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激光等离子体13.5 nm极紫外光刻光源进展

宗楠 胡蔚敏 王志敏 王小军 张申金 薄勇 彭钦军 许祖彦

宗楠, 胡蔚敏, 王志敏, 王小军, 张申金, 薄勇, 彭钦军, 许祖彦. 激光等离子体13.5 nm极紫外光刻光源进展[J]. 中国光学, 2020, 13(1): 28-42. doi: 10.3788/CO.20201301.0028
引用本文: 宗楠, 胡蔚敏, 王志敏, 王小军, 张申金, 薄勇, 彭钦军, 许祖彦. 激光等离子体13.5 nm极紫外光刻光源进展[J]. 中国光学, 2020, 13(1): 28-42. doi: 10.3788/CO.20201301.0028
ZONG Nan, HU Wei-min, WANG Zhi-min, WANG Xiao-jun, ZHANG Shen-jin, BO Yong, PENG Qin-Jun, XU Zu-yan. Research progress on laser-produced plasma light source for 13.5 nm extreme ultraviolet lithography[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 28-42. doi: 10.3788/CO.20201301.0028
Citation: ZONG Nan, HU Wei-min, WANG Zhi-min, WANG Xiao-jun, ZHANG Shen-jin, BO Yong, PENG Qin-Jun, XU Zu-yan. Research progress on laser-produced plasma light source for 13.5 nm extreme ultraviolet lithography[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 28-42. doi: 10.3788/CO.20201301.0028

激光等离子体13.5 nm极紫外光刻光源进展

doi: 10.3788/CO.20201301.0028
基金项目: 

国家重点研发项目 No.2016YFB0402103

中科院关键技术团队项目 No.GJJSTD20180004

国家重大科研装备研制项目 No.ZDYZ2012-2

国家重大科学仪器设备开发专项 No.2012YQ120048

国家自然科学重点基金项目 No.61535013

中科院理化所所长基金 No.Y8A9021H11

详细信息
    作者简介:

    宗 楠(1982—),女,辽宁阜新人,博士, 2010年于中国科学院物理研究所获得光学博士学位,现为中国科学院理化技术研究所副研究员,硕士生导师,主要从事高功率固体激光及非线性频率变换技术研究。 E-mail:zongnan@mail.ipc.ac.cn

    胡蔚敏(1996—),男,河南濮阳人,硕士研究生,2018年于中国地质大学(武汉)获得学士学位,现为中国科学院理化技术研究所光学硕士研究生,主要从事激光与物质的相互作用方面的研究。E-mail:huweimin18@mails.ucas.ac.cn

    彭钦军(1976-),男,四川南充人,博士,2006年于中国科学院物理研究所获得光学博士学位,现为中国科学院理化技术研究所研究员,博士生导师,主要从事激光物理与技术研究。 E-mail:pengqinjun@163.com

  • †共同贡献作者
  • 中图分类号: O432.1

Research progress on laser-produced plasma light source for 13.5 nm extreme ultraviolet lithography

Funds: 

Supported by National Key Research and Development Project of China No.2016YFB0402103

Key Technology Team Project of Chinese Academy of Sciences No.GJJSTD20180004

National Major Research and Development Project of China No.ZDYZ2012-2

National Major Scientific Instruments and Equipment Development Project of China No.2012YQ120048

National Natural Science Foundation of China No.61535013

Fund of Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences No.Y8A9021H11

More Information
  • 摘要: 半导体产业是高科技、信息化时代的支柱。光刻技术,作为半导体产业的核心技术之一,已成为世界各国科研人员的重点研究对象。本文综述了激光等离子体13.5 nm极紫外光刻的原理和国内外研究发展概况,重点介绍了其激光源、辐射靶材和多层膜反射镜等关键系统组成部分。同时,指出了在提高激光等离子体13.5 nm极紫外光源输出功率的研究进程中所存在的主要问题,包括提高转换效率和减少光源碎屑。特别分析了目前已实现百瓦级输出的日本Gigaphoton公司和荷兰的ASML公司的极紫外光源装置。最后对该项技术的发展前景进行了总结与展望。
    †共同贡献作者
  • 图  1  LPP-EUV光源示意图

    Figure  1.  Schematic of laser-produced plasma for EUV light source

    图  2  DPP-EUV光源示意图

    Figure  2.  Schematic of discharge-produced plasma for EUV light source

    图  3  Nd:YAG激光(a)与CO2激光(b)等离子体激光能量吸收区域和极紫外辐射区域

    Figure  3.  Laser energy absorption regions and extreme ultraviolet radiation regions from different laser-produced plasma.(a) Nd:YAG laser and (b) CO2 laser

    图  4  ASML-EUVL-NXE系列产品

    Figure  4.  ASML-EUVL-NXE series of products

    图  5  大功率短脉冲CO2激光器的系统示意图

    Figure  5.  System configuration of high power short pulsed CO2 laser

    图  6  液滴发生装置示意图

    Figure  6.  Schematic view of the droplet generator

    表  1  Gigaphoton公司EUV光源产品参数

    Table  1.   Specifications of Gigaphoton EUV system

    Proto#1
    Proof of Concept
    Proto#2
    Key Technology
    Pilot#1
    HVM Ready
    Target Performance EUV power 25 W >100 W 250 W
    CE 3% 4.0% 5.0%
    Pulse Rate 100 kHz 100 kHz 100 kHz
    Output Angle Horizontal 62°upper 62°upper
    Availability ~1 week ~1 week >75%
    Technology Droplet Generator 20~25 μm < 20 μm < 20 μm
    CO2 Laser 5 kW 20 kW 27 kW
    Pre-pulse Laser Picosecond picosecond picosecond
    Collector Mirror Lifetime Test platform 10 days >3 months
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-11
  • 修回日期:  2019-05-14
  • 刊出日期:  2020-02-01

