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2017光刻及光掩模技术研讨会报道

发布时间: 2017-10-10 09:45:04   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

2017年9月11日-14日在美国加州蒙特利召开了2017光刻及光掩模技术研讨会,本报摘取部分光刻光源相关技术报道:

1、日本Gigaphoton公司的Takayuki Yabu等人发表了《250W高功率LPP-EUV光源的核心组件研发进展》的文章:

目前作者正在研发一种CO2-SN-LPP的EUV光源,该光源作为13.5 nm节点大规模生产的最有前景的技术方案,将使得半导体器件的特征尺寸结构迈入7 nm大关。该光源包含如下独有且原创的技术:15 ns短脉冲高功率CO2激光器、10 ps脉冲长度的预脉冲固体激光器、高可靠性的液滴发生装置、高精度的激光-液滴靶向系统以及采用了磁场技术的残渣消除系统。

本文介绍了250W高功率CO2-Sn-LPP EUV光源的核心组件研发进展。作者与三菱电气公司合作研发了多线短脉冲CO2激光振荡器和高增益横流CO2激光增益装置。更强的增益放大器将带来更高的输出功率,同时伴随着更短的激光脉冲长度。目前已经取得了100 kHz条件下超过20 kW的CO2激光输出功率和15 ns的脉冲长度的成果。对靶目标在CO2激光照射前进行预脉冲,可以取得超过4 %的转换效率。用于进行预脉冲的固体激光器可以产生不同于CO2激光器波段的激光,并具有更短的脉冲长度,这将形成更为理想的锡扩散态,并最终带来更高的转换效率。预脉冲固体激光器的特征波长为1.06 μm,脉冲长度为10 ps(FWHM),平均输出功率大于100 W。改进型的液滴发生装置由于减少了锡残渣的产生,所以可以生成尺寸更小、位置更加稳定的液滴,因而带来了更久的稳定运行时间。实际测量的液滴直径约20 μm,其位置稳定性优于±5 μm。同时,激光-液滴靶向系统也得到了优化改进。靶向系统具有若干个环路发射控制器,可确保位置稳定性和瞬时稳定性分别达到μm和ns级别,并为液滴和激光提供同步操作。改进型的测量系统也有助于提升靶向的准确性。磁性锡残渣清理系统最大化地延长了EUV收集器镜面的使用寿命。强磁场有助于锡离子的分离,并使锡残渣加速排离管腔,因此减少了锡残渣在EUV收集器镜面上的沉积,从而防止了镜面发射性能的下降。导致残渣生成造成镜面污染的另一个因素是靶向误差。新型的靶向系统具有更精确的靶向控制,从而也减少了EUV收集器镜面反射性能下降的速率。

目前作者正在搭建一台面向大规模生产的新型高功率LPP-EUV光源,由功率超过25 kW的CO2激光器驱动,并搭配三菱电气制造的增益放大系统。本届大会上,作者将报道新系统的性能情况以及现有系统的更新数据。

2、美国伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校的Gianluca A. Panici等人发表了《EUV光源中次生等离子体的研究》的文章:

本文详细研究了EUV光源中所产生的寄生或次生等离子体。随着高密度、高温的等离子体在周围气体中运动,气体中发生了能量转移和离子化的过程,产生了另一种低温等离子体,并在最初的等离子体消散后继续留存。在有泵浦装置的情况下,低温等离子体具有数量级尺度的更长寿命。这些次生的等离子体将会影响光源从残渣清除到度量学上的诸多关键性能指标。

一台XTS 13-35 DPP EUV光源被用于从初生等离子体的光子、离子、电子的角度来研究次生等离子体的形成过程。使用COMSOL进行模拟仿真,预测了次生等离子体的密度情况,并提出了其形成过程的力学解释。最终得到的仿真结果包括径向、轴向和压力扫描的情况。

在XTS 13-35光源中对初生等离子体与周围气体间的反应情况进行了实验测量。通过对电子密度和光子减弱情况的时间分辨测量,准确评估了初生等离子体与周围气体间主要粒子的力学反应情况。研究给出了这些时间分辨测量的径向、轴向以及压力分布情况,并与仿真结果进行对比。

3、韩国汉阳大学的Eun-Sang Park发表了《500 W级光源的极紫外薄膜技术的热应力分析》的文章:

极紫外薄膜技术可以保护掩模不受缺陷的影响。然而,EUV掩模薄膜由于其对EUV波长光的高吸收特性而易变形。因此,需要在薄膜的两侧包裹高辐射率的金属材料,降低热应力从而延长EUV薄膜的使用寿命。在早前的工作中,包裹有钌(Ru)的硅质薄膜在250 W的光源条件下具有30 MPa的热应力水平。然而,为了实现3 nm或更小节点的面向大规模制造的工艺,需要采用500 W以上功率水平的光源。据报道,目前有3种性能较好的EUV薄膜,因此作者在500 W功率条件下对其进行实验测量。

