EUV光刻机重磅报告,美国发布

作者:admin  来源:半导体行业观察  发布时间:2023-09-14  访问量:3935


引言


2022年,半导体市场规模约为0.6万亿美元,商业分析师预计到2030年将翻一番,达到1.0万亿至1.3万亿美元。半导体制造业的大幅增长可以在光刻工艺中体现出。光刻是一种图案化工艺,将平面设计转移到晶圆基板的表面,形成晶体管和布线互连等复杂结构。这是通过一个复杂的多步骤过程,选择性地将光敏聚合物或光刻胶暴露在特定波长的光下完成的。最近,光刻技术的进步在生产最先进的半导体方面创造了竞争优势,使人工智能(AI)、5G通信和超级计算等最先进的技术成为可能。因此,先进的半导体技术会很大程度上影响国家安全和经济繁荣。


当今最先进的半导体光刻工艺使用EUV光源,特别是13.5nm的光。EUV光允许在半导体中构建更小的单位特征。据报道,EUVL系统目前耗资1.5亿美元,由ASML于2019年首次部署,该公司一直保持着100%的市场份额。迄今为止,ASML已经交付了三种不同型号的EUVL系统,即Twinscan NXE:3400 B/C和NXE:3600D,NXE系统的总出货量从2019年第一季度的31台增长到2022年最后一季度的181台。


本报告的组织结构如下。引言的其余部分包括EUVL的技术背景、EUVL国际和国内状况的背景以及NIST和CHIPS研发计量计划的概述。其中,第2节包含工作组会议中讨论的EUVL技术状况和需求。第3节概述了工作组会议的调查结果和关于前进道路的建议,以此作为报告的结尾。


EUV光刻技术背景

EUVL是制造下一代半导体芯片的关键步骤。EUV光是由高纯度锡产生的高温等离子体产生的。固体锡在液滴发生器内熔化,该仪器在真空室中每分钟连续产生超过300万个27µm的液滴。平均功率为25kW的二氧化碳(CO2)激光器用两个连续脉冲照射锡液滴,分别使液滴成形并电离。最初,产生了数千瓦的EUV光,但由于沿着光路的吸收和散射损失,只有一小部分光到达光刻掩模。13.5nm光的输出功率和光束质量是从间接闪烁体相机的测量中推断出来的。多层聚光镜系统将光引导到光敏聚合物或光刻胶上,从而将图案转移到硅片上。反光镜通过H2气体的恒定流动保护从而免受锡碎片的破坏。自动晶圆台在每次曝光后以≤0.25 nm的分辨率定位晶圆,每秒进行20000次循环检查调整过程。总的来说,这个过程需要在许多不同的工程系统之间进行精确的协调。图1显示了ASML-EUVL组件的照片。


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图1 ASML EUVL组件的照片。

照片来源:ASML


EUV光刻技术的现状与未来

先进半导体制造业的增长来自美国以及欧洲和亚洲地区的新EUV制造设备。如前所述,目前唯一生产EUVL扫描仪组件的公司是总部位于荷兰的ASML。ASML向英特尔、总部位于中国台湾的台积电(TSMC)和总部位于韩国的三星等公司销售EUV扫描仪组件。然后,这些公司在其半导体制造设备中使用EUV扫描仪。EUVL系统并非仅在荷兰制造,而是由全球开发的许多模块组成,这些模块在交付给客户之前,将被运送到荷兰的ASML总部进行最终组装和测试。读者可以参考相关文献报告,了解微电子制造生态系统中供应链的更多细节。


从美国的角度来看,ASML的EUV光源的研发和制造基地位于加利福尼亚州圣地亚哥。EUVL扫描仪组件的光源组件如图2所示。应注意的是,光源组件包括位于EUVL扫描仪组件中的源容器以及其它许多组件,包括激光计量、光束传输系统和驱动激光器及其辅助设备。驻扎在圣地亚哥的Cymer是要负EUV光源相关工作,由ASML于2012年收购。此外,鉴于EUVL在半导体制造方面的优势,出口管制保护了这项技术。具体而言,2022年10月,美国工业和安全局(BIS)发布了一项规则——87 FR 62186,对包括极紫外光刻在内的技术进行出口管制。


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图2 ASML的EUV光刻源组件的图形。

图片来源:ASML

ASML表示,EUV光刻的未来发展包括将数值孔径(NA)从0.33增加到0.55(“High NA”)。High NA可用于减少目前0.33NA所需的多重图案化步骤的数量,并能够解决更精细的几何尺寸。这与公开发布的2022年IEEE国际器件和系统路线图(IRDS)一致,是到2037年继续将晶体管规模扩大到0.5纳米所必需的。新NA平台的目标是提高晶圆和掩模状态的变化速度,以实现几何芯片缩放。High NA系统预计将于2023年交付给客户,用于大批量制造的全平台工艺预计将于2025年投入运营。2023年初,ASML宣布,他们创造了两项新的EUV功率记录,即一小时运行600 W EUV的High NA 的光刻机型号EXE:5200符合剂量稳定性规范并且能够进行700 W开环运行。在实现EUV大批量制造之前,600 W的演示比五年前交付的250 W有所增加。第2.1节和第2.2节包含了关于液滴发生器和激光功率的600 W功率演示的详细信息。关于High NA的其他详细信息不在本报告的范围内。尽管如此,读者还是可以参考Levinson 2022年的一篇论文,了解关于High NA EUVL的现状和前景的更多信息。


