美國(guó)NIST發(fā)布極紫外光刻分析報(bào)告

2023年8月22日，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）發(fā)布《極紫外光刻（EUVL）工作組會(huì)議報(bào)告：現(xiàn)狀、需求和前進(jìn)道路》。圍繞EUVL的研究、開發(fā)和制造，2023年4月25日NIST舉行了交叉工作組會(huì)，對(duì)EUVL的許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題和所需計(jì)量學(xué)進(jìn)展進(jìn)行了富有成效的討論。根據(jù)EUVL工作組會(huì)議討論結(jié)果，報(bào)告簡(jiǎn)要概述了EUVL五方面技術(shù)主題并提出了行業(yè)發(fā)展建議，最后總結(jié)了調(diào)查結(jié)果和后續(xù)工作開展建議。

EUVL工作組會(huì)議上，行業(yè)參與者的發(fā)言為報(bào)告概述EUVL的科學(xué)現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)、需求和未來(lái)加速創(chuàng)新的機(jī)遇提供了信息；NIST介紹了已經(jīng)開始或繼續(xù)支持美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的一些工作，集中展示了NIST的核心能力和部分研究，為外部利益相關(guān)者提供了可見性和發(fā)表意見的機(jī)會(huì)。此次會(huì)議為行業(yè)參與者和NIST研究人員提供了相互了解的平臺(tái)，確定NIST的計(jì)量知識(shí)如何協(xié)助EUVL研究，以建立有針對(duì)性的研究合作，加快半導(dǎo)體制造創(chuàng)新。

一

EUVL的五大關(guān)鍵技術(shù)主題及行業(yè)發(fā)展建議

EUVL是下一代半導(dǎo)體芯片制造的關(guān)鍵步驟。目前唯一一家生產(chǎn)EUVL掃描儀組件的公司是總部位于荷蘭的ASML。EUVL系統(tǒng)并非僅在荷蘭制造，而是由在全球開發(fā)的許多模塊組成，然后運(yùn)送到荷蘭的ASML總部進(jìn)行最終組裝和測(cè)試，最終交付給客戶。EUV光是由高純度錫產(chǎn)生的高溫等離子體產(chǎn)生的。固體錫在液滴發(fā)生器內(nèi)熔化，該儀器在真空室內(nèi)每分鐘連續(xù)產(chǎn)生超過(guò)300萬(wàn)個(gè)27 μm液滴。平均功率為25 kW的脈沖二氧化碳（CO2）激光器用兩個(gè)連續(xù)脈沖照射錫滴，分別對(duì)錫滴進(jìn)行成形和電離。最初，會(huì)產(chǎn)生數(shù)千瓦的EUV光，但沿著光路的吸收和散射損耗，只有一小部分到達(dá)光刻掩模。13.5 nm光的輸出功率和光束質(zhì)量通過(guò)間接閃爍體相機(jī)（scintillator-camera）測(cè)量推斷。多層收集鏡系統(tǒng)將光引導(dǎo)至光敏聚合物或光刻膠，將圖案轉(zhuǎn)移到晶圓上。通過(guò)恒定的氫氣流保護(hù)收集鏡免受錫碎屑的影響。每次曝光后，自動(dòng)晶圓臺(tái)以≤0.25 nm的分辨率定位晶圓，并每秒進(jìn)行20,000次循環(huán)檢查調(diào)整過(guò)程?？傮w而言，EUVL過(guò)程需要許多不同的工程系統(tǒng)之間的精確協(xié)調(diào)，主要包含以下五方面關(guān)鍵技術(shù)主題：

1. 液滴發(fā)生器

液滴發(fā)生器是EUVL掃描儀組件中的重要組件。液滴發(fā)生器控制進(jìn)入EUV光源室材料的尺寸、速度和重復(fù)頻率，這些材料被CO2激光器電離從而產(chǎn)生13.5 nm EUV光。因此，液滴發(fā)生器必須連續(xù)可靠地輸送錫滴才能產(chǎn)生EUV光，否則會(huì)影響所有下游組件并導(dǎo)致運(yùn)行停止。液滴的典型直徑為27 μm，流速為80 m/s，重復(fù)頻率為50 kHz。液滴發(fā)生器觸發(fā)CO2激光脈沖發(fā)射，因此被稱為整個(gè)EUV掃描儀組件的“心跳”。從美國(guó)立場(chǎng)來(lái)看，ASML EUV光源的研發(fā)和制造均位于加利福尼亞州圣地亞哥。

近幾十年來(lái)，研究人員研究了錫以外材料的可能性，例如氙和鋰。從安全性、成本和性能等因素來(lái)看，錫是EUVL制造應(yīng)用中激光產(chǎn)生等離子體的優(yōu)質(zhì)材料。除錫以外，目前還沒(méi)有公開的半導(dǎo)體制造中EUV光源材料路線圖，因此在基礎(chǔ)科學(xué)層面投資了解這種材料將產(chǎn)生近期和長(zhǎng)期影響。業(yè)界對(duì)錫這一單一材料源的關(guān)注，使得未來(lái)有必要投入更多精力，來(lái)了解用于產(chǎn)生EUV光的復(fù)雜激光與物質(zhì)相互作用所需的基本材料特性。

