極紫外光刻，常稱作EUVL，它以波長為10~14納米的極紫外光作為光源的光刻技術(shù)。具體為采用波長為13.4nm 的軟X射線。極紫外線就是指需要通過通電激發(fā)紫外線管的K極然后放射出紫外線。

20世紀(jì)80年代后期，日本和美國的研究人員首次提出了極紫外光刻概念，用波長10~30nm范圍內(nèi)的軟X射線作為投影光刻光源。

1997年美國主要半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商成立聯(lián)合機(jī)構(gòu)(Extreme Ultraviolet Limited Liability Company，EUV LLC)來促進(jìn)極紫外光刻各單元技術(shù)的研發(fā)和商業(yè)化進(jìn)程，日本也成立了類似的機(jī)構(gòu)(Semiconductor Leading Edge Technologies，Inc.Selete)。

2005年兩套全場α型投影光刻系統(tǒng)首次問世。2010~2012年期間六套用于生產(chǎn)預(yù)演的投影系統(tǒng)交付使用。

極紫外光刻不同于193nm的投影光刻系統(tǒng)，它采用了全新的制造流程，光源波長僅為13.5nm，由于物質(zhì)對此波長的光都存在一定的吸收，所以曝光過程必須在高真空環(huán)境下進(jìn)行，使用反射式掩模板替代傳統(tǒng)的透射式掩模板進(jìn)行光刻投影。

光源、掩模板、光刻材料是極紫外光刻技術(shù)三大組成部分，成為半導(dǎo)體行業(yè)每年一屆極紫外光刻國際會議討論的主要議題。近幾年來科研人員和產(chǎn)業(yè)專家依托日、美半導(dǎo)體廠家成立的聯(lián)合機(jī)構(gòu)對于極紫外光刻適用在線寬22nm光刻節(jié)點(diǎn)做了大量富有成效的研發(fā)工作，技術(shù)發(fā)展速度加快，但從規(guī)模生產(chǎn)的需求來看，還存在很大的差距，這也是極紫外光刻至今未能正式投產(chǎn)的主要原因之一。

極紫外光刻技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)有：

1、缺乏大功率的光源。目前光源功率水平大約為10W，而規(guī)模生產(chǎn)需要的功率水平大約為200W，如果應(yīng)用到16nm節(jié)點(diǎn)則需要更大功率的光源。大幅度提高光源功率水平無疑具有很大的難度，可行性不被看好，開發(fā)出高靈敏度的極紫外光刻材料可以降低對光源功率的較高要求。

2、目前極紫外光刻材料22nm線寬曝光靈敏度大約在10mJ/cm2左右，能夠基本滿足規(guī)模生產(chǎn)的要求，但線寬粗糙度(line-width roughness，LER)距要求較遠(yuǎn)(線寬22nm，3σ值要求達(dá)到2nm左右)，光刻材料需要同時(shí)提高曝光靈敏度、分辨率和LER三個(gè)互相制約的性能參數(shù)。

3、對于掩模板，制備出體缺陷數(shù)符合要求的掩模板，具備探測、表征、控制或修復(fù)幾個(gè)納米缺陷的技術(shù)手段成為亟待解決的問題。

極紫外光刻光源波長極短，單光子的能量為91.48ev，相同體積內(nèi)相同功率密度的極紫外和ArF相比，極紫外光子數(shù)要比ArF光子數(shù)少許多(少于后者的十分之一)，光子分布上，隨著線寬的減小和照度的減小，單位面積的光子數(shù)變得更加稀少，分布的不均性增加，從而使光子分布存在噪聲。

極紫外能夠使受輻照的物質(zhì)發(fā)生電離，不同元素原子對極紫外吸收截面不同。以通常使用的化學(xué)增強(qiáng)光刻材料(Chemically Amplified Resists，CAR)為例，對極紫外表現(xiàn)為非選擇性吸收，基質(zhì)材料對極紫外吸收貢獻(xiàn)最大，而在ArF系統(tǒng)中，基質(zhì)表現(xiàn)為透明，由光酸產(chǎn)生劑(photo acid generation，PAG)的官能團(tuán)直接吸收一定量的光產(chǎn)生曝光作用。

根據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)國際技術(shù)路線圖極紫外光刻材料量產(chǎn)達(dá)到的目標(biāo)如下：

1、低的輻照放氣量，僅對投影光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生微量的污染，并且污染能夠被完全去除。