激光等离子体13.5 nm极紫外光刻光源进展

doi: 10.3788/CO.20201301.0028
    基金项目:

    国家重点研发项目 No.2016YFB0402103

    中科院关键技术团队项目 No.GJJSTD20180004

    国家重大科研装备研制项目 No.ZDYZ2012-2

    国家重大科学仪器设备开发专项 No.2012YQ120048

    国家自然科学重点基金项目 No.61535013

    中科院理化所所长基金 No.Y8A9021H11

    作者简介:

    宗 楠(1982—),女,辽宁阜新人,博士, 2010年于中国科学院物理研究所获得光学博士学位,现为中国科学院理化技术研究所副研究员,硕士生导师,主要从事高功率固体激光及非线性频率变换技术研究。 E-mail:zongnan@mail.ipc.ac.cn

    胡蔚敏(1996—),男,河南濮阳人,硕士研究生,2018年于中国地质大学(武汉)获得学士学位,现为中国科学院理化技术研究所光学硕士研究生,主要从事激光与物质的相互作用方面的研究。E-mail:huweimin18@mails.ucas.ac.cn

    彭钦军(1976-),男,四川南充人,博士,2006年于中国科学院物理研究所获得光学博士学位,现为中国科学院理化技术研究所研究员,博士生导师,主要从事激光物理与技术研究。 E-mail:pengqinjun@163.com

  • †共同贡献作者
  • 中图分类号: O432.1

摘要: 半导体产业是高科技、信息化时代的支柱。光刻技术,作为半导体产业的核心技术之一,已成为世界各国科研人员的重点研究对象。本文综述了激光等离子体13.5 nm极紫外光刻的原理和国内外研究发展概况,重点介绍了其激光源、辐射靶材和多层膜反射镜等关键系统组成部分。同时,指出了在提高激光等离子体13.5 nm极紫外光源输出功率的研究进程中所存在的主要问题,包括提高转换效率和减少光源碎屑。特别分析了目前已实现百瓦级输出的日本Gigaphoton公司和荷兰的ASML公司的极紫外光源装置。最后对该项技术的发展前景进行了总结与展望。

†共同贡献作者

English Abstract

宗楠, 胡蔚敏, 王志敏, 王小军, 张申金, 薄勇, 彭钦军, 许祖彦. 激光等离子体13.5 nm极紫外光刻光源进展[J]. 中国光学, 2020, 13(1): 28-42. doi: 10.3788/CO.20201301.0028
引用本文: 宗楠, 胡蔚敏, 王志敏, 王小军, 张申金, 薄勇, 彭钦军, 许祖彦. 激光等离子体13.5 nm极紫外光刻光源进展[J]. 中国光学, 2020, 13(1): 28-42. doi: 10.3788/CO.20201301.0028
ZONG Nan, HU Wei-min, WANG Zhi-min, WANG Xiao-jun, ZHANG Shen-jin, BO Yong, PENG Qin-Jun, XU Zu-yan. Research progress on laser-produced plasma light source for 13.5 nm extreme ultraviolet lithography[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 28-42. doi: 10.3788/CO.20201301.0028
Citation: ZONG Nan, HU Wei-min, WANG Zhi-min, WANG Xiao-jun, ZHANG Shen-jin, BO Yong, PENG Qin-Jun, XU Zu-yan. Research progress on laser-produced plasma light source for 13.5 nm extreme ultraviolet lithography[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 28-42. doi: 10.3788/CO.20201301.0028
    • 自20世纪50年代末起,半导体行业因集成电路(Integrated Circuits,ICs)等相关技术的兴起开始突飞猛进地发展[1]。到目前为止,该行业俨然已成为当今世界各行各业都不可或缺的“支柱”。1965年,高登·摩尔(Goldon Moore)曾提出,在半导体行业的发展史上将会出现一条不变的规律——摩尔定律(Moore′s law)[2]。该定律的内容为:每隔约1年半至两年左右,在价格不变的前提下,单个芯片上晶体管的数目和性能均会增长1倍[3]。在过去的几十年中,半导体行业一直遵循着这条规律高速发展,ICs中每个硅晶片上的晶体管数目有近乎千万倍的增长。

      光刻技术,作为半导体产业的核心技术之一,是一种用于ICs制造的图案形成技术。通常,光刻技术所用到的部件有光刻光源,掩模版,光刻胶等。而其工艺流程一般包括涂胶(光刻胶),前烘,曝光,显影,坚膜,刻蚀和去胶等。光刻技术的原理是通过改变ICs中每个晶圆上节点的最小特征尺寸(最小分辨率),来决定每个芯片内晶体管的数目。电路节点的最小特征尺寸可通过瑞利公式得出[4]。通过瑞利公式可知,减小工艺因子常数k,增大光学系统的数值孔径NA以及减小曝光光源的波长λ均可以使最小线宽(节点)d变小。然而,前两种方案的技术难度越来越大,人们几乎已经将其做到了极限。所以,通过缩短曝光波长λ来减小线宽已成为目前光刻技术的主要研究方向。