基于p-Si的B4C涂层的薄膜的热应力为52.6 MPa,其EUV透射率为92 %。该结果表明其热应力相对于250 W低功率光源时的水平几乎翻了一倍。然而,如果考虑p-Si材料的张力上限,即1~2 GPa,那么对比起来这些热应力的增加将不会显著影响材料寿命。第二种结构是基于石墨烯的B4C涂层薄膜。这种薄膜材料组合的热应力为137.9 MPa,EUV透射率为82 %。该热应力水平也远低于石墨烯材料的张力上限(130 GPa)。最后一种考虑的结构是基于硅核的5层薄膜体。两侧均包裹2 nm的钌(Ru)和0.5 nm的SiO2材料。将SiO2包裹在Ru的表面。实验测得的热应力为32.6 MPa,透射率为89 %。该结果同样比硅材质的伸缩张力上限小得多。结果显示,金属包裹结构的薄膜同样适用于500 W的EUV光源工况。

4、瑞士苏黎世的Marco M. Weber等人发表了题目为《基于液滴LPP EUV光源提升面向大规模生产的EUV掩模产率及空白检测效率》的文章:

在苏黎世联邦理工学院能量转换实验室(LEC)中的应用激光等离子体科学装置(ALPS)上,研究人员的主要研究方向是液滴激光等离子体光源在光化学空白掩模检测方面的应用。高亮度、高稳定性的EUV光源是确保面向大规模生产用途的EUV掩模和空白检测应用的关键。EUV出射光的清洁度和系统可用性也是十分关键的技术指标。

一种双周对称型EUV功率测量装置被用于在轴向31°、60°、75°和90°分别测量脉冲间的EUV光源发射功率。这些测量包括脉冲间激光功率、液滴位置稳定性、时间稳定性和液滴尺寸数据。因此,对角向各异的EUV出射情况同时从垂直方向和掠入射方向进行标定。这些测量数据被用于调校不同的激光器和液滴参数,以产生均匀的或是各向异型的EUV功率输出。

通过一台ICCD摄像头配合YAG:Ce闪烁屏对等离子体光源进行成像,证实获得了光化学掩模检测所需的脉冲间的高可重复性和高稳定性的等离子体形状。这种闪烁屏采用锆(Zirconium)进行包裹,确保EUV频段的窄带光能够通过,并在纳秒尺度上对EUV光源的发射情况进行可视化。

进一步地,使用一台软X线小孔摄像机对EUV等离子体位置稳定性和EUV光源的亮度进行长期测量。光源尺寸、亮度和位置稳定性的长期测量结果与激光功率、液滴位置稳定性和瞬时稳定性直接相关。

所有测量结果的数据被用于调校液滴EUV光源的工作参数,以获得更好的稳定性和亮度,从而满足光化学掩模和空白检测应用的严苛需求。液滴LPP EUV光源被进一步自动化处理,用于新调试完成的EUV光源优化区域,以提高面向大规模生产的EUV掩模和空白检测领域的产率和系统可用性。此外,将通过数据展示整机系统可靠性的提升和成本的削减。

5、荷兰阿斯麦尔ASML公司的Jo Finders等人发表了题目为《从物理衍射角度进行的原理性EUV光源优化》的文章:

光源优化对于光刻界而言是一项十分基础的课题。通过优化掩模处的入射角,可以调制掩模和投影物镜组合中发生的衍射过程。因此,离轴照明技术作为近20年来推进k1因子迭代的关键技术之一,使得光刻分辨率从k1=0.5向k1小于0.3的水平迈进。在本研究所用到的简单结构中,衍射图样包括可被投影物镜(部分地)采集到的有限数目的衍射级次。在不考虑掩模3D效应的前提下,照明光源优化的目标是使投影物镜获得的光线数量最大化。这常常会需要很大的离轴照明强度。图样的对称性反应在光源形状上:矩形接触孔会带来四极型照明,交错的CH排列会带来六极型照明。

l  在EUV光刻中也是类似的参数结构。然而,相比于早期的光源优化,又有一些本质上的不同之处:

l  照明光瞳中,主光线夹角将会提升关于方位角的对称性。因此我们要求光瞳具有(轻微的)非对称性,照明光瞳的顶部与底部具有不同的密度分布。

l  多层间的反射改变了衍射级次的强度,导致特定入射夹角的光具有很大的强度和一些特性(例如两条沟状结构)。这将带来对特定入射角的特异性选择,以及光瞳中的特殊结构。

l  掩模的3D效应带来强烈的相位效应,并导致每个入射角条件下都发生空间像的平移。为避免掩模3D衰减效应,最好采用单一入射角。在光刻机中,这将使照明参数集中在sigma=0处附近。