了解EUVL的国际和国内形势有助于了解研发合作机会,并且强调了技术领域的竞争格局和科学领导的必要性。最后,鉴于《芯片法案》的资助是为了提高美国半导体制造业的弹性,人们必须意识到通过一流的计量实践来帮助生产这一关键制造工艺的重要性。


NIST和CHIPS研发计量计划概述

CHIPS研发计量项目和NIST博尔德实验室主任Marla Dowell博士在工作组会议上发表了受欢迎的演讲。主题演讲首先提醒与会者NIST的使命:


通过推进测量科学、标准和技术,以增强经济安全和提高我们的生活质量,促进美国的创新和工业竞争力。


它强调了NIST的核心能力:(1)测量科学,(2)严格的可追溯性,以及(3)标准的开发和使用。Dowell博士提供了更多关于芯片研发计量计划细节、组织关系和NIST国家研究机构的背景信息。Dowell博士强调了工业界和NIST之间联合研究的必要性,以合作解决对芯片至关重要的紧迫微电子挑战。他提醒听众,NIST是一个非监管实验室。因此,NIST一直是专有信息的可靠合作伙伴,保持中立、客观,并通过传播支持美国创新和产业竞争力的高质量测量、数据和研究来促进关键技术的发展。具体而言,在博尔德,NIST有大约900名员工和超过500000平方英尺的实验室空间,涵盖六个领域,包括(1)先进通信技术,(2)量子科学与工程,(3)时间与频率计量,(4)先进材料表征,(5)精密成像,(6)激光和光电子。Dowell博士随后强调,NIST在微电子领域有着悠久的历史和广泛的目标投资组合,涵盖了许多领域。


Dowell博士后来转而针对《美国芯片法案》发表演讲。对美国芯片基金的战略进行了概述,包括它将如何支持三项不同的举措:(1)对尖端制造业的大规模投资;(2)成熟和当前一代芯片、新技术和专业技术以及半导体行业供应商的新制造能力;(3)加强美国研发领导地位的举措。对390亿美元的制造业激励和110亿美元的研发激励进行了区分,重点是研发资金和NIST计量科学部分的拨款。Dowell博士讨论了如何通过七个已确定的美国半导体制造业战略机遇,以多种形式寻求行业、学术界和政府利益相关者的广泛反馈,其中包括EUVL工作组会议等活动。


通信技术实验室(CTL)提供了一个材料计量的例子,在成为芯片研发计量项目主任之前,她曾担任运营部门主任,主要负责5G材料的标准参考材料(SRM)。作为计量学增强微电子元件和产品安全性的能力的一个例子,演讲强调了她与人合著的NIST SP1278文件。


在结束主题演讲时,Dowell博士向与会者介绍了2022年8月发布的NIST出版物,该出版物介绍了芯片相关的计量机会。此外,她的部门于2023年4月25日上午发布的一份文件概述了国家半导体技术中心的愿景和战略,描述了行业与NIST之间未来的互动方式。


美国国家标准与技术研究院材料计量实验室(MML)代理主任Stephanie Hooker博士在工作组会议上发表主旨演讲,欢迎与会者在下午会议前发言。Hooker博士重申了NIST的使命,并强调NIST最大的优势是其世界级领先的工程师和科学家的声誉。除了分享NIST的规模和能力外,还将重点放在NIST提供的测量服务上。测量服务包括1100多种标准参考物质(SRM)、约100种标准参考数据(SRD)产品、五个质量保证计划以及众多数据工具和登记册。还强调了文件标准,以及400多名NIST技术人员如何参与100多个标准委员会,并在许多国际标准机构担任领导职务。因此,参与标准化提高了美国在全球范围内的竞争力。她的演讲强调了NIST参与并正在扩展的关键技术领域,包括人工智能(AI)、量子科学、先进通信、先进制造和生物经济。Hooker博士最后介绍了一些既定的参与领域和与NIST合作的方式,包括本报告重点讨论的工作组会议、财团、CRADA和MTA。


这两篇主题演讲展示了工作组成员和NIST领导层之间的凝聚力和参与度,从而激发了当天活动中的讨论。


EUVL的技术方面

在工作组会议上介绍和讨论的EUVL的技术方面在这一章节将详细说明。以下三个部分专门讨论EUV光源模块(第2.1节至第2.3节)。然后,讨论了与EUV光相互作用的表征组件的现状和需求(第2.4节)。第2.4节中与EUV光相互作用的两个组件都与第2.1节到第2.3节有技术研究联系。最后,介绍了EUV光如何被用作半导体制造过程中分析组件的计量工具(第2.5节)。EUV光作为一种工具的计量方面与第2.2节中讨论的辐射测量有直接关系。这些章节在技术上很深入,展示了EUVL生态系统中运行的计量、光生成和半导体材料之间的相互关系。这里讨论的技术细节已经公开发布。尽管如此,将行业和NIST研究的技术专长和现状结合到一份报告中更有助于了解技术前景。报告中加入一部分参考资料,以补充提供相应的技术细节。


一、液滴发生器:极端条件下的热物理特性和建模


液滴发生器是EUVL扫描仪组件中的重要部件(图3)。液滴发生器控制进入EUV光源腔的材料的尺寸、速度和重复率,以通过产生13.5nm EUV光的CO2激光器进行电离。因此,必须可靠地输送液滴,才能产生EUV光,因为故障会影响所有下游组件,从而停止运行。液滴的典型直径为27μm,速度为80 m/s,重复频率为50 kHz。液滴发生器触发CO2激光脉冲的发射,使其被称为整个EUV扫描仪组件的“心跳”。