      在光刻技术的发展历程中,科研人员们不断地在探索更短曝光波长的可能性。上世纪80年代至90年代初期,光刻主要采用高压放电汞灯产生的波长436 nm(G线)和365 nm(I线)作为光源。汞灯普遍应用于步进曝光机,从而实现0.35 μm的特征尺寸[5]。自上世纪90年代中期后,深紫外光刻技术(Deep Ultraviolet lithography,DUVL)开始逐渐占据光刻技术的主导地位。工业上开始使用深紫外波段(DUV Ultraviolet,DUV)248 nm的KrF和193 nm的ArF准分子激光器作为曝光光源[6]。随后,当光源发展为157 nm的F2准分子激光器时,由于光刻胶和掩模材料的局限,使得157 nm光刻技术受到了很大的限制。研究人员们发现充入浸没液后,193 nm光源等效波长小于157 nm。另外193 nm光刻机技术相对成熟,开发者只需重点解决浸没技术相关的问题,因而采用浸没技术的193 nm光源逐渐取代157 nm光源继续成为主流技术[5]。目前,荷兰Advanced Semiconductor Material Lithography(ASML)公司于2018年生产的NXT: 2000i(采用193 nm光源)产品为现有最高水平的DUV光刻机,其分辨率为38 nm。NXT: 2000i结合多次曝光套刻技术可将线宽缩小至7~5 nm。此外,NXT: 2000i是ASML旗下套刻精度(Overlay)最高的DUV光刻机产品,其数值可达1.9 nm(5 nm节点要求Overlay至少为2.4 nm,7 nm节点要求Overlay至少为3.5 nm)[7]。但是由于多次曝光套刻技术过于复杂,使得生产成本大幅增加,而器件的产量却大幅降低[8]。可以看出,DUVL技术已经达到极限,研究人员们很难再将其所得到的线宽缩至更小的范围。

      EUVL采用极紫外波段(Extreme Ultraviolet,EUV)光源进行光刻,是最有潜力实现大规模工业化和商业化生产的光刻技术[9]。EUVL通过将曝光波长大幅减小(一个量级以上)来实现更小节点光刻,其一次曝光线宽的数值可达10 nm以内[10]。在EUV波段中,13.5 nm的EUV(13.5 nm-EUV)光源的可行性已被理论和实验研究所验证,并已成功运用到现有的商业光刻机中。

    • EUVL技术于上世纪80年代末由美国和日本的相关研究人员提出,他们指出用波长为10~30 nm的EUV光作为光刻机的光源可以大幅缩小ICs的最小特征尺寸。随后,一些国家的公司和研究机构对EUVL的发光原理,实现过程以及工业化生产等方面进行了大量研究。如:国际著名公司(如:Intel,Gigaphoton,ASML等),著名研究机构(如:美国Sandia National Laboratory(SNL),Lawrence Livermore National Laboratory(LLNL),Lawrence Berkley National Laboratory(LBNL);日本产业技术综合研究所等)以及许多知名大学(如:美国普渡大学,加利福尼亚大学;日本九州大学;瑞士苏黎世联邦理工学院等)。经过近30多年的研究,EUVL技术获得巨大进展,ASML、Intel及Nikon等公司均有EUVL演示样机的报道[3, 11, 12],但目前仅ASML有在售产品。

      国内对EUVL技术的研究起步较晚,主要是由中国科学院和部分高校的一些团队在进行相关研究工作。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(简称长春光机所)对EUVL的研究较早,自上世纪90年代末就对EUV光和X射线成像技术进行了相关研究。国内第一套EUV光刻原理装置是于2002年由长春光机所研制出来的,该款装置的出现标志着我国实现了对EUVL原理性的贯通。2008年,国家科技重大专项(02专项)将EUVL技术列为“32~22 nm装备技术前瞻性研究”重要攻关任务,长春光机所为“极紫外光刻关键技术研究”项目的牵头单位。该项目研究团队经过8年的研究,最终研制出线宽为32 nm的EUV光刻投影曝光装置。2017年,“极紫外光刻关键技术研究”项目通过验收[13]。此外,中国科学院上海光学精密机械研究所的蔡懿等人[14],长春理工大学林景全课题组[9],哈尔滨工业大学李小强等人[1]以及华中科技大学、同济大学等相关课题组[15-16]均对EUVL的靶材选取、驱动光源设计、碎屑处理系统等装置进行了理论和实验研究。

      EUVL技术是每年国际光学工程学会会议(Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers(SPIE) Conference)所讨论的主要议题之一。EUVL光刻机主要由3部分组成:EUV光源系统、EUV光反射收集系统以及照明曝光刻蚀系统组成。由于EUV光波长较短,能量较高,其在介质中存在较为强烈的吸收。研究人员通过不断地优化和改进EUV光的收集装置,最终采用多个多层膜反射镜组合成EUV光学反射收集系统。照明曝光刻蚀系统是将收集到的EUV光通过多层膜反射镜系统传送到光刻掩模版(掩模版上含有所需要的电路信息)上。EUV光再同样通过多层膜反射镜系统最终聚焦到硅晶片上进行曝光刻蚀。EUV光源的产生方案有很多,是下文所要介绍的重点内容。

    • 为满足极紫外光刻需求,其光源应具有如下性能:(1)输出功率达百瓦量级,且功率波动小;(2)较窄的激光线宽;(3)较高的系统效率;(4)可接受的体积和重量;(5)可长时间、高可靠性运转;(6)维修、维护成本低;(7)低污染。