作者将研究一系列简单的测试结构的衍射情况:双沟结构、矩形结构以及交错型接触孔结构,半随机接触孔结构。对于接触孔结构,将根据空间像的对比度信息,推导出最优的照明方式。空间像对比度将影响接触孔结构的局部特征尺寸均匀性以及光栅型结构的线宽粗糙度。对于所得到的光源照明形状,可以从衍射级次中的相位、光强效应来理解。这种理解方式对于研究掩模3D效应和投影物镜组相互间的作用十分有效。

因此,“最优光源”便是单一照明结构以及单个参数(即空间像对比度)优化的理论极限。由此推导出的照明光源相比于传统参数的照明方式,具有10-20 %的对比度提升、更低的辐射剂量以及更高的照明效率。此外,最优照明的形式将不再完全反映光刻图样的对称性。

6、日本Gigaphoton公司的Hakaru Mizoguchi等人发表了题目为《具有长收集器镜寿命的面向大规模半导体制造的高功率LPP-EUV光源》的文章:

Gigaphoton已开始对CO2-Sn-LPP EUV光源的研发,该光源是13.5 nm节点面向大规模制造的EUV光刻所需的高功率光源最有前景的解决方案。其特色和原创的技术包括均已在Gigaphoton公司展开研发:脉冲CO2激光器和Sn液滴装置的组合设备、双波长脉冲激光靶向系统磁场残渣清理系统。Gigaphoton已经在2014年研发出了第一台面向大规模生产的实用光源装置“GL200E”。 Gigaphoton已经与三菱电气公司合作开发出了输出功率超过20 kW的高平均功率的CO2激光器。Pilot#1机型目前正在运行中,其展示出了面向大规模生产的能力;在2016年10月的长达22小时的运行测试中,达到111 W的实测功率(95 %的运行时长,长期稳定在117 W),转换效率为5 %。最近,Gigaphoton展示了在长达143小时的运行中,取得113 W的长期稳定功率(平均功率85 W,75 %的运行时长)的测试结果,转换效率为5 %。同样是在Pilot#1系统上,测得了64 %的可用性,闲置时长为25 %。可用性预计达到89 %(2周测试的平均值),同时还展示了利用超强磁场的残渣清除功能,使用虚拟镜片在100 W的功率水平下,得到的镜面衰减速率预计在0.5 %/Gp。

7、日本高能加速器研究机构的Hiroshi Kawata等人发表了题目为《实现用于大规模生产的EUV-FEL高功率光源的挑战》的文章:

1 kW级别的高功率EUV光源对于实现3 nm节点技术而言十分关键,这项节点技术预计将在2023-2024年投产。为此,基于能量回收加速器(ERL)的自由电子激光器(FEL)成为最有潜力的技术选型,因此作者从加速器技术的角度进行了可行性研究。为了实现高功率EUV-FEL光源,同样需要认清产品需求以及与自由电子激光器相关的技术难题。为此,去年作者参加了许多会议和工作坊以了解这些细节,同时作者也在东京举行了为期一天的“EUV-FEL工作坊”。您可以在如下网站中访问相关的演示资料:http://pfwww.kek.jp/PEARL/EUV-FEL_Workshop/presentaions.html

其中一项最重要的需求在于,减小EUV-FEL系统的尺寸。目前设计的EUV-FEL系统的总体尺寸大概在200 m × 20 m,其中具有一条160 m长的直线加速器,其加速能量和电流分别为800 MeV和10 mA。然而,从半导体厂商得到的消息表示,改尺寸的光源对于大规模集成电路工厂而言过于庞大,因此必须找到缩减加速系统尺寸的解决方案,以控制其在100 m范围内。由此,有如下一些挑战。

1)      增加超导射频腔中的场强梯度,以减小直线加速器的总长度。

2)      获取更高的Q值,以减少超导射频腔中更高场强梯度带来的损耗。

3)      使用更短周期的波荡器,以减少加速所需能量。

4)      使用双环加速系统,电子两次通过同一直线加速器以获取双倍能量,或将加速腔放置在加速环的两侧。

报告中将会介绍解决以上加速器技术难题的研究与设计方向。

8、美国山猫技术有限公司的Michael Feser发表了题目为《基于密集储存环FEL发射原理的1 kW极紫外光源概念》的文章:

EUV光刻技术早已被选定为下一代的光刻技术。然而,EUV光刻的实际大规模投产已被多项技术难题拖延了若干代技术节点之久,其中最多的难题与EUV光源性能相关。如今的EUV光刻投影机采用激光等离子体光源。它们的问题在于当功率很难超过300 W、可靠性以及杂质污染。自由电子激光(FELs)被认为是EUV光源的一种替代技术。基于加速器技术的光源,其优点在于加速器技术的成熟度较高、不受残渣污染影响以及较高的光源功率。工业界未采用该技术的原因在于,若要达到经济效益可行性要求,则每条线性FEL光源需要配备10台光刻设备,且系统面积过大,并伴有次生辐射。在新提出的采用密集储存环结构的稳定自由电子激光器概念中,以上所有的问题将得到克服。在1 kW输出功率条件下,其与LPP光源具有相当的成本和装置面积,因此十分适用于单扫描装置,并具有可观的可靠性,且运行时无需考虑污染情况。自由电子激光的发射,在控制自由电子激光器在饱和范围内且维持较低的平衡发射率和环形能量分布的情况下,是具有可持续性的。

9、瑞士苏黎世的Markus Brandstätter等人发表了题目为《经济适用性提升的用于大规模生产EUV掩模和空白检测的液滴LPP光源》的文章:

EUV掩模装置的关键部件包括光化学AIMS和结构检测,其对于EUV光刻的大规模投产至关重要。掩模薄膜的引入进一步使得光化学光源成为重要需求。高可用性、高亮度的EUV光源被用于增加AIMS和结构检测系统的效率。

最初的反射型EUV收集镜组受制于过多的离子、中子及液滴碎片形式的残渣,影响了光源的使用寿命。提升残渣的清除能力将减少反射性能的衰退,由此提升光源的经济适用性(CoO)。

优化残渣清理策略的关键在于评估和定量有害的等离子体碎片。在目前的研究中,对由激光辐射液滴靶所产生的高能粒子包括离子、中子进行空域、时域分析,并提出一种中间压力体系的解决方案。在本工作中,讨论了这些离子、中子流对收集镜组的影响。通过在液滴辐射位置上提供新的微米尺度的液滴靶目标,可以得到液滴位置关于激光聚焦区域变化的确定的变化关系式。通过控制系统动态改变液滴相对于激光聚焦区域的位置,对离子和EUV的传播方向进行研究。

最后,对LPP光源长期运行的表现进行评估。通过采用一种三层策略提升了残渣清理系统的表现,一种采用GI收集器结构的光源清洁度得到了提升。报告将会展示EUV反射性能衰减曝光测试的实验结果,并分析其对经济适用性的影响。

10、美国伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校的David N. Ruzic等人发表了题目为《用于光源清洁的表面波等离子体离子增强Sn清除技术的研究》的文章

一种用于将Sn(锡)从EUV收集器镜组上清除的氢等离子体清洁技术被详细研究。清理过程利用了氢离子基团和离子(在氢等离子体阶段形成)与Sn表层反应,形成SnH4后被抽走的原理。该技术被用于清理300 mm直径的不锈钢虚拟收集器镜片,而EUV的多层镜面反射特性在对Sn进行清理后得到了保留,证实了该技术的实用前景。

这种技术有助于显著减少系统维护时间并增加光源的可用性。因此,对锡残渣清理的基本过程进行了研究。实验显示,Sn的腐蚀速率随着表面氢离子能量的变化而变化。入射在表面的离子传递能量并削弱了Sn-Sn键,使得氢离子的化学腐蚀得以加速。因此,等离子体得以发生反应离子刻蚀(RIE)。实验结果展示了包括能量阈值在内的离子化学特性对刻蚀能力提升影响。

对等离子体方法的一种担忧在于,高能氢离子的多层金属化(MLM),其将降低反射率并带来气泡效应。随着表面波等离子体(SWP)的使用,其较低的离子能量一定程度上缓解了这种担忧。表面波等离子体相对于传统的光源有着较低的电子温度(约1-3eV)。此外,表面波等离子体光源具有10e11-12 cm-3量级的等离子体密度,可以在离子刻蚀应用上带来更大的提升。实验测量了大范围内的电子密度和氢基团密度,测量结果也将被展示。通过调节压力大小来展示基团刻蚀和包含离子的RIE刻蚀间的作用。30 mTorr – 1.3 Torr的压强条件下,测量了刻蚀速率的辐射状剖面,其峰值刻蚀速率在250 mTorr时达到94.9±4.6 nm/min。

常哲编译自; http://spie.org/conferences-and-exhibitions/photomask-technology--extreme-ultraviolet-lithography-2017

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