锡是EUVL应用中液滴发生器的工作流体,因为它在电离成等离子体时会产生特定的13.5nm波长的光。近几十年来,研究人员研究了锡以外材料的可能性,如氙和锂。安全性、成本和性能等因素已证明锡是EUVL制造应用中激光产生等离子体的最佳材料。在半导体制造中,除了锡之外,暂时没有其他材料能够进入EUV光源的公开路线图,因此在基础科学层面了解这种材料的投资将在近期和长期产生影响。该行业对单一材料源锡的定位,使其成为用于产生EUV光的复杂激光-物质相互作用所需的基本材料特性的理想选择。


液滴发生器的工作原理是将固体高纯度锡(>99.999wt.%)装入容器中,加热至其熔点(~232°C)以上。然后,通过高纯度气体(通常是氮气)将压力施加到容器中液体的一侧,使熔融锡通过过滤器流到另一侧的喷嘴。锡液滴的射流通常由产生机械振动的压电(PZT)晶体调制。第一代液滴发生器的示意图及其照片如图3所示。液滴位置稳定性𝜎 约为1μm。



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图3 锡液滴发生器的示意图(顶部)和照片(底部)。图片来源:ASML

液滴发生器在2021年取得了新的进展,具有同步再填充功能,如图4所示,在不中断下游EUV扫描仪性能的情况下减少了系统停机时间。这种新的液滴发生器设计,已经实现了超过3000小时的连续操作。

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图4 带同步再填充的锡液滴发生器示意图。

提高生产率以获得更高的EUV功率需要增加驱动激光功率(见第2.2节)和每秒更多的液滴。为了增加液滴频率,液滴发生器的压力需要增加,这反过来又会产生更大的液滴间距。这在概念上如图5所示。

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图5 液滴发生器的空间域示意图,具有不同的操作压力,以实现更高的EUV功率。

图片来源:ASML

目前,在高于大气压的压力下,熔融金属缺乏可靠的材料特性。标准数据的缺乏阻碍了对液滴发生器进行数值模拟的工作。科学家和工程师描述的当前做法包括从已发表的文献中寻找最接近的材料特性,并推断出粗略的估计值。然后,他们依靠在操作条件下对整个系统的经验观察来调整材料特性和操作参数之间的关系。一位行业发言人举了一个例子,说明设计如何需要平衡,确保工作流体(熔融金属)的温度足够高,可以处于液相,但也不能太高,无法熔化压电元件。


工作会上海介绍了目前NIST关于金属材料性能的计量资源,重点介绍了NIST合金数据库,该数据库是一个精心策划的数据库,包含金属(包括锡)的实验热物理性能。目前,由于材料基因组计划(MGI)的资助和热力学研究中心(TRC)的监督,整个数据库是免费的,并向公众开放。为了继续开发,可以将数据库转换为SRD,以便根据2017年通过的《美国标准参考数据法更新法》核算维护成本。能够为美国工业提供公正和专业验证的材料特性数据,可以为液滴发生器的操作提供富有成效的设计见解和创新。SRD在材料性能方面的优势已在国际上得到关注,韩国计量研究所最近的一份出版物证明了这一点。


NIST计量能力有用性的一个限制因素是适用于EUVL液滴发生器的高压下熔融锡的实验数据存在差距。液滴发生器中工作流体的材料特性决定了一种称为瑞利破裂的现象,这种现象会导致液滴形成并发生聚结。在过去的40年里,人们对这一现象进行了深入的研究。2011年,瑞士苏黎世联邦理工学院Rollinger等人的研究证明了熔锡液滴直径和速度的压力高达4MPa和频率高达100kHz之间的关系。中国研究人员于2023年发表的一份出版物显示了他们在研究领域的积极追求。


考虑到熔融锡的参考数据缺失,可以测量参考质量数据以填充数据库的新仪器将是有价值的。声速(SoS)是一种特别有用的材料性质,因为它可以与单个(T,p)点的密度和等压热容数据相结合,从而可以导出任何温度、T和压力下的密度、等压膨胀率和等压热容量的附加热物理性质。NIST的研究人员已经展示了制冷剂材料的SoS测量值。准确的SoS测量对于实现使用状态方程(EoS)对材料热力学特性建模的最终目标至关重要。在模拟精度上使用不同的EoS已被证明对即使是最简单的几何形状的精度也有显著影响。NIST目前正在开发一种仪器,用于在升高的压力和温度下测量SoS。SoS仪器是Elizabeth Rasmussen博士的国家研究委员会(NRC)金属增材制造博士后研究基金的一部分。该仪器的设计和操作已于2022年10月提交美国专利。新的金属SoS仪器是NIST现有仪器的扩展,该仪器在不太极端的温度和压力下运行。新仪器目前正在开发中,需要额外的专用资源来进行锡测量。


EUV对极端条件下熔融锡的传输特性数据(表面张力、粘度等)有额外的需求。满足这一需求将需要一种新的定制计量仪器和相关资源。SoS将具有世界级的计量能力,因此需要专业技能来执行设计、制造和操作。