行業(yè)發(fā)展建議：目前對(duì)于高于大氣壓壓力下的熔融金屬缺乏可靠的材料特性。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的缺乏阻礙了對(duì)液滴發(fā)生器進(jìn)行數(shù)值模擬工作。為了提高性能，需要在極端條件（>500 K、>10 MPa）下對(duì)純錫進(jìn)行參考質(zhì)量的熱物理性能測(cè)試，并以標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)（SRD）格式發(fā)布數(shù)據(jù)。

2. EUV生成的輻射計(jì)量學(xué)

工業(yè)EUVL工具主要涉及兩種類型的光：用于電離熔融錫的脈沖高功率紅外（IR）激光以及用于光刻的13.5 nm EUV光。前者由專用CO2激光器（λ = 10.6 μm）提供，以50 kHz重復(fù)頻率發(fā)射約30 kW的平均功率。錫電離過(guò)程涉及兩個(gè)快速連續(xù)的紅外激光脈沖。紅外激光器的輸出對(duì)于開發(fā)未來(lái)光刻工具至關(guān)重要，因?yàn)镋UV功率擴(kuò)展需要更高的CO2激光功率。

NIST目前支持IR校準(zhǔn)，但不支持商業(yè)EUVL所需的功率和脈沖條件。盡管NIST目前為微加工行業(yè)提供光刻校準(zhǔn)，但僅限于193 nm和248 nm波長(zhǎng)。EUV波長(zhǎng)范圍內(nèi)的校準(zhǔn)是可能的，但只能在比EUVL工具產(chǎn)生的功率（毫瓦）低得多的情況下進(jìn)行。

行業(yè)發(fā)展建議：需要在工業(yè)EUV光刻相關(guān)條件下，為所用光（用于激發(fā)熔融錫滴的高功率紅外激光和等離子體電離發(fā)射的13.5 nm光）開發(fā)專門的輻射計(jì)量工具，以提供關(guān)鍵工藝參數(shù)的可追溯計(jì)量。

3. 等離子體物理和建模

EUVL利用13.5 nm光生產(chǎn)集成電路。這種光的主要來(lái)源是用大功率激光產(chǎn)生高溫錫等離子體。雖然大多數(shù)等離子體特性都是在大量實(shí)驗(yàn)中探索出來(lái)的，但可靠且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的理論支持對(duì)于開發(fā)更好的錫等離子體源至關(guān)重要。一旦激光擊中錫滴光源，就需要對(duì)光與物質(zhì)的相互作用有一個(gè)準(zhǔn)確的物理理解。

對(duì)激光產(chǎn)生的錫等離子體光發(fā)射進(jìn)行高級(jí)計(jì)算時(shí)，通常使用大規(guī)模碰撞輻射（collisional-radiative，CR）代碼建模，這些代碼試圖解釋導(dǎo)致光子輻射的最重要物理過(guò)程，包括電子碰撞激發(fā)、去激發(fā)和電離、輻射、雙電子復(fù)合、三體復(fù)合以及自電離等。此外，輻射傳輸和不透明度以及輻射流體動(dòng)力學(xué)建模可能也是必不可少的。值得注意的是，等離子體建模的局限性還在于物質(zhì)相互作用的基本物理機(jī)制的信息有限。

行業(yè)發(fā)展建議：行業(yè)利益相關(guān)者希望對(duì)錫等離子體進(jìn)行建模。利用先進(jìn)的碰撞輻射和輻射傳輸代碼的驗(yàn)證，可以進(jìn)行實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)能力的模擬。建模實(shí)驗(yàn)將為當(dāng)前模型奠定基礎(chǔ)，擴(kuò)展國(guó)際代碼庫(kù)的薈聚基礎(chǔ)，從而在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的基礎(chǔ)上選擇“最佳”模型。

4. EUV組件的表征

報(bào)告主要討論了EUVL掃描儀組件中EUV光相互作用的兩個(gè)重要組件：光刻膠和收集器反射鏡。光刻膠加工對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)至關(guān)重要，所有器件元件和相關(guān)結(jié)構(gòu)都需要光刻制造的納米級(jí)圖案。單元尺寸縮小需要新穎的工藝架構(gòu)、新穎的器件材料以及將互連間距縮小到12 nm，因此半導(dǎo)體制造工藝不斷迭代，但使用EUVL大批量制造存在困難，其中光刻膠環(huán)節(jié)的改進(jìn)尤為重要。由于大多數(shù)材料都會(huì)強(qiáng)烈吸收13.5 nm光輻射，因此使用EUV光進(jìn)行圖案化帶來(lái)了許多新的挑戰(zhàn)，需要使用反射鏡而不是透鏡在真空中引導(dǎo)光至光刻膠模板，同時(shí)錫碎屑導(dǎo)致多層反射鏡生產(chǎn)效率低下、成本高昂。整個(gè)收集區(qū)域的波長(zhǎng)匹配和紅外光譜過(guò)濾是多層收集器反射鏡的關(guān)鍵特性。此外，產(chǎn)生足夠數(shù)量的EUV輻射極其困難，因此必須努力確保反射器具有盡可能高的反射率和空間均勻性。