      目前,主要有4种方案可以获得EUV光源,分别是:同步辐射源、激光等离子体(Laser Produced Plasma,LPP)、放电等离子体(Discharged Produced Plasma,DPP)和激光辅助放电等离子体(Laser-assisted Discharge Plasma,LDP)。选取哪一种方案,并如何运用该方案以大幅提高EUVL光刻机光源的功率来满足大规模工业生产(High Volume Manufacturing,HVM)的需要成为世界各国所必须攻克的主要难题之一。

    • 同步辐射源的优点是可以产生高功率的EUV光,而且它对光学原件无碎屑污染,故可以长时间稳定地输出EUV光。但是,过于复杂和庞大的装置构造以及极其高昂的造价等都表明同步辐射源并不适用于HVM生产[9]。LPP、DPP和LDP都是通过高能量束使靶材产生较高的温升,从而产生高温、高密度的等离子体并发射EUV光。虽然它们的形成方法有所差异,但却可以使用相同靶材。

      LPP是以高强度的脉冲激光为驱动能源照射靶材,使靶材产生高温等离子体并辐射EUV光。图 1是激光等离子体产生EUV光的示意图[17]。其中,采用数十千瓦功率的激光从一圆孔进入打在液滴Sn靶上,产生的极紫外光通过多层介质膜反射镜反射汇聚在中心焦点(Intermediate Focus,IF)处。

      图  1  LPP-EUV光源示意图

      Figure 1.  Schematic of laser-produced plasma for EUV light source

      DPP是将靶材涂覆在阳极和阴极之间,两个电极在高压下产生强烈的放电使靶材产生等离子体。由于Z箍缩效应,当洛伦兹力收缩等离子体时,等离子体被加热,产生EUV光。图 2是放电等离子体产生EUV光的示意图[17]。其中,靶材也为Sn靶。Sn靶后面为一组叶片,即所谓的“箔片陷阱”,可防止Sn碎屑到达叶片后面的收集器(即反射镜)而使其被污染。最后,EUV光汇聚于IF点。

      图  2  DPP-EUV光源示意图

      Figure 2.  Schematic of discharge-produced plasma for EUV light source

      LDP是将LPP与DPP结合起来,先用脉冲激光照射靶材,使靶材细化,再运用DPP技术放电使靶材产生EUV光。

      对比上述4种方案,由于同步辐射源的缺点极难被克服,目前可以实现工业化EUV光刻机生产的方案为后3种。DPP和LDP具有很多相似之处,它们均可以通过增大放电电流的功率来提高EUV光的输出功率。但是,在靶材产生等离子体的过程中,一定会对电极产生热负荷和腐蚀,造成关键元件的损坏,所以需要经常清理和更换电极。此外,DPP的产生过程中伴随着大量的光学碎屑,严重地损坏了光学收集系统。上述问题尚未找到较好的解决办法,因而,DPP和LDP方案都很难维持长时间的稳定工作状态;而LPP是以高功率激光辐射靶材,这相较于DPP和LDP方案,因没有损伤电极的困扰而较大地消减了装置的热负荷,产生的光源也较为稳定。而且,LPP所产生的碎屑量低于DPP。从长远的发展趋势上看,鉴于LPP的诸多优点,现用于HVM的方案多以LPP为主。荷兰的ASML公司和日本的Gigaphoton公司都已经做出了性能良好的基于LPP的EUV光源。下文将主要介绍如何提高LPP光源的转换效率(Conversion Efficiency, CE)以及如何减少LPP光源碎屑等关键技术。

    • 由于光子能量极高的EUV光几乎可被所有介质所吸收,EUV多层膜反射镜作为光学系统的重要元件成为了EUV光源的一项关键技术,需实现EUV波段的高反射率[18]。近年来,科研人员们通过研究发现,采用Mo/Si多层膜制备出的反射镜对中心波长为13.5 nm、光谱带宽(Bandwidth,BW)在2%以内EUV光的反射率可达70%[19]。通过将Mo原子和Si原子交替排列,可使13.5 nm的EUV光在其中发生干涉,从而得到较高的反射效率[20]

    • 对于商业化大规模生产的EUV光刻机,如何在降低成本的情况下提高晶圆的生产率是一个极为重要的问题。到目前为止,根据ASML公司2017年所生产的最新EUV光刻机设备NXE: 3400B的参数可得,在实际光刻生产中,该款设备每小时操作的晶圆数目可以达到125片以上。这就要求EUV光源在进入光刻系统以前,IF点的输出功率必须在205 W以上。目前为止,ASML公司和Gigaphoton公司的EUV光源设备均可输出250 W较为稳定的EUV光,最大值甚至可以达到375 W[21-22]。然而,相较于EUV光刻机高昂的成本而言,这样的生产效率和输出功率仍然有较大的提升空间。因而,找到如何能够有效提高EUV光源CE的方案已成为了EUVL的一个重点研究方向。光源的CE值是指EUV输出能量除以输入激光能量并换算成百分数后所得到的数值。目前,提高CE的途径主要有以下几种:(1)优选靶材组份及形态;(2)优选激光源;(3)采取双脉冲的方案。

    • 选择中心波长为13.5 nm、2%带宽内的EUV光作为光刻光源是由Mo/Si多层膜反射镜的特性所决定的,而能在此波段发出EUV光的靶材有很多种。研究人员通过相关的理论和实验研究发现,氙(Xe)、锂(Li)、锡(Sn)等为该波段范围内的主要靶材。通过仿真计算的方法可以得到11镜系统在不同靶材(Sn,Li,Xe)中近垂直入射方向的反射率[23-24]。其中Sn在13.5 nm波长处的反射率占比最大。