一旦收集到数据,就可以在EoS中对其进行关联。这种传播的一个例子是热力学EoS。锡的传输特性目前有一个参考相关性,但没有参考EoS。锡传输特性的相关性与实验数据相差5-10%,并且仅在大气压下有效。这为先进计量带来了机遇。NIST在通过REFPROP(REFerential fluid PROPerties)计划创建制冷剂和天然气材料的参考相关性、EoS和SRD方面拥有专业知识,可追溯到20世纪90年代。因此,可以对金属进行类似的测量,特别是对锡,并将EoS开发为SRD,以实现高保真度模拟和数据驱动的EUVL开发。这种发展可能包括增加EUV发射和数字孪生创建,这将使参考材料特性、参考相关性和EoS成为可能。SRD或模型在美国工业中的传播可以通过NIST制定的SRD计划以可控的方式进行,如图6所示。目前,没有任何商业软件系统能够提供关于高于大气压的液相金属的精确或预测性模拟指导。从数据用户和模拟数据通道的角度来看,工作组的行业成员正在积极推进这项计量工作。

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图6 液态锡材料特性如何有助于数据驱动EUV光刻的液滴发生器操作的流程图。

除了在极端温度和压力下缺乏热力学和传输特性外,关于组件的结构和压电数据也很有限。这通过限制预测可能的材料不相容性的能力来限制液滴发生器的设计。学者们讨论了如何将新型高温(>300°C)压电材料作为当前设置的优势,一位成员提到并分享了Tittmann等人最近发表的一篇文章,即存在此类材料,但可用性较低,价格较高。因此,必须作出权衡。


金属液滴发生器存在于纯锡之外,几十年来一直用于焊接和制造金属增材制造粉末等应用,包括铅、锡、铟、铜、银和金合金。鉴于应用领域的成熟度,令人惊讶的是,在基本材料特性方面依然存在很大的知识差距。尽管EUVL以外的液滴发生器的使用不在工作组的范围内,但值得注意的是,该领域的发展也可能影响其他关键技术领域。


总之,重点对EUVL扫描仪组件内的液滴发生器进行了优化。明确了液滴发生器持续、可靠和精确操作的必要性,以及改进设计以提高EUV芯片生产的必要性。在测量高压下熔融锡的基本热力学和传输特性方面的计量进步,可以为材料特性创建参考相关性,并以SRD的形式传播。将SRD集成到模拟软件中可以实现液滴发生器的数字孪生模拟。因此,能够模拟液滴发生器的环境可以有助于当前设备的操作和未来设计的创新,从而实现High NA EUV扫描系统。


二、EUV生成的辐射测量


工业EUVL工具主要涉及两种类型的光:用于电离熔融锡(Sn)的脉冲高功率红外(IR)激光和用于光刻的13.5nm光。前者由专门制造的CO2激光器(λ=10.6µm)提供,以50 kHz的重复频率发射约30 kW(平均功率)。锡电离过程包括两个快速连续的红外激光脉冲:一个预脉冲将液滴从球体变平为圆盘,另一个主脉冲能量更高,用于电离。IR激光器的输出对于开发未来的光刻工具至关重要,因为“EUV功率缩放需要更高的CO2激光功率……”在实验室演示的600 W的当前商用光刻工具中,非相干13.5 nm EUV光的最大输出功率约为250 W。双脉冲系统如图7中的图表格式所示。


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图7 展示了在半导体制造过程中产生EUV光的两脉冲系统的(顶部)空间视图和(底部)时间视图。图片来源:ASML

NIST目前支持IR校准,但不支持商业EUVL所需的功率和脉冲条件。尽管NIST目前为微制造行业提供针对光刻的校准,但其波长仅为193nm和248nm。EUV波长范围内的校准是可能的,但仅在比EUVL工具产生的功率(毫瓦)低得多的情况下进行。在这些降低的功率下,NIST可以提供辐射硬化硅光电二极管和氧化铝光电发射探测器。在EUV中进行了其他光学特性测试,包括滤波器传输和空间均匀性测试。计量研究的机会是扩展NIST的校准能力,以覆盖输入IR激光、用于推断功率中游的EUV闪烁体和直接最终输出的EUV光,所有这些都是在与工业EUVL相关的条件下进行的。这将通过为关键工艺参数提供可追溯的计量,对半导体制造工艺的发展产生直接影响。此外,通过提供高保真度数据来验证EUV生成的模拟,对未来的EUV仪器开发将产生长期影响。


绝对辐射测量不仅对光刻工艺开发和仪器验收测试很重要,而且对EUV光生成过程的精确量化也很重要。这一过程的预测模拟滞后于EUV工具本身的开发。提高模型精度需要模型输入和输出的精确实验数据。在与工业EUV光产生相关的条件下开发特定于IR激光器和13.5nm光的新的辐射测量工具将提供这样的数据。


如果没有行业合作,就无法开发这些探测器,因为这里讨论的工业光刻工具是唯一能够产生这些探测器将要测量的光量的工具。考虑到与这些工具相关的知识产权数量,政府和行业代表的合作将非常重要。工作组会议上的初步讨论表明,如果没有保密协议的保护,行业不愿意讨论相关细节。由于这有时会给联邦雇员带来问题,因此应寻求双方都同意的解决方案,以便及时进行有意义的互动。


三、等离子体物理与建模:光与物质的相互作用


EUVL利用13.5nm的光子来生产集成电路。这种光的主要来源是用强大的激光产生的非常热的锡等离子体。调整激光参数以产生主要在13.5nm附近发射的锡离子(例如Sn 10+-Sn 15+)。虽然大多数等离子体特性都在大量实验中进行了探索,但可靠和有效的理论支持对于开发更好的锡等离子体源至关重要。在整个工作组会议期间,几次专题介绍涵盖了等离子体物理学的讨论,并将其合并为报告的一个领域。本节重点讨论等离子体物理学、当前技术计量状态以及美国工业界和NIST研究人员推进该领域的需求。


