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面向大规模生产的EUV光刻性能:现状及展望

发布时间: 2016-10-10 14:27:59   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

荷兰ASML公司的Alberto Pirati等人在2016年的极紫外光刻会议上报道了面向大规模生产的EUV光刻性能:现状及展望,摘译如下:

(1)路线图

ASML公司的技术路线图力争在持续提升产品性能和产率的同时,通过配置升级来优化置产费用,以满足客户的需求。

图5  ASML公司EUV技术路线图(2016年2月)

目前,已有八套NXE:3300B系统投入使用,用于支持客户的研发周期,主要目标为7nm制程的逻辑器件。

作为第四代EUV系统的NXE:3350B机型,已经在2015年的下半年交付使用。ASML工厂已完成了总共五套设备系统的验收,这些系统都具备有16nm节点的制造能力,以及2.5nm的匹配套刻精度。该机型光刻机计划用于支持7nm和5nm节点逻辑器件的学习周期,以及DRAM相应的节点技术;其产率水平也使得NXE:3350B机型可用于客户的试生产。

为了实现在2018年开始大规模量产的目标,ASML的工厂正在整备NXE:3400B型光刻机。除了套刻精度和对焦能力的提升外,NXE:3400B的亮相还带来了新的光源,可支持低至20%的瞳面填充比。ASML提供了一套全面的升级路线,对应了从NXE:3300B至NXE:3400B的不同性能表现。以上所有的系统,即NXE:3300B、NXE:3350B和NXE3400B,均装配的是数值孔径NA为0.33的投影物镜。

未来,对不同技术类型光刻设备的研发仍在探索之中;其中一种方案是继续提升0.33 NA系统的性能和产率,而另一种则是探究数值孔径高于0.5的曝光系统所可能的应用前景。

(2)产率:支持客户的研发周期,为大规模生产做准备

目前,投入使用的NXE:3300B机型对于客户主要有两方面应用:一方面,用于器件研发的流片制造,以满足研发所需的学习周期;另一方面,用于测试产率和性能的表现,从而验证EUV光刻是否满足面向大规模生产的需求。在去年的SPIE会议上,TSMC(台积电公司)展示了超过每天1000片晶圆的生产能力。在过去的十二个月里,更多的客户测试了EUV光刻机的产率水平。与此同时,相同的工作也在ASML新推出的NXE:3350B机型上进行着。结果显示,多套光刻系统的测试结果表明,目前的产率超过每天1000片,且在ASML工厂的一台NXE:3350B机型上,单日的峰值产率已经达到了每天1386片。

图6  客户使用的机型和ASML的在厂机型的产率表现

产率峰值的提升固然重要,但更为重要的是能够在相当长的时间段内保持高的产率水平。若干家客户对NXE:3300B机型进行了此类高产率的稳定性测试。以每天近800片晶圆的产量水平进行为期两周的持续测试,其中最主要的测试结果如图7所示。

图7  为期两周的持续型产率测试,客户数据

NXE:3350B机型已经在多家客户处完成装调,而ASML也在Veldhoven的工厂对该型光刻机进行了产率的测试,在8天的时间内以平均每天近1000片晶圆的产率运行。

图8  ASML的在厂机型的产率测试

去年,产能的不断增加促进了光刻机产率的提升,最新的NXE:3350B机型达到了每小时75片晶圆的产率。

图9  产能随季度的变化趋势

而一旦125W规模光源投入使用,那么NXE:3350B光刻机将很快迎来产能的进一步提升。在ASML工厂中,使用独立式光源的机型已经通过了以125W功率运行的验收,并做好了量产的准备。

图10  NXE:3350B以125W功率运行1小时,曝光剂量参数为特定值

这些产率上的提升使得客户能够更快地进行流片来走完器件研发所需的学习周期,而根据这一速度,在写作此文的这段时间内,便可进行300,000片晶圆的曝光。

图11  客户处的NXE:3300B机型累计曝光的晶圆数

展望未来,ASML近期的一项针对测试光源的实验结果为光源功率向250W迈进增添了不少信心,而200W光源已满足在特定曝光剂量下的需求:

图12  EUV光源功率提升所取得的进步

(3)系统可用性:缩减计划停机时间,增加可预测性

产能的有效提升使得系统可用性的重要性越发明显。在过去的一年时间内,ASML将重心放在了增加光刻系统的可预测性上,而今年的工作也将继续以此为重心。

所有投入使用的光刻系统都已能保证70%以上的可用性,而关键的挑战在于能否创造一个适于长时间稳定工作的环境。

图13  NXE:3300B机型的最佳运行可用性

如图13所示,总停机时间或多或少都是由计划停机和非计划停机平均组成的。解决意外停机问题的主要手段是提升可靠性,如软件方面的升级。而计划停机则主要是为了维护两个部件的问题:液滴发生器和收集器。

其中液滴发生器由一个储锡罐组成,用于将锡加热至熔点之上。然后再通过充入惰性气体进行增压;锡通过过滤器到达喷嘴,利用机械振动的方法将液滴分离,液滴一旦遇到CO2激光束,便能产生EUV光线。液滴发生器正常工作的关键在于保持锡液滴生成所需的距离和位置。

在去年,得益于设计的改进,液滴发生器的运行时间翻倍延长。更多方面的提升正在ASML的实验室中进行测量;初步测试的结果稳固了720小时运行时长的目标,这相当于一个月的运行时间。

与此同时,相应的操作步骤、方法和培训也在不断跟进,以减少更换液滴发生器所需的时间。若以此为性能指标,那么总体的更换耗时已经实现了减半。

图14  液滴发生器运行时间和更换时间的改进

由于表面会不断积累锡残渣,以及因此导致反射性能的减弱,所以和液滴发生装置一样,收集器同样需要进行周期性的维护。对于EUV光源,在不断提升光源功率的前提下保持收集器的清洁程度是一项主要的技术难题;在过去的一年中,研究展示了在保持EUV光源功率提升的前提下持续降低杂质沉积速率的成果:

图15光源功率增加而收集器杂质沉积速率减小

(4)缺陷处理:对掩模板薄膜曝光方法的研究

近来,随着产率问题得到了改善,业界关注的重点随之转移到了对缺陷问题的解决上,而掩模缺陷问题则迅速成为了EUV项目的关键待攻克点之一。

ASML公司在消除缺陷领域的努力分为两套平行的方案:一是减少掩模缺陷的数量,二是通过引入掩模板薄膜结构来减少缺陷所带来的不良作用。

图16  掩模前面板缺陷数以10倍速的减小趋势

就减少前面板缺陷数而言,NXE:3350B机型沿用了之前的技术路线来改善掩模板的清洁度,使得检测到的缺陷数以每年10倍的速率减少。此外,减少掩模板附加缺陷的工作则依赖于掩模微环境(Reticle Mini Environment, RME)的应用。虽然这些进展都有很重要的意义,但目前ASML最主要的努力在于对高透射薄膜的研发和使用上。

在去年的SPIE会议上,ASML公司宣布其将带头为自己的客户开发EUV掩模薄膜并促使其投入使用,且从那时开始便为制造和测试第一块全视场薄膜做出了巨大的努力。作为与Intel公司合作的一部分,目前已使用全视场薄膜完成了近200块晶圆的曝光。该合作计划将持续到完成1000块晶圆的曝光为止。

图17  支持全视场薄膜技术的ASML和Intel工厂的合作情况

初步的检测结果表明引入薄膜结构对光刻性能的影响很有限:

图18  薄膜覆盖物对于套刻精度没有明显的影响;上图展示的是采用薄膜结构曝光对套刻精度造成的差异

(5)NXE:3350B机型优越的光刻性能

NXE:3350B属于第四代EUV光刻系统。NXE:3350B机型被设计用于支持16nm节点的生产工艺,具有2.5nm的匹配套刻精度,其全产能生产可支持客户完成7nm和5nm逻辑器件的研发学习周期。目前,已有五套NXE:3350B在ASML工厂通过了系统验收,且其中的一些已运往客户端正在进行装调工作。