      最初,人们比较关注Li靶[25]。锂的类氢离子Li2+的Lyα跃迁恰好与波长为13.5 nm的EUV光谱相对应。可是当稳态Li等离子体处在高温的环境下时,会有极少量的Li2+离子处于电离平衡态[26],也就是说,等离子体仅由剩余的原子核和自由电子组成,并且无任何谱线发出。T. Higashiguchi和A. Nagano等人的研究表明,基于LPP的Li靶产生的13.5 nm-EUV光的CE只有1%~2%左右。较低的CE表明,Li靶并不能作为EUVL光源中的最佳靶材[27-28]。随后,人们又对Xe靶做了相关研究。因为Xe靶是清洁能源,所以它具有不产生碎屑,对光学系统损伤小,可以长期工作而无需更换光学元件等优点[29]。然而通过实验可以发现,基于LPP的Xe靶产生13.5 nm-EUV光的CE仅有1%左右,主要由Xe元素的一种离子Xe10+在4d8→4d75p的跃迁产生,除了较为低下的CE外,Xe的光谱纯度也较差[30]。最后,基于LPP的Sn靶在13.5 nm,2%带宽内的EUV来源极为广泛,主要由Sn等离子体中的高价态离子Sn8+ -Sn12+跃迁形成[31],相关文献给出了Sn8+、Sn9+、Sn10+、Sn11+离子的EUV谱线跃迁图[32]。目前,Sn的EUV-CE值可达5%~6%[21]

      研究人员发现固体Sn靶几何形状的差异对EUV辐射也有很大影响。因此,人们对包括平板形靶、限腔形靶、球形靶、空腔形靶、纳米结构靶、液滴形靶在内的固体Sn靶进行了相关研究[26]。早期,人们以平面Sn作为靶材。然而,用激光照射平板Sn靶,会造成被激光光束聚焦中心照射部分靶材的温度远高于周围其他部分。而由于存在较大的温度梯度,中心部分的等离子体膨胀速度快,周围部分的等离子体膨胀速度慢。速度较慢的等离子体会对速度较快的等离子体所在的区域,也就是EUV发射主导区域(Emission Dominant Region,EDR)所发出的EUV光存在较为强烈的吸收,进而影响EUV-CE[9]。针对平面靶材的这一缺点,2003年,T. Tomie等人通过使用双脉冲照射Sn的限腔形靶并在入射激光相反的方向收集EUV光。该方案证明了限腔形Sn靶相较于平板Sn靶具有更高的EUV-CE[33];2005年,Y. Tao等人也为克服平板靶材的缺点,在Sn条靶材的底部放置了具有一定厚度和宽度的碳氢薄膜。然后,用激光光束照射Sn条靶材和碳氢薄膜,使Sn条为被脉冲激光束聚焦中心照射的部分,而碳氢薄膜则为激光光斑边缘的照射部分。因为碳氢等离子体质量小,其膨胀速度较快,该方案成功地消减了由于温度分布不均匀性对EDR区所产生的影响,使得EUV-CE提高了1.4倍[34];同年,Y.Shimada等人尝试将Sn靶材的形状由平板换为了球形。他们将直径为几微米的球形塑料靶材表面涂满厚度为微米量级的Sn,最终得到了最大值为3%的CE[35];2008年,S.Yuspeh等人同样研究了球形Sn靶对EUV-CE的影响。结果与Y.Shimada等人的结论一致,球形Sn靶具有较高的CE,而且CE会随着Sn靶直径与焦斑大小比值的减小而逐渐增加[36];2010年,S. S. Harilal等人研究了凹槽形靶对EUV-CE的影响。他们发现当脉冲激光打在平板Sn靶上的同一点的脉冲数量逐渐增多时,等离子体EUV-CE从2.7%增加到了5%,而辐射EUV的等离子体区域也较之前拉长了近一倍[37];2014年,T. Cummins等人对楔形结构的Sn靶做了相关研究,并最终发现楔形Sn靶的EUV-CE约为3.6%[38];后来,为降低离子碎屑、提高EUV-CE,人们开始逐渐减小Sn靶的尺寸,并最终将液滴Sn靶作为主要研究对象。这是因为液滴Sn靶好操控且碎屑较少,故其CE较高。一些光源供应公司对液滴Sn靶进行了相关研究, 最终确定将其作为EUV光刻机光源的辐射靶材[39-40]。世界知名高校九州大学(日本)、大阪大学(日本),苏黎世联邦理工学院(瑞士)等大学也较早开展了对液滴Sn靶的研究[41]。目前,用于HVM的EUV光刻机光源均是采用液滴Sn靶。虽然液滴Sn靶能达到较为理想的EUV-CE,但其时间和空间的不稳定性为光刻机光源的设计和制造增加了难度[26]

    • 选择LPP作为EUV驱动光源时,激光波长、激光脉宽以及入射激光光束聚焦情况的改变均可以影响EUV-CE[42-45]

      CO2激光器与Nd: YAG激光器是较为合适的EUVL激光器。因为这两种激光器的输出功率较大,能量转换效率高,可以实现高功率的EUV光输出。2007年,J. White等人分别通过将上述两种类型的激光器照射Sn靶,分析了不同激光波长对EUV-CE的影响。当能量等条件相同时,用波长分别为10.6 μm、1064 nm、355 nm的激光照射Sn靶产生EUV光。他们发现相较于使用Nd: YAG激光脉冲,使用CO2激光脉冲能获得较高的CE(两者比值为2.2),而且辐射出的EUV光功率也较高[42]图 3为CO2激光与Nd: YAG激光诱发激光等离子体EUV辐射区域与激光能量沉积区域的比较[45]。由图 3可以看出,CO2激光之所以具有更高的CE是因为脉冲激光能量沉积区与EUV辐射区相距不远,这样便于激光能量快速转移到等离子体中辐射EUV光。同年,日本EUVL系统发展协会的Akira Endo等人进行了类似的实验。他们发现用CO2激光作为驱动光源产生碎屑数量少,光谱纯度高[46-47]