激光产生的锡等离子体的光发射的高级计算通常使用大规模碰撞辐射(CR)代码进行,该代码试图解释导致光子辐射的最重要物理过程。其中包括电子碰撞激发、去激发和电离、辐射、介电和三体复合以及自电离等等。此外,辐射传输和不透明度以及辐射流体动力学建模也变得非常必要。


等离子体建模也受到诸多限制,因为关于支撑物质相互作用的基本物理机制的信息有限。这可能导致支持更大批量制造的等离子体工程的进展是渐进的,而不是变革性的。过去,业界与政府的实验室合作伙伴一直试图了解并控制等离子体过程,并报告了他们的进展。来自业界的模拟专家还指出,复杂的模拟如何在不同的时间尺度上覆盖多个物理领域。等离子体建模在指导工程提高EUV光生成和效率方面的实用性存在悬而未决的问题。例如,对带外光子以及离子和电子的发射进行建模可以提供预测性见解,这将极大地提高芯片生产的效率。另一个感兴趣的领域是EUV光刻胶的光子、电子和化学相互作用,这是EUVL行业非常感兴趣的研究之一。因此,等离子体物理建模也适用于EUV光学元件。EUV光学器件和材料见下节(第2.4节)。


在过去的三年里,EUVL建模社区通过组织EUVL代码研讨会,启动了CR代码的长期验证计划。该方法是根据NIST原子光谱小组组织的一系列非局部热力学平衡(NLTE)代码比较研讨会建模的,该研讨会持续了25年多。因此,NIST的原子光谱小组(ASG)被要求开发一个新的EUVL数据库和现代比较工具,用于智能比较EUVL的CR代码。迄今为止,所述工作已在没有直接财政支持的情况下成功完成,最近两次欧盟虚拟实验室讲习班的参与者使用数据库和用户界面对其软件包进行了比较。尽管如此,未来的研讨会旨在分析需要对数据库和用户界面进行大量修改的新物理参数。因此,需要稳定的资金来支持这一研究领域的长期发展。


NIST研究人员报告的一个未来方向是研究更短的波长方案,主要基于多层反射镜的可用性。这将产生比锡更重的元素在更高电离态(所谓的“超EUV”)下产生的更短的光子波长。不幸的是,更广泛的研究界对20多次电离的高Z元素的光谱的了解是不够的。NIST ASG具有充分的实验和理论能力,可以为EUVL社区提供未来等离子体源最准确的光谱数据。为此,NIST电子束离子阱(EBIT)不仅可以产生电荷高达70+的离子,而且由于在该光谱范围内可以使用精密光谱仪,因此可以在EUV和软X射线范围内记录最准确和详细的光谱。NIST ASG团队还使用最先进的原子方法和代码进行高精度的大规模光谱计算。经证实的能力应满足EUVL对未来等离子体源准确数据的需求。应该注意的是,当行业代表被问及EUV的未来来源时,他们表示,在不久的将来,没有使用锡以外的原料的公开计划。


总之,行业利益相关者希望对锡等离子体进行建模,NIST正在进行的工作可能加大支持力度,但需要额外投资。此外,将任何代码集成到设计工程师和科学家的商业软件中,对于优化EUV芯片生产能力都很有价值。工作组会议上的讨论是技术性的,但应考虑如何将任何此类代码与商业合作伙伴整合,以确保美国公司的利益。最后,对等离子体和相互作用进行建模可以帮助减少碎片对EUVL组件的负面影响,这将在第2.4.2节中进行讨论。


四、与 EUV 相互作用的元件的表征


本节介绍 EUVL 扫描仪组件中与 EUV 光相互作用的两个组件:(1) 光刻胶和 (2) 收集镜。工作组的行业参与者提出了大批量制造 (HVM) 需求的总体主题。具体来说,HVM 的兴趣集中在提高使用 EUVL 制造的芯片的产量和良率上。NIST目前拥有的一些可能的计量解决方案将在第 2.5 节中介绍。


(1)光刻胶:聚合物表征


光刻胶加工对于半导体行业至关重要。所有器件元件和相关结构(从场效应晶体管 (FET) 中的通道到器件之间的电气互连)都需要光刻制造的纳米级图案。Rent规则指出,端子或互连的数量随着逻辑块或门的数量的增加而增加。这与单元级别有关,当标准单元缩小时,与单元的连接也需要缩小。这个概念如图 8 所示。

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图 8.需要单元宽度和单元高度缩放的带状 FET 的单元尺寸缩放趋势示例。

图片来源:英特尔、Gstrein 等。

业内人士强调,为利用新的电池架构和新颖的器件材料,需要积极地缩小间距。会议还讨论了实现新型细胞结构和材料的 HVM 的困难程度,其中产量是一个主要问题。例如,给定每个芯片 1010个触点,芯片良率(Yd =良品数/总数)至少为99%。就上下文而言,第三代英特尔酷睿处理器(四核)包含 14.8 亿个晶体管。在 99% 的良率下,148 万个晶体管将有缺陷——目标是 99.99996% 的良率或 6 Sigma (6 𝜎 )。良率必须非常好——良率完全取决于过程控制和缺陷。如果良率足够,制造 EUV 芯片的成本由生产率(吞吐量)决定。换句话说,更好的Pitch分辨率是必要的,但对于 HVM 来说还不够。