2、高分辨率：線寬達(dá)到22nm及以下。

3、高曝光靈敏度：≤10mJ/cm2。

4、低的LER：≤1.5nm(3σ)。

光刻材料的三個(gè)性能參數(shù)Resolution、Sensitivity、LER(RSL)存在著平衡制約關(guān)系，可以用Z因子表示它們之間的關(guān)聯(lián)性，要提高光刻材料的性能必須同時(shí)提升三個(gè)性能參數(shù)RSL，也就是提升Z因子，Z因子可以用來表征光刻材料的綜合性能。

193nm光刻使用的是CAR光刻材料，它具有曝光靈敏度高的特點(diǎn)，非常適合曝光功率受光源能力限制的極紫外光刻，但它存在酸擴(kuò)散引起的曝光區(qū)與非曝光區(qū)邊界模糊效應(yīng)，分辨率和線寬粗糙度難以滿足要求，CAR用于極紫外光刻需要進(jìn)一步改良。

另一方面為了克服傳統(tǒng)光刻CAR材料固有的局限性，科研人員從基質(zhì)材料、PAG、曝光機(jī)理等方面入手，設(shè)計(jì)合成了各種新的光刻材料體系。研究領(lǐng)域可分為CAR和Non-CAR兩大體系，2009年CAR份額約占全部材料的89%。

1、聚對羥基苯乙烯及共聚物

聚對羥基苯乙烯(Poly 4-hydroxystyrene，PHS or PHOST)受極紫外輻照后，二次電子產(chǎn)率比其他聚合物都要高，含有多苯環(huán)結(jié)構(gòu)能夠保證它在圖形轉(zhuǎn)移過程中具有較高抗蝕性。所以PHS或者與其他單體形成的共聚物(Hybrid)成為極紫外光刻的主要研究材料。

光刻材料由基質(zhì)、帶有保護(hù)基團(tuán)的PHS Hybrid(PAG)、酸猝滅劑和溶劑組成。成膜后經(jīng)前烘去除溶劑。曝光時(shí)基質(zhì)材料吸收極紫外產(chǎn)生二次電子，二次電子能量衰減后形成的熱電子與PAG作用產(chǎn)生酸，酸在后烘階段擴(kuò)散至保護(hù)基團(tuán)處去除該基團(tuán)，從而使曝光區(qū)與非曝光區(qū)在堿性顯影劑如四甲基氫氧化銨水溶液作用下呈現(xiàn)較大的溶解度差別。

為了減小CAR中酸的擴(kuò)散效應(yīng)，提高分辨率和LER，2012年，JSR公司Ken等人合成出各種功能結(jié)構(gòu)的PAG，實(shí)驗(yàn)測量了不同極性、剛性PAG的擴(kuò)散能力，發(fā)現(xiàn)極性強(qiáng)、剛性大的PAG-3擴(kuò)散的相對長度最短。

加入不同性能PAG的光刻材料體系光刻后的結(jié)果表明院PAG擴(kuò)散的相對長度越短，圖形的分辨就越高，含PAG-3的ResistC可以獲得線寬24nm的清晰圖形。通過優(yōu)化光刻極紫外光刻工藝可以使圖形的分辨率達(dá)到1X nm。

2、聚合物-PAG一體化光刻材料

為了限制CAR中PAG的擴(kuò)散和提高PAG在基質(zhì)材料中分散的均勻性，來自Dow公司的James等人于2011年提出將PAG陰離子基團(tuán)用共價(jià)鍵方式結(jié)合到聚合物支鏈上形成聚合物-PAG一體化光刻材料。

與聚合物PAG混合材料相比，線寬30nm時(shí)，曝光靈敏度略有下降，為10mJ/cm2，而線寬粗糙度得到很大的改善，僅為后者的二分之一(3.1nm)，材料的分辨率可以達(dá)到22nm節(jié)點(diǎn)及以下，優(yōu)化材料和工藝參數(shù)后線寬22nm的曝光劑量為12mJ，線寬粗糙度為4.2nm。

3、分子玻璃

在傳統(tǒng)CAR光刻膠中，基質(zhì)材料為高分子，高分子分子量大，成膜后團(tuán)簇尺寸較大，聚合物長分子鏈間往往纏繞在一起，顯影后容易造成線寬粗糙度過大。

因此研究人員提出分子玻璃的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)帶有保護(hù)基團(tuán)小分子量有機(jī)材料，有機(jī)材料能夠用旋涂工藝制備均勻無序的非晶態(tài)薄膜，成膜后分子聚集態(tài)團(tuán)簇尺寸較小，同時(shí)薄膜要具有一定的熱穩(wěn)定性(Tg 150℃)。