图19  NXE:3350B机型主要新特性概览

NXE:3350B机型装配了一枚来自Zeiss的新型镜头。其具有更小的波像差,能带来所需的对比度减小,而相比于NXE:3300B机型,更小的光学传输损耗使得光源能量利用率得到提升。

图20  像差控制及光学传输特性的提升

特定参数下,不同系统的套刻精度和对焦性能的评估结果:

图21  NXE:3350B机型系统验收标准中套刻精度和对焦控制的结果展示

套刻精度稳定性已经在投产的NXE:3300B机型上得到了验证;其中的一项结果如图21所示,可以达到优于4.5nm的匹配套刻精度,且该结果在12个月的时间周期内以及不同的ArF浸没式系统和NXE:3300B系统中均维持稳定,即表明无需执行任何校准操作。

图22  基准数据展示了ArF浸没式系统稳定的匹配套刻精度

特定系统参数下,对16nm密线和20nm分隔区间的成像接受性测试同样表现良好:

图23  NXE:3350B机型的成像质量接受性测试结果

这些结果展现出了良好的应用前景,而光刻胶制造商在维持产能的前提下获取更高分辨率的不断革新同样重要。近来,ASML对于化学增益光刻胶和金属氧化物光刻胶的研发都取得了令人振奋的进展,这些结果将更好地支持16nm分辨率的全产能生产:

图24  近期NXE:3350B机型上的16nm节点曝光效果

作为下一代ASML的EUV光刻机NXE:3400B,装配有一颗瞳面填充比低至20%的光源;得益于新的光源和对准传感器,以及掩模台和工件台的其它提升,NXE:3400B将被特定用于13nm节点的光刻应用,其匹配套刻精度可在全产能运行的条件下达到2nm。

 

图25  NXE:3400B机型的主要新特性概览

在NXE:3350B机型上使用六极照明得到的初步结果表明,更低的瞳面填充率(PFR)带来了照明对比度的重要改善:

 

图26  低瞳面填充率使18nm交错接触式孔径阵列满足局部特征尺寸均匀性(LCDU),16nm孔径满足分辨条件

类似于在NXE:3350B上对16nm的线型和区块进行曝光一样,在维持高分辨率的同时要保证最大的产能将是NXE:3400B机型的主要目标之一。从这个意义上来说,近期利用金属氧化物光刻胶曝光所得的初步实验结果极具应用前景,其中20nm交错接触式孔径和13nm密线排列在曝光剂量为30mJ/cm2左右时满足分辨度要求:

 

图27  使用非化学增益光刻胶进行曝光的20nm密接触式孔径

 

图28  使用不同剂型光刻胶对13nm密线排列进行曝光的结果

(6)结论:EUV正为规模量产做好准备

作为第四代EUV光刻系统的NXE:3350B机型,目前正在不同的客户端进行安装调试。在ASML的工厂,已共有五套NXE:3350B系统通过验收,与前序机型NXE:3300B相比,其具有更优越的光刻性能和显著提升的产能。

无论是在ASML的工厂还是在客户端,都已有多套系统达到了每天超过1000片晶圆的曝光量;最新的单日曝光量纪录是在ASML工厂里的一台NXE:3350B机型上创造的,单日曝光数量达到了1368片。

随着80W配置的NXE:3300B已投产使用,而125W配置也已通过验收并准备在NXE:3350B机型上进行推广,我们有理由期待获得进一步超越目前每小时75片的曝光速度。

系统的可用性仍是ASML公司EUV项目的主要关注点;目前已有在平均4周的时间内维持80%可用性的表现,但仍需在可靠性、液滴发生装置和收集器等方面取得进一步的改进,而这些也是目前的工作之所在。

最后,近期在化学增益光刻胶和金属氧化物光刻胶剂型方面均取得了进展,这使得在NXE:3400B机型上实现全产能的13nm分辨率生产更近一步。

常哲编译自; Alberto Pirati.EUV lithography performance for manufacturing: status and Outlook. SPIE Vol. 9776, 97760A

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