影响良率的主要工艺变化是边缘贴装误差 (EPE)。当光刻胶线条图案的边缘和侧壁显示出意外的纳米级不规则性时,就会发生这种情况。这些不规则性是随机的,通俗地称为线边缘粗糙度 (LER) 伪影。随着器件尺寸持续缩小,LER 伪影可能会严重影响尺寸控制,并且随机 LER 波动的幅度开始与线路图案公差竞争。LER 的控制对于提高器件性能和制造产量至关重要。LER 可能是由加工流程中的许多因素引起的,包括光刻和蚀刻步骤中的错误以及光刻胶化学中的纳米级变化。因此,EUVL 行业需要更好地了解 LER 的原因,以及缓解这些问题的新工具。


减少线/空间抗蚀剂校正误差的策略之一是通过定向自组装(DSA),因为它可以修复小于Pitch的缺陷。EUV + DSA 工作原理的示例如图 9 所示。一位行业成员在工作组会议上介绍了EUV、DSA 和自对准双图案化 (SADP)在 18 nm 和 21 nm 金属Pitch的协同组合的案例研究。

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图 9. 除了 EUV 光刻胶之外,使用定向自组装 (DSA) 如何改善系统和随机变异性的示例。图片来源:英特尔


总而言之,围绕 EUV 光刻胶的关键点是,单元尺寸缩小需要新颖的工艺架构、新颖的器件材料以及将互连间距缩小到 12 nm 的Pitch间距。如果芯片良率足够高,EUVL 半导体芯片成本主要受到生产率(吞吐量)的限制。成品率主要由导致边缘放置误差的随机工艺变化决定。金属氧化物抗蚀剂平台在紧密间距下显示出令人印象深刻的分辨率和缺陷性能,并且 DSA 从根本上改善了光刻胶的系统和随机变化。


最后,业内人士强调,当前的每一个过程变化都需要进行实验探索,NIST 计量能力和专业知识在这些活动中发挥着关键作用。具体来说,工艺变化实验探测的四个主要小节:


(1) 需要评估数千亿个特征之间的工艺变化,因此需要实验室规模的高通量方法,可能像高谐波发生 (HHG) 设备,这将在第 2.5.1 节中讨论。


(2) 抗蚀剂中随机缺陷的化学形态是一个不可或缺的工具——可以在同步加速器源中进行分析,这将在第 2.5.2 节中讨论。


(3) 需要在每个长度尺度上探测工艺变化,并且越来越多地在三维中探测。注意,这可以使用原子探针断层扫描(APT)技术来完成,这将在第 2.5.3 节中讨论。


(4) 在这些小长度尺度上,表面和界面占主导地位,因此不存在尖锐的界面。


当问及前景以及行业向研究界传达的信息时,一份需求清单被给了出来。对于光刻胶:(a) 具有更高量子数的新型光刻胶 (b) 光刻胶/底层特征和缺陷形成的起源 (c) MOx 光刻胶中随机缺陷的化学形态 (d) 有机光刻胶的光刻胶浮渣缓解策略 (e) 有机光刻胶的干式显影技术。随着 EUVL 制造从低 NA 过渡到高 NA 及以上,这种需求尤其重要,如图 10 所示。

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图 10:该图显示了随着 EUVL 制造中的数值孔径 (NA) 从低 NA 过渡到高 NA 甚至更高,如何需要新的光刻胶。图片来源:英特尔

对于Rectification校正,行业需求是(a)对粗糙度和缺陷进行与节距无关的校正,以保留目标布局,如图11所示,(b)具有高chi材料的新DSA分子,具有高选择性干法蚀刻和选择性渗透, (c) 3 吨 ABC 嵌段共聚物,以及 (d) 功能性嵌段共聚物和刷子(可光图案化、可交联等)。

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图 11. 该图显示了 DSA 如何不保留目标布局,因此需要对粗糙度和缺陷进行与节距无关的校正。

图片来源:英特尔

(2)EUV 收集镜:锡离子、蒸气和颗粒表征


大多数材料强烈吸收 13.5 nm 辐射,因此使用 EUV 光进行图案化带来了许多新的挑战。由于强烈的材料相互作用,这需要在真空中使用镜子而不是透镜来产生和引导光。初始等离子集光镜是凹形和椭球形的,等离子体在第一个焦点处产生。在第二个或中间焦点处,等离子光被引导至曝光工具(图 12)。整个收集区域的波长匹配和红外光谱过滤是多层收集镜的关键特性。

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图 12. 显示用近正入射多层反射镜收集的 EUV 概念的图表。图片来源:Versolanto

此外,产生足够数量的 EUV 辐射极其困难,因此必须努力确保镜子具有尽可能高的反射率和空间均匀性。此外,多层反射镜的反射率在光刻工具的操作期间必须保持高。光刻工艺涉及将图案暴露于光刻胶,光刻胶存储图案以供进一步处理(第 2.4.1 节)。EUV 辐射会导致光刻胶发生化学变化,从而产生挥发性化合物,这些化合物可能会通过真空系统迁移并吸附到表面上。尽管光刻胶会影响镜面,但这对于收集镜来说并不是主要问题。业内人士表示,影响收集镜的两种主要碎片类型是(1)直接来自等离子体的碎片,其中热量和动量传递到周围的缓冲H2气体中;(2) 在与任何表面碰撞之前,进入收集器的锡助熔剂,该助溶剂由 (i) 停止的离子的扩散、(ii) 锡蒸气和 (iii) 锡微粒组成。