行業(yè)發(fā)展建議：EUV光刻膠對(duì)于圖案化至關(guān)重要，為了提高成品率需要了解每個(gè)長(zhǎng)度尺度上的材料特性，因此針對(duì)各尺度工藝變化進(jìn)行化學(xué)形態(tài)測(cè)量，創(chuàng)建高通量計(jì)量學(xué)來(lái)表征變化特征。業(yè)界在保護(hù)EUV收集器反射鏡方面有了一些重大改進(jìn)，但仍需了解“光子和等離子體物質(zhì)如何與EUV光源中的背景氣體、光學(xué)和等離子體表面相互作用”以及“錫發(fā)生了什么變化以及如何對(duì)其進(jìn)行管理”。NIST提供與位置相關(guān)的EUV反射率測(cè)量，這些數(shù)據(jù)可供評(píng)估光學(xué)器件的使用壽命和錫碎屑減緩技術(shù)的有效性。

5. EUV光分析工具

報(bào)告討論了使用EUV光作為分析工具協(xié)助半導(dǎo)體制造行業(yè)的三種方法：高次諧波發(fā)生（源）、同步加速器和原子探針斷層掃描。高次諧波發(fā)生（源）具有緊湊的占地面積，允許在研發(fā)和制造設(shè)施中部署，并可以連續(xù)探測(cè)深納米級(jí)微電子器件的尺寸、材料和動(dòng)態(tài)特性。同步加速器光源允許研究EUVL的許多方面，盡管不適用于大批量制造EUV光源但可以助力該目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，例如研究收集鏡退化機(jī)制等。原子探針斷層掃描是唯一能夠提供周期表上任何元素的亞納米同位素分辨原子級(jí)元素圖的3D化學(xué)測(cè)繪技術(shù)，這對(duì)于研究EUV光刻膠很有用。

行業(yè)發(fā)展建議：業(yè)界就這些工具在協(xié)助EUVL制造方面的潛在用途提供了反饋。NIST法律委員會(huì)必須積極采取行動(dòng)，針對(duì)保密協(xié)議（NDA）請(qǐng)求制定解決方案，滿足潛在合作者的需求，同時(shí)滿足聯(lián)邦工作人員提出的獨(dú)特法律和行政要求，這些聯(lián)邦工作人員被明確禁止讓自己或組織承擔(dān)任何外部合同。

二

調(diào)查結(jié)果和后續(xù)建議

在各技術(shù)主題調(diào)查結(jié)果及行業(yè)建議之外，工作組提出兩項(xiàng)綱領(lǐng)性調(diào)查結(jié)果及后續(xù)建議：

1. EUVL的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)格局導(dǎo)致需要簽署保密協(xié)議才能與NIST研究人員進(jìn)行深入技術(shù)對(duì)話。建議簡(jiǎn)化NIST研究人員和業(yè)界之間的保密協(xié)議流程，使項(xiàng)目啟動(dòng)的周轉(zhuǎn)時(shí)間少于兩個(gè)月。應(yīng)向NIST工作人員和管理層提供有關(guān)保密協(xié)議流程的教育，以正確執(zhí)行步驟。

2. 面對(duì)面的互動(dòng)可以產(chǎn)生富有成效的對(duì)話和可行的后續(xù)步驟。未來(lái)的利益相關(guān)者互動(dòng)可能從工作組會(huì)議轉(zhuǎn)變?yōu)檠杏憰?huì)再到聯(lián)盟，但這種轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致成本（10,000美元-100,000美元以上）和規(guī)劃工作（40–200多個(gè)小時(shí)）的增加。為了幫助減輕成本和工作量，建議未來(lái)的活動(dòng)可以安排在經(jīng)常性的專業(yè)會(huì)議上舉行。

EUVL工作組未來(lái)可能采取的行動(dòng)包括擴(kuò)大NIST和行業(yè)的參與、調(diào)整研究小組以滿足EUVL的特定需求，以及執(zhí)行工作組會(huì)議和未來(lái)任何大型會(huì)議中討論的優(yōu)先研究事項(xiàng)。通過(guò)與美國(guó)EUVL行業(yè)的合作，預(yù)計(jì)將促進(jìn)合作，加速半導(dǎo)體制造創(chuàng)新。

END