      图  3  Nd:YAG激光(a)与CO2激光(b)等离子体激光能量吸收区域和极紫外辐射区域

      Figure 3.  Laser energy absorption regions and extreme ultraviolet radiation regions from different laser-produced plasma.(a) Nd:YAG laser and (b) CO2 laser

      2009年,S. S. Harilal等人研究入射激光光束聚焦情况对EUV-CE的影响时发现,当激光正好聚焦到Sn靶上时并不能获得最理想的CE值。为此,他们通过相关实验找出了获得最佳CE时激光在靶材上的光斑尺寸,并发现最佳聚焦条件时的CE值比聚焦到靶材上时的CE值高了近25%[44];同年,基于上述现象,Kasperczuk等人解释了激光聚焦条件影响EUV-CE的原因。实际上,聚焦会使靶材初始等离子状态受到极大影响,因而后续的激光脉冲会与受影响的初始等离子体相互作用而影响实验结果。

    • 有学者研究发现,可以先用预脉冲照射液滴Sn靶,产生初始等离子体碎片。设计好延迟时间后,再用高功率密度的主脉冲照射初始等离子体碎片,产生高温、高密度的等离子体并辐射EUV光。这种方案的优势在于预脉冲使液滴体积变大,易于后面的主脉冲与其发生作用,提高了主脉冲激光的利用率以及最终的CE值。在双脉冲照射实验中,常使用Nd: YAG激光作为预脉冲激光源,可有效地提高EUV-CE。这是因为Nd: YAG激光具有更深的穿透深度、更高的等离子体临界密度,可气化更多的靶材等优点[26]。2008年,Shinsuke Fujioka等人采用Nd: YAG激光(预脉冲)和CO2激光(主脉冲)照射液滴Sn靶[48]。他们的实验结果表明双脉冲激光辐射液滴Sn靶产生的EUV-CE基本都高于单脉冲激光所产生的EUV-CE;2012年,Freeman等人将预脉冲激光波长分别设置为266 nm(4倍频的Nd:YAG激光)和1 064 nm,研究了不同预脉冲波长对CO2激光辐射Sn靶产生EUV光的影响[49]。他们发现,1 064 nm预脉冲激光相较于266 nm预脉冲激光所产生的离子碎屑少,这间接证明了用1 064 nm的Nd: YAG激光器作为预脉冲激光时,碎屑粒子具有更低的动能。

    • LPP通过激光辐射靶材产生高温、高密度的等离子体并辐射EUV光。在此过程中,必然会产生一定数量的碎屑。这些碎屑主要由熔融液滴、微粒团簇、中性碎屑原子和高能离子组成[33]。其中,速度最慢的微粒团簇,直径大约在微米量级以上,运动速度约为103cm/s左右;高能离子因具有较高能量而运动最快,速度可达106 ~107cm/s[50];中性粒子碎屑的速度介于上述两者之间。

      碎屑问题作为EUV光刻机大规模工业化生产过程中不可忽视的问题之一,其影响具体表现在:(1)碎屑会损伤光源的收集系统,碎屑中的高能离子会撞击多层膜反射镜,造成多层膜反射镜结构被破坏。同时,能量较低、速度较慢的中性碎屑粒子有一定的概率会附着在多层膜反射镜上,吸收生成的EUV光并加热多层膜反射镜,进一步破坏其结构。无论是高能粒子还是中性原子,都会使多层膜反射镜的反射率降低,导致EUV光刻机设备中的一些反射镜需要时常更换,从而影响光源长时间的稳定工作;(2)中性粒子等碎屑会吸收EUV辐射,而且亚微米级的微粒团簇和熔融液滴因不能完全被运用到产生EUV辐射的过程中而被浪费,这些均可能限制EUV-CE。综上所述,减少LPP-EUV过程中所产生的碎屑是极为重要的。

      对于微米量级以上的碎屑,可以通过上一小节中所提到的双脉冲激光辐射方案除去[51]。对于其他种类的碎屑问题,科研人员们也分别做了大量实验研究。2003年,G. Niimi等人通过在光源的收集装置中添加磁场研究了LPP离子碎屑的特性。结果发现,在磁场的作用下,离子信号有明显的下降,而且距离磁场越近,下降比例越明显[52];2007年,S. S. Harilal等人又在有磁场的光源收集系统中加入了缓冲气体,实验发现缓冲气体不仅可以减缓高能碎屑离子,同时也能抑制中性碎屑粒子[53];2012年,孙英博等人在光源系统中充入氩气、氦气等缓冲气体,研究了不同种类的缓冲气体对Sn离子碎屑缓解效果的影响[54]