目前用于保护收集镜免受碎片影响的方法是通过氢气流。约 100 Pa 的氢气缓冲气体会导致离子减速。氢气从收集器流出,这降低了原子锡在收集器上的沉积速率。H自由基与锡反应形成锡烷(SnH 4 ),可以根据方程式(1)所示的反应将其抽走。


Sn ( 𝑠 ) + 4H ( 𝑔 ) ⟶ SnH 4 ( 𝑔 ) (1)


在带有真空泵以去除热气体和锡蒸汽的容器中发生的抽气动作也有助于保护收集镜。此外,内部硬件会收集微粒。业界已对镜子的清洁进行了研究以解决污染问题。业界为提高收集器反射镜的使用寿命所做的努力已经取得了进展,特别是 2021 年的使用寿命超过 6 个月。


即使在保护 EUV 收集镜方面有了这些重大改进,业内人士仍表达了两个需求。首先,了解“光子和等离子体物质如何与 EUV 光源中的背景气体、光学和等离子体表面相互作用?”有限的知识差距包括次级等离子体及其相互作用、传输和光谱、等离子体辐射壁物理化学和等离子体诊断。其次,了解“锡会发生什么以及如何对其进行管理?”这里的知识差距包括锡污染、锡的氢自由基清洁、锡烷形成过程以及相关的热和质量传输和化学、小颗粒检测。


五、EUV 光作为分析工具


在工作组会议上,NIST研究人员讨论了关于使用EUV作为分析工具来协助半导体制造行业的三个主题。使用 EUV 光作为分析技术的三种方法是 (1) 高次谐波发生 (2) 同步加速器 (3) 原子探针断层扫描。高次谐波产生具有紧凑的占地面积,可以部署在研发和制造设施中,并可以连续获得在同步加速器光源上常规进行的深纳米级微电子器件的尺寸、材料和动态特性。同步加速器光源允许研究 EUVL 的许多方面,并具有研究收集镜退化的附加功能。原子探针断层扫描是唯一能够提供周期表中任何元素的亚纳米同位素分辨原子级元素图的 3D 化学测绘技术,这对于研究 EUV 光刻胶可能很有用。


业界就这些工具在协助 EUVL 制造方面的潜在用途提供了宝贵的反馈。NIST 法律委员会必须积积极主动地制定 NDA 请求的解决方案,以满足潜在合作者的需求,同时满足联邦工作人员提出的独特法律和行政要求,这些联邦工作人员被明确禁止让自己或组织承担任何外部合同的义务。


(1)高次谐波发生(HHG)


随着 EUVL 将光刻特征进一步推向深纳米级层次,微电子行业正在呼吁新的测量和计量技术。NIST 正在进行一项计划,利用 EUV 的短波长来探测深纳米级微电子器件的尺寸、材料和动态特性。NIST 的高谐波发生 (HHG) 光源是宽带(跨越 20-100 eV 光子能量)、超快(20 飞秒脉冲)和相干(类激光)光源。宽带光谱可以实现许多微电子相关材料中的原子核跃迁,从而揭示元素和层的特定测量。图 13 展示了这一点。这种测量通常在同步加速器光源下进行。然而,HHG 源的紧凑占地面积允许在研发和制造设施中部署并连续访问。图 14 显示了 NIST 物理材料实验室 (PML) 当前系统运行的照片,适合典型的实验室空间。

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图 13. NIST 高次谐波发生源的光子能量输出光谱以及相关材料中几个原子核心能级跃迁的位置。

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图 14. NIST 的 HHG 源及其附属仪器的照片。

短脉冲宽度能够动态测量自旋和热传输。最近的一项成功实验是开发了与 EUV 脉冲同步的频率梳发生器,其抖动优于两皮秒。图 15 演示了这种与 40 GHz 信号的同步。这比同步加速器所能达到的效果大约好一个数量级,并且允许我们在微电子设备的工作频率下进行测量。这使得能够实时测量功能器件内部和外部的热流和自旋传输。

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图 15. 采样示波器上的 40 GHz 信号。触发脉冲(红色)来自HHG系统中使用的脉冲,直接显示HHG和40 GHz信号的同步。


最后,光的相干性使得无透镜成像技术成为可能,例如相干衍射成像、叠层照相技术和全息术,可在 EUV 波长下提供空间分辨率。此功能将使 NIST 能够直接对功能设备进行成像。尽管这项工作不是NIST 完成的,但图 16 显示了将叠层记录术与反射测量法相结合,以横向空间分辨率测量硅中的掺杂剂分布的结果。这种方法可以对微电子中的界面和掺杂剂分布进行无损评估。

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图 16. 使用组合反射测量和叠层描记技术对掺杂剂分布进行 3D 纳米级表征的示例。图片来自 Tanksalvala 等人。


在工作组会议上,业界提到分析晶圆中的半导体元件来识别缺陷是多么有用。具体来说,Golani 等人最近展示了如何使用将光-结构相互作用模拟与光学系统模拟分离的模拟,并在后处理中执行后者,从而使许多光学配置能够在相对较短的时间内测试。Golani 等人的模拟使使用 Ansys 商业求解器完成,并展示了强大的数字孪生的使用。


(2)同步加速器:NIST 的 SURF III


除了 NIST 实验室规模的EUV光用于分析半导体元件的之外,Steve Grantham 博士在工作组会议上还介绍了 NIST 同步加速器紫外线辐射设施 (SURF III) 的大量资源。


