EUV光刻，卡在了光刻胶上

由比利时研究机构imec主办的ITF日本2025论坛于11月10日在东京君悦酒店举行。在上午11点开始的新闻发布会上宣布，现任首席执行官卢克·范登霍夫将于2026年4月1日成为董事长，帕特里克·范德纳米尔已被任命为他的继任者。

范登霍夫自imec创立之初便给予支持，自2009年担任首席执行官以来，他为imec如今的地位做出了卓越贡献，如今imec被誉为“引领全球先进半导体发展路线图”。自2025年4月起，他将担任董事长，负责监督imec的政治、外交和技术战略，并致力于支持imec的未来愿景和国际影响力。

相比之下，新任首席执行官范德纳米尔(Vandenameele)拥有多年经验，曾担任imec执行副总裁(EVP)，全面负责研发工作。展望未来，他有望延续范登霍夫(Van den Hove)的愿景，成为一位“拥有深厚技术背景的首席执行官”，并进一步巩固先进工艺研究的实际应用和国际合作体系。

三井化学代表董事、高级常务执行董事兼ICT解决方案事业部总经理平原昭夫作了题为“化学与合作：促进未来半导体生态系统”的报告。

平原昭夫提到光罩是极紫外（EUV）曝光技术（一种尖端曝光技术）面临的主要挑战之一。ASML在过去十年中已交付超过300台EUV曝光设备。然而，EUV光刻胶仍存在诸多技术难题，目前尚未开发出符合大规模生产应用规格的光刻胶。因此，许多半导体制造商仍在不使用光刻胶的情况下进行EUV曝光。

半导体制造商拥有的 EUV 设备累计数量及全球总量。来源：美国银行全球研究部估算（2021-2025 年）和作者估算（2016-2020 年）

本文首先阐述极紫外光刻胶膜的作用及其目前亟待解决的问题。其次，将介绍三井化学公司正在开发的碳纳米管（CNT）光刻胶膜，这种光刻胶膜作为一种极具潜力的候选材料，目前正受到广泛关注。最后，将探讨极紫外光刻胶膜的未来发展前景。

首先得出结论，13.5 nm EUV光透过率与碳纳米管薄膜的耐久性（寿命）之间存在权衡，因此很难找到最佳解决方案。所以，使用EUV技术的尖端半导体制造商预计将继续被迫在是否采用碳纳米管薄膜方面做出艰难的抉择。

EUV薄膜的作用

EUV光刻胶的作用将通过下图来解释。光刻胶是一种薄的保护膜，安装它是为了防止异物粘附在光刻胶表面。

EUV 薄膜和动态气锁 (DGL) 的作用[点击放大] 来源：Mark van de Kerkhof 等人 (ASML)，“支持 >400W 源功率的高透射 EUV 薄膜”，SPIE 会议论文集第 12051 卷 120510B-1，作者补充。

如果颗粒粘附在光罩本身上，其阴影会在曝光过程中投射到晶圆上的光刻胶上，从而造成缺陷。但是，如果颗粒粘附在覆盖在光罩上的保护膜上，则颗粒会处于失焦状态，不会在晶圆上造成缺陷。换句话说，保护膜的主要作用是保护光罩免受颗粒的侵害。

EUV光刻胶的工作条件与波长为248纳米的KrF曝光设备和波长为193纳米的ArF曝光设备中使用的传统透射光刻胶完全不同。KrF和ArF曝光设备使用透射式光刻掩模和透镜，因此只有当这些波长的光穿过光刻胶时，光刻胶才能发挥作用。

另一方面，在极紫外（EUV）曝光中，波长为13.5纳米的光经多层反射镜多次反射和聚焦后照射到光罩上，然后反射光被引导到晶圆上的光刻胶层。因此，极紫外光在往返过程中会两次穿过光罩。

另一个问题是，EUV光源不仅发射13.5 nm波长的光，还发射其他光，例如深紫外（DUV）。如果深紫外光照射到光刻胶上，会对图案形成产生严重影响。因此，必须在晶圆前放置一层称为动态气锁（DGL）的薄膜来阻挡深紫外光。

