技術已成為決定尖端半導體良率和性能的關鍵因素 。
然而 ， 雖然 EUV 技術越來越普及 ， 但仍有一些問題不容忽視 。
——EUV光刻膠大批量生產尚未完成 。
目前市面上還沒有符合尖端半導體制造商標準的光刻膠薄膜 。 因此 ， 一些半導體制造商可能在沒有光刻膠薄膜的情況下進行極紫外光刻曝光 ， 并反復清洗光刻膠 。 在如今尖端邏輯電路需要20層極紫外光刻技術的時代 ， 這種做法極其不合理 。 光刻膠污染會直接影響良率 ， 而反復清洗則會降低生產效率 。
那么 ， EUV光刻膠的研發競賽進展如何呢？目前的主要參與者 ， 除了三井化學之外 ， 還包括芬蘭的Canatu、韓國的FST、韓國的S&STech、日本的Lintec和日本的NGK Insulators ， 它們都在繼續尋找下一代光刻膠的解決方案 。
然而 ， 目前尚無法預測哪家機構最終能夠研發出可供量產的極紫外光刻薄膜 。 換句話說 ， 每家公司都仍有機會 。 隨著極紫外光刻需求的爆炸式增長 ， 主導這一市場的影響將是不可估量的 。
在人工智能半導體時代 ， 極紫外光刻薄膜或許是“最后一塊未開發的領域” 。 未來 ， 各組織將運用哪些技術才能脫穎而出？我們將繼續密切關注這些發展動態 。
*聲明：本文系原作者創作 。 文章內容系其個人觀點 ， 我方轉載僅為分享與討論 ， 不代表我方贊成或認同 ， 如有異議 ， 請聯系后臺 。
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