当带电粒子沿弯曲路径行进时,会发射同步辐射。由于大多数加速器使用磁场来弯曲粒子轨迹,因此同步加速器辐射也称为磁轫致辐射。发射的光谱是从微波(驱动射频场的谐波)到 X 射线光谱区域的宽带。辐射是垂直准直和偏振的。如果电子能量 E、弯曲半径 ρ、电子电流 IB 、相对于轨道平面的角度 Ψ0 、到切点的距离 d 、垂直方向 Δψ 和水平方向接受度 Δθ 为已知,则可以计算同步辐射输出。SURF的输出功率如图17所示。

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图 17. 与 3000 K 黑体和氘灯进行相比,SURF 在 416 MeV、380 MeV、331 MeV、284 MeV、234 MeV、183 MeV、134 MeV 和 78 MeV 处发射的同步辐射光谱,。


反过来,NIST 的紫外线辐射小组将 SURF III 作为辐射测量和研究的稳定光源。SURF 涵盖从远红外到软 X 射线的波长范围。表 1 概述了 NIST SURF III 的当前功能和光束线的未来计划。业界指出,同步加速器光源不适用于大批量制造 (HVM) 环境中的 EUV 光源。尽管如此,同步加速器设施可能是有利的,因为它可以灵活地测试许多参数,以协助 EUVL 行业实现 HVM 目标,如本报告前面部分(2.2 和 2.4.2)所述。应该注意的是,某些波长系统的定义和术语会重叠并且可能不一致,因此应参考 ISO 21348 标准作为一般指南。

表 1. NIST SURF III 的同步加速器光束线当前能力和未来计划。

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工作组会议上给出了一个研究在存在污染和/或清洁物质的情况下用 EUV 辐射照明时镜子污染的例子。自 2000 年以来,NIST 一直是研究 EUVL 光学污染的领先中心,并研究了卫星常用滤光片的退化情况。最近,NIST 传感器科学部门对半导体制造应用进行了类似的研究。NIST 目前在两条光束线(光束线 1 和光束线 8)上拥有三个设施,专门用于光学污染的各个方面。研究污染的能力直接与本报告前面关于延长收集镜寿命的重要性的讨论相关(第 2.4.2 节)。需要支持来继续和发展现有设施,以支持半导体行业的下一代 EUVL 制造。


(3)原子探针断层扫描 (APT)


原子探针断层扫描 (APT) 是唯一能够提供周期表上任何元素的亚纳米同位素分辨原子级元素图的 3D 化学测绘技术。在图 18 中,给出了 APT 操作的图表,有关APT 的更多背景信息,请读者参阅该主题的最新综述。

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图 18. 位于科罗拉多州博尔德市 NIST 的原子探针断层扫描 (APT)(上)APT 操作示意图(下)照片。图像来源:NIST


商用 APT 仪器采用近紫外(NUV:3.5 eV)或深紫外(DUV:4.8 eV)激光辐射,其低于许多材料的功函数和大多数元素的电离能。因此,这些仪器很可能通过对所研究的样本进行大量加热来运行。事实上,对于有机材料的分析,来自 NUV 仪器的数据通常很复杂,显示出有问题的碎片模式、场蒸发过程中聚合的证据,以及无法直接解释为原子尺度图的结果。相比之下,EUV (20-90 eV) 辐射的能量足以电离样品表面的原子和分子,可能产生更小的、可直接解释的 碎片模式。NIST 的方法是将 EUV APT 应用于薄膜光刻胶的研究,以寻找可能导致光刻不规则性随机性质的纳米级成分波动,包括 LER。因此,EUV APT 代表了研究与光刻胶加工和成分化学相关的随机事件的关键计量学进步(第 2.4.1 节)。值得注意的是,这种方法以及前面第 2.3节中讨论的工作将比较 EUV APT 与传统 NUV 和 DUV APT 仪器之间的结果。



研究结果和建议


工作组会议的技术结果包含在第 2 节每个小节的末尾。提取关键特性的实验将促进建模和模拟技术的发展,从而推动半导体的高产量、吞吐量和规模化。NIST 拥有独特的 EUVL 实验计量技能和理论模拟程序。因此,工作组会议的行业与会者鼓励资助 NIST 提议的创建仪器或使用现有仪器向美国行业提供超准确数据的工作。在可能的情况下, NIST 科学家不应该只成为行业的设计工程师,而应该通过合作,将他们的领域知识与对 EUVL 的见解相结合,以实现互惠互利的结果。反过来,知识转让必须与资助的使命保持一致。工业界有方法支持国内利益,但 NIST 科学和管理领导人必须了解如何相应地调整任何新创造的竞争优势。应考虑已建立的受控传播方法,例如 CRADA、SRD 和 SRM。


从项目角度来看,工作组会议强调了 EUVL 的国际竞争格局如何导致需要保密协议 (NDAs) 才能与 NIST 研究人员进行深入的技术对话。因此,所有工作组会议参与者都建议简化 NIST 研究人员和行业之间的 NDA 流程,使项目启动后的周转时间少于 2 个月。应向 NIST 工作人员和管理层提供有关 NDA 流程的教育,以正确执行步骤。


最后,从这次工作组会议中,面对面互动的价值带来了富有成效的对话和可行的后续步骤。未来的利益相关者互动可以从工作组会议过渡到为研讨会再到联合会。随着手续的增加,成本(10,000 美元 - 100,000 美元以上)和工作量(40 - 200 小时以上)也会增加。因此,将未来的活动安排在经常参加的专业会议上,例如 SPIE 或美国光学协会 (OSA) 的会议,可以帮助减轻成本和工作量。