      目前市售EUV光刻机产品均采用将充入惰性气体或氢气和外加磁场相结合的方案除去碎屑[21, 55]。充入惰性气体的好处在于:(1)充入气体的分子与碎屑离子相撞,降低了其运动速度,流动的气体还可将碎屑离子吹到远离多层膜反射镜的区域,减少其对光学收集系统的损害;(2)当充入的气体是氢气时,靠近器壁的氢气通过放电的方式形成电容耦合的氢气等离子体,其中的H自由基可以与Sn粒子发生化学反应,反应的化学方程式为Sn(s)+4H(g)——SnH4(g),产生了热蒸汽SnH4,通过真空抽吸的容器可以去除热气体和Sn蒸气。加入磁场的优点在于:(1)因为EUV光为主要由Sn离子和电子组成的Sn等离子体发射,所以几乎所有的Sn离子都可以通过拉莫尔运动而被强磁场捕获;(2)一些中性原子可以通过与离子碰撞的方式,发生电荷交换成为离子而被磁场捕获。最终这些碎屑粒子均可被碎屑收集装置所收集。

    • 目前,已经收购Cymer公司(世界领先的激光源供应商)的荷兰光刻机巨头ASML公司和日本Gigphoton公司几乎垄断了全球激光光刻机光源产业,他们都可以独立地制造出基于LPP的EUV光刻机光源。

      ASML公司于1984年成立,公司的总部现位于荷兰费尔德霍芬,是一家半导体设备制造和销售公司。目前,英特尔,三星,中芯国际等国际知名公司都从ASML公司采购光刻机,其市场份额已达到70%。售价1亿美元一台的EUV光刻机,全世界仅ASML公司可以生产。2017年,全世界出货的光刻机中有198台由ASML所制造,其中EUV光刻机为11台[13];2018年全世界出货的光刻机中有224台为ASML公司制造,较2017增长13.13%,其中13.5 nm-EUV光刻机销售量为18台,较2017年增加了63.64%[56]。2019年,ASML公司EUV光刻机的年销量将达到30台。图 4将ASML公司近年来所生产的几款EUV光刻机设备参数进行了对比(NXE: 3400C为即将发售的产品)[21]。由图 4可以看出,NXE系列产品每小时操作的晶圆数目从最初的60片(光源IF点聚焦功率为100 W)增长到125片(光源IF点聚焦功率为245 W)。2018年年末至2019年年初,ASML公司改良后的NXE: 3400B(光源IF点聚焦功率为250 W)产品,每小时的晶圆操作数可达145个,分辨率可达13 nm以下,Overlay为1.7 nm(满足5 nm节点的工艺需求)。ASML公司在2019年下半年推出的新款产品NXE: 3400C每小时操作的晶圆数为155~170片,其overlay预计可达1.5 nm[57]。到2020年后,ASML公司还预计将新版本产品光源IF点聚焦功率提升到350 W以上[2]

      图  4  ASML-EUVL-NXE系列产品

      Figure 4.  ASML-EUVL-NXE series of products

      Gigaphoton公司于2000年在日本栃木县小山市成立。不同于ASML等光刻机公司,Gigaphoton是一家激光器光源供应商。它自成立以来一直为全球包括ASML,Nikon,Canon等半导体行业巨头提供激光光源,其光源技术一直处于世界领先水平。Gigaphoton于2002展开了对EUV光源的研究。到目前为止,Gigaphoton公司共设计了3款13.5 nm-EUV光源产品,它们分别是Proto#1,Proto#2和Pilot#1。Proto#1的设计重点是碎片减缓技术;Proto#2作为优化CE的设备;Pilot#1的设计考虑了在半导体工厂中支持HVM的商业应用。表 1将Gigaphoton公司3款产品的参数进行了对比[58]。由表 1可以看出,新款产品Pilot#1在输出功率(250 W)、转换效率(5%)以及工作时长(大于3个月)等众多方面都较其他两款产品有着绝对的优势。接下来,以ASML公司和Gigaphoton公司所生产13.5 nm-EUV光刻机光源产品为例,具体介绍LPP-EUV光刻机光源,CO2脉冲激光振荡和放大级光路以及靶材装置。

      表 1  Gigaphoton公司EUV光源产品参数

      Table 1.  Specifications of Gigaphoton EUV system

      Proto#1
      Proof of Concept
      Proto#2
      Key Technology
      Pilot#1
      HVM Ready
      Target Performance EUV power 25 W >100 W 250 W
      CE 3% 4.0% 5.0%
      Pulse Rate 100 kHz 100 kHz 100 kHz
      Output Angle Horizontal 62°upper 62°upper
      Availability ~1 week ~1 week >75%
      Technology Droplet Generator 20~25 μm < 20 μm < 20 μm
      CO2 Laser 5 kW 20 kW 27 kW
      Pre-pulse Laser Picosecond picosecond picosecond
      Collector Mirror Lifetime Test platform 10 days >3 months
    • 相关文献给出了ASML和Gigaphoton公司的LPP-EUV光刻光源的概念图[21-22]。首先,预脉冲激光通过光束传送系统(Beam Transfer System,BTS)打到Sn靶上,经过一定延迟后,靶材逐渐变成了亚微米级薄雾。此时,再由主脉冲激光同样通过BTS攻击靶材,产生高温、高密度的等离子体,发出EUV光。EUV光经多层膜反射镜反射聚焦到IF点,并继续投射到曝光操作平台上。上述光源装置采用氢气和磁场减缓碎屑,运用碎屑收集器回收碎屑,以免污染光学收集系统。EUV光源的输出功率为CO2 Power×CE×(1-DE(%))。

    • 图 5为Gigaphoton公司CO2脉冲激光振荡级和放大级的光路设计概念图[22]。Gigaphoton为了可以得到稳定的250 W-EUV光,激光器平均功率需大于20 kW。CO2激光驱动器需产生持续时间 < 20 ns的脉冲,以实现LPP过程的最佳效率。并且,100 kHz的重复频率需要每个脉冲输送大于200 mJ的能量。满足这些要求的唯一方案是使用主振+功率放大器(Master Oscillator Power Amplifier, MOPA),以保证可以输出高功率密度,高光束质量的激光束。ASML和Gigaphoton均使用了MOPA和预脉冲相结合的方案照射液滴Sn靶。