2010年來自日本Selete的Hiroaki等人報(bào)道了多家公司提供的極紫外分子玻璃光刻膠產(chǎn)品性能。這些光刻材料分別為環(huán)形間苯二酚衍生物，Noria-AD水輪狀分子和富勒烯衍生物，環(huán)形間苯二酚衍生物在線寬尺寸45nm時(shí)，獲得了清晰地圖形，線寬粗糙度在5nm左右。

分子量大的Noria-AD水輪狀分子、富勒烯衍生物的分辨率較環(huán)形間苯二酚衍生物有所提高，在線寬28m時(shí)獲得清晰的圖形。上述分子玻璃材料在線寬較小時(shí)塌陷和變形嚴(yán)重，很難實(shí)現(xiàn)22nm線寬的分辨率。

4、光致自由基鏈?zhǔn)骄酆?/p>

2011年Masamitsu等人報(bào)道了一種Non-CAR負(fù)型極紫外光刻材料，乙炔基單體與硫醇類交聯(lián)劑之間通過光引發(fā)的自由基發(fā)生聚合反應(yīng)，在相同曝光劑量下，45nm厚薄膜光刻圖形的清晰度優(yōu)于60nm厚薄膜。薄膜曝光放置3天后顯影，由于發(fā)生自由基的從曝光區(qū)往非曝光區(qū)遷移，分辨率和圖形質(zhì)量大大下降。

5、光致分解

2011年Jun等人報(bào)道了可主鏈降解的星形聚合物用于極紫外光刻。星形聚合物的中心在酸催化加熱條件下先分解成小的分子，小分子上的保護(hù)基團(tuán)再被去除，設(shè)計(jì)制備了PHS，PHOMS可降解的星形聚合物和PHS不可降解的星形聚合物。

與PHS，PHOMS線性聚合物材料一起進(jìn)行了極紫外光刻性能表征，結(jié)果表明不可降解的PHS星形聚合物分辨率最差，線寬30nm時(shí)，線條間不能完全分離?？山到獾男切位蚓€性聚合物在線寬30nm時(shí)獲得清晰的圖形，它們曝光靈敏度相當(dāng)，但在線寬粗糙度上可降解的星形聚合物明顯優(yōu)于線性聚合物。

6、有機(jī)-無機(jī)納米復(fù)合材料

2011~2012年美國Connell大學(xué)Markos等人先后報(bào)道了以過渡金屬鉿或鋯的氧化物為核心，甲基丙烯酸為殼層的HfMAA，ZrMAA納米粒子為極紫外光刻材料，納米粒子直徑2~3nm，體系中加入光自由基引發(fā)劑或者PAG，曝光后使用不同的顯影劑進(jìn)行顯影，結(jié)果呈負(fù)性或正性光刻。

上述材料具有較突出的曝光靈敏度，HfO2材料分辨率為31nm，曝光功率密度為7mJ/cm2，ZrO2材料分辨率和靈敏度都優(yōu)于HfO2，分別為26nm，4mJ/cm2。該種材料在圖形轉(zhuǎn)移時(shí)呈現(xiàn)良好的抗蝕性能，HfMAA薄膜經(jīng)氧氣氛等離子處理，用SF6/O2刻蝕，腐蝕速率為PHOST的1/25。

2012年Brian等人研究不同類型官能團(tuán)的有機(jī)包裹劑對形成有機(jī)-無機(jī)納米復(fù)合材料穩(wěn)定性的影響，改善了此種材料的穩(wěn)定性和其他性質(zhì)。

7、過渡金屬非晶態(tài)氧化物

2011年美國Inpria公司開發(fā)出一種過渡金屬鉿非晶態(tài)過氧化物用于極紫外光刻，用Sol-Gel方法制備鉿過氧化物水溶液，用標(biāo)準(zhǔn)的旋涂工藝可制備出高表面質(zhì)量的薄膜(薄膜的表面粗糙度RMS:0.2nm)。

此種材料與PHS相比具有較大的密度和極紫外吸收截面。薄膜經(jīng)極紫外曝光后，產(chǎn)生交聯(lián)效應(yīng)，曝光區(qū)和非曝光區(qū)在堿性顯影劑如TMAH中發(fā)生選擇性溶解，呈現(xiàn)負(fù)性光刻。最小分辨率達(dá)到線寬11nm，線寬為22nm時(shí)，線寬粗糙度達(dá)到3nm。在曝光過程中放氣量小，主要為O2和H2O，對光學(xué)元件不產(chǎn)生污染。

材料本身在圖形轉(zhuǎn)移時(shí)具備優(yōu)良的抗蝕性能。但是該材料的曝光所需的能量密度較大，為80mJ/cm2(線寬22nm)，經(jīng)過成分和合成方法上的改進(jìn)，使曝光所需的能量密度降低到25mJ/cm2。