如果薄膜或DGL薄膜的透射率较低，则光刻胶上的辐照强度会降低，从而导致分辨率降低和吞吐量降低。

那么，目前极紫外光刻胶的透射率是多少？

EUV薄膜路线图

下图展示了 ASML 的 EUV 光刻胶薄膜路线图。大约在 2018 年，ASML 开发了一种具有多晶硅 (p-Si) 芯的光刻胶薄膜。当光仅穿过薄膜一次时（单次穿过薄膜的 EUV 透射率），其透射率为 82%；但当光穿过薄膜三次时，总 EUV 透射率降至 57%。换句话说，由于光刻胶薄膜和 DGL 的存在，到达光刻胶的 EUV 光量减少了约一半。

ASML的EUV薄膜路线图。来源：Anthony Yen（ASML），“EUV 光刻概述和展望”，下一代光刻研讨会幻灯片（2024年7月4日）

到2024年，EUV光的单次透射率将达到90%，三次透射率将提高到73%。图中这种薄膜材料被标记为“Composite+”，很可能使用了碳纳米管。

然而，在碳纳米管薄膜能够用于大规模生产之前，还有一些重大问题需要解决。

碳纳米管薄膜出现哪些问题？

此图发表于 imec 在 2017 年 SPIE 国际光刻会议上发表的论文集。

碳纳米管 (CNT) 薄膜的问题。来源：Ivan Pollentier 等人 (imec)，“EUV 薄膜的新型膜解决方案：更好还是更差——”，SPIE 会议论文集第 10143 卷 101430L-2 页，作者补充

首先，由于波长为13.5 nm的极紫外光会被空气中的氧气吸收，因此极紫外曝光设备内部是真空环境。此外，为了防止极紫外光源产生的碳基污染物降低镜面的反射率，曝光设备中引入了氢气。这是因为极紫外光照射产生的氢自由基可以通过化学反应去除附着在镜面上的碳。

然而，这些氢自由基也会“攻击”碳纳米管薄膜。如图所示，构成碳纳米管的碳纤维会逐渐被氢自由基蚀刻。结果，经过约50小时的极紫外光照射后，碳纳米管网络结构显著破坏，使其变得多孔。在这种状态下，它不再能起到薄膜的作用。

因此，为了防止氢自由基造成的劣化，研究人员设计了一种在碳纳米管表面涂覆一层薄金属膜的方法。展示了该方法的一个实例，实验证实，即使经过500小时的氢自由基测试，涂覆金属膜的碳纳米管薄膜也几乎没有受到损伤。

然而，这种金属涂层存在一个严重的缺陷。未涂覆金属涂层时，极紫外光透过率为96%，涂覆后降至90%。此外，经过500小时的氢自由基测试后，由于碳的再沉积等原因，碳纳米管纤维似乎增厚了。因此，碳纳米管薄膜的透过率很可能进一步低于90%。

因此，碳纳米管薄膜存在一个根本性的难题：虽然为了保持较高的极紫外透射率，最好避免金属涂层，但碳纳米管在暴露于氢自由基环境中时会迅速磨损，而施加金属涂层以防止氢自由基的侵蚀会导致透射率显著降低。

简而言之，碳纳米管薄膜的透光率和寿命之间存在权衡关系。因此，为了将碳纳米管薄膜应用于极紫外曝光设备，解决这一权衡关系的新材料工程研究至关重要。然而，这是一个非常棘手的问题。

三井化学公司发布的公告中提到了碳纳米管薄膜

三井化学宣布他们已经研发碳纳米管薄膜长达 15 年。15 年前是 2010 年，当时极紫外光刻设备尚未上市。令人惊讶的是，他们竟然在那时就开始研发碳纳米管薄膜。

三井化学已对碳纳米管 (CNT) 薄膜进行了 15 年的研究[点击放大] 来源：平原昭夫（三井化学），“化学与合作：驱动未来半导体生态系统”（2025 年日本国际半导体技术论坛）演讲幻灯片