      图  5  大功率短脉冲CO2激光器的系统示意图

      Figure 5.  System configuration of high power short pulsed CO2 laser

      由于CO2介质的弛豫时间与脉冲持续时间相当,激光的放大效率明显较低。出于这个原因,Gigaphoton公司将振荡级设计为多线式主振荡器(multi-line capable master oscillator)。该方案可以改善脉冲放大效率低的问题,其将射频放电激发的平板波导CO2激光技术与相对较新的固态量子级联激光器(Quantum Cascade Asers,QCL)结合起来作为种子光源。该方案能够产生较为稳定的高能量脉冲,并且持续时间在15~35 ns内可调节。最终,振荡器的输出功率由两个多通道放大器系统提升至100 W左右。相关文献给出了多线式振荡器的原理以及选用QCL作为种子光源的优势[59-60]

      Gigaphoton公司Pilot#1光源使用由三菱电机生产的放大器,包括两个前置放大器和3个主放大器[61]。其中,前置放大器是将主振荡器输出的100 W脉冲激光提升到3 kW左右,而主放大器采用商用射频放电激发泵浦的CO2激光器,将输出功率提升至20 kW以上。在Pilot#1系统中使用快横流(Fast Transverse Flow,FTF)CO2技术,可以输出较高功率的激光并且略微改善了光束质量[22]。横流CO2激光器中的气体压力通常低于轴流激光器中的气体压力,因为气体流动通道的横截面更宽并且流动长度更短。激光器的信号增益与气体压力成反比。因此,横流CO2激光器的信号增益通常高于轴流CO2激光器的信号增益[62]。此外,装置中的隔离器抑制由主振荡器和放大器耦合引起的全局自激振荡,可有效避免降低放大器增益和影响振荡器稳定工作等问题。

    • 图 6是ASML公司研制的Sn液滴发生器的示意图[63]。其中,Sn在容器中加载,加热Sn使其温度达到熔点以上。在惰性气体施加压力的情况下,Sn通过过滤器到达喷嘴喷出。值得注意的是,这里Sn喷射的速率是由机械振动调制器所调制的,目的是为了使其发射液滴的频率与脉冲激光的重复频率一致。最新产品的液滴直径均小于20 μm。

      图  6  液滴发生装置示意图

      Figure 6.  Schematic view of the droplet generator

    • 截至目前,虽然DUV光刻机与EUV光刻机均可达到7~5 nm节点的制作工艺需求。但是,针对下一代更短节点的光刻工艺,只有EUV光刻机可以实现。EUVL因更短的光刻波长而具有更高的分辨率,从而减少了光刻过程中的曝光次数,降低了成本。ASML公司称,相比DUV浸没式光刻技术加多重成像技术,EUV光刻技术能够将金属层的制作成本降低9%,过孔的制作成本降低28%[57]

      然而,现在的EUV光刻机并未完全占领市场。其技术不够完善和售价极其高昂是主要原因。通过对比ASML公司的DUV光刻机产品(NXT:2000i)与EUV光刻机产品(NXE:3400B),不难发现:在售价方面,EUV光刻机的价格更高;但在产率方面,DUV光刻机每小时操作的晶圆数目约为EUV光刻机的两倍左右。这足以证明EUVL技术仍有较大的提升和改进空间。对于未来3 nm节点的光刻技术,EUV光源的功率需要提升到500 W。1 nm节点的光刻技术需要1 kW功率的EUV光源。

      众所周知,半导体行业快速发展的核心技术是光刻技术。而在如今信息化,科技化高速发展的世界中,一个国家的半导体芯片产业技术和光刻技术的发展前景标志着这个国家的科技实力和信息化程度。手机、电脑等大量高科技产品在人们生活中的普及化,以及先进制造、新材料、高功率激光等相关产业的飞速发展将促进半导体产业和光刻技术的不断更新。我国对于光刻技术的研究起步较晚,且进展较为缓慢,技术水平与国外的差距十分明显。为了具有自主研发高端集成电路的能力,我国已经开始了EUVL和DUVL的193 nm光刻技术的研究[64]。目前,我国在光刻领域的进展包括:(1)上海微电子装备有限公司研制的SSX600系列步进扫描投影光刻机采用DUV光源,可满足最低90 nm的光刻工艺需求。此外,28 nm工艺节点的193 nm浸没式光刻机正处于研发阶段[65];(2)由中国科学院光电技术研究所研制的世界首台分辨力最高的紫外超分辨光刻设备采用365 nm的紫外光作为曝光波长,其一次曝光线宽可达22 nm,结合多重曝光技术后,可用于制造10 nm级别的芯片[66];(3)长春光机所“极紫外光刻关键技术研究”项目的研究团队研制出了线宽为32 nm的EUV光刻投影曝光装置。上述光刻机设备的确与国外产品存在着较大的差距。我们需要积极的借鉴和学习国外的先进技术,集中优秀人才,组织相关团队,踏踏实实地在EUV光刻技术领域进行创新与发展。同时,还应发挥我国在紫外超分辨光刻设备中的优势,多方面发展我国的光刻工艺技术。有着国家强大综合国力的支持,我国可以将半导体芯片产业技术和光刻技术稳健地发展起来,未来在光刻技术领域占有一席之地。

参考文献 (66)

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