回顾历史，三井化学于2019年5月与ASM公司签署了EUV光刻胶业务的许可协议，获得了生产和销售权。随后，该公司于2021年5月26日正式宣布开始商业化生产EUV光刻胶。首批产品为多晶硅芯结构的光刻胶。

然而，随着市场对更高透光率的需求，三井化学决定从多晶硅芯材转向碳纳米管材料。根据该公司所示的路线图（尽管细节尚未公布），预计该公司将于2025年左右开始全面开发和生产碳纳米管薄膜。

下图总结了新发布的碳纳米管薄膜的性能。单次极紫外光照射的透射率为 94%，三次照射的透射率约为 83%。该薄膜的使用寿命为 5,000 至 10,000 张，且不含任何大于 20 μm 的异物。

三井化学的EUV光刻胶路线图。来源：平原昭夫（三井化学），“化学与合作：驱动未来半导体生态系统”（ITF Japan 2025）演讲幻灯片

三井化学碳纳米管 (CNT) 薄膜的性能。来源：平原昭夫（三井化学），“化学与合作：驱动未来半导体生态系统”（ITF Japan 2025）演讲幻灯片

根据94%的极紫外光透过率和仅5000至10000张的使用寿命判断，这些碳纳米管很可能没有金属包覆。然而，尖端半导体制造商通常要求使用寿命达到30000张或更长。因此，未来最大的挑战很可能是如何在不牺牲透过率的前提下提高使用寿命。

此外，三井化学还展示了ASML的EUV路线图。下图中，计划于2027年左右发布的“NXE:3800F”以黄色方框突出显示。由此可以推断，三井化学计划将目前正在研发的碳纳米管薄膜集成到NXE:3800F中。

计划在 2027 年发布时为 NXE:3800F 配备碳纳米管薄膜。来源：平原昭夫（三井化学），“化学与合作：驱动未来半导体生态系统”（2025 年日本国际半导体技术博览会）演讲幻灯片

EUV光刻胶的展望

自 ASML 于 2016 年首次发布其 EUV 曝光工具以来，已经过去了十年。在过去的十年里，该公司已出货 300 多台设备，可以说 EUV 不再仅仅是一种“未来技术”，而已成为半导体制造领域的主要参与者。

台积电对EUV光刻技术的广泛应用便是最好的例证。2019年，EUV光刻技术首次应用于7nm+工艺的量产，当时仅应用于约五层半导体。然而，仅仅几年后，在3nm工艺时代，这一数字便大幅增长至20层以上。EUV光刻技术已成为决定尖端半导体良率和性能的关键因素。

然而，虽然 EUV 技术越来越普及，但仍有一些问题不容忽视。

——EUV光刻胶大批量生产尚未完成。

目前市面上还没有符合尖端半导体制造商标准的光刻胶薄膜。因此，一些半导体制造商可能在没有光刻胶薄膜的情况下进行极紫外光刻曝光，并反复清洗光刻胶。在如今尖端逻辑电路需要20层极紫外光刻技术的时代，这种做法极其不合理。光刻胶污染会直接影响良率，而反复清洗则会降低生产效率。

那么，EUV光刻胶的研发竞赛进展如何呢？目前的主要参与者，除了三井化学之外，还包括芬兰的Canatu、韩国的FST、韩国的S&STech、日本的Lintec和日本的NGK Insulators，它们都在继续寻找下一代光刻胶的解决方案。

然而，目前尚无法预测哪家机构最终能够研发出可供量产的极紫外光刻薄膜。换句话说，每家公司都仍有机会。随着极紫外光刻需求的爆炸式增长，主导这一市场的影响将是不可估量的。

在人工智能半导体时代，极紫外光刻薄膜或许是“最后一块未开发的领域”。未来，各组织将运用哪些技术才能脱颖而出？我们将继续密切关注这些发展动态。