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NIST、高盛发布报告！极紫外(EUV)光刻的现状、需求和展望

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发布时间：2023-09-14

 

/目·录/

 

一、什么是EUV，它如何实现尖端芯片制造？

二、EUV相关技术详解

2.1. 液滴发生器

2.2. 用于产生EUV的辐射测量

2.3. 等离子体物理与建模：光-物质相互作用

2.4. 与极紫外光相互作用的组件

(i)光阻：聚合物表征

(ii)极紫外收集镜：锡离子、蒸气和粒子表征

2.5. 作为分析工具的极紫外光

(i)高次谐波发生器

(ii)同步加速器

(iii)原子探针层析成像

三、接下来会发生什么？

 

极紫外光刻(EUV)技术的进步正在改变计算机芯片的制造，而就在几年前，一些专家还认为这项技术无法投入生产。

 

高盛研究公司(Goldman Sachs Research)欧洲科技硬件和半导体首席分析师Alexander Duval表示，这些技术成果有望在本世纪末将目前价值6000亿美元的全球半导体产业推高至1万亿美元，为人工智能(AI)、高端计算和自动驾驶等技术进步提供动力。

 

要制造出体积更小、性能更强的芯片，所面临的工程挑战是巨大的。Duval指出，能够制造这些半导体的机器耗资约3亿欧元（约合3.3亿美元）或更多。

 

当今最先进的半导体光刻工艺使用EUV光源，特别是13.5纳米波长的光。超紫外光可以在半导体中形成更小的特征。据报道，EUVL系统目前耗资1.5亿美元，由ASML于2019年首次部署，并保持了100%的市场份额。迄今为止，ASML已经出货了三种不同型号的EUVL系统，即Twinscan NXE:3400 B/C和NXE:3600D，出货的NXE系统总数从2019年第一季度的31台增长到2022年第四季度的181台。

 

近期，美国国家标准与技术研究院(NIST)和高盛研究公司均发布了EUV光刻的相关报告，讨论了极紫外光刻(EUVL)的研究、开发和制造。旨在行业参与者了解相关研究进展、具有深刻的启发意义；反过来，行业领导者们也会更深入地了解了业界的需求，以确定相关计量专业知识在哪些方面可以协助EUVL研究。

 

几乎没有争议的是，EUV技术的发展将耗持续耗时多年——“这不是火箭科学，而是比火箭科学更难的科学。”

 

 
 
这项诺贝尔物理学奖级别的物理学和工程学的发展令人难以置信。
 
这项技术的基础是光刻技术，即用光线在半导体上形成印刷电路图像的过程：光刻是将平面设计转移到晶圆基底表面的一种图案化工艺，可形成晶体管和导线互连等复杂结构；其方法是通过复杂的多步骤工艺，将光敏聚合物或光刻胶选择性地暴露在特定波长的光线下。大约20年来，深紫外(DUV)光一直被用于创建这些图像。波长越小、电路越小，电路之间的空间也越小——即所谓的“间距(pitch)”。换句话说，波长越短，芯片越小。DUV波长为193纳米，而EUV和High NA波长为13.5纳米；因此，这是一个巨大的进步。
 
极紫外光由高纯度锡产生的高温等离子体产生。固体锡在液滴发生器内熔化，液滴发生器在真空室中每分钟连续产生300多万个27微米的液滴。平均功率为25千瓦的脉冲二氧化碳(CO2)激光器用两个连续脉冲照射液滴，分别使液滴成形和电离。最初会产生数千瓦的超紫外光，但由于光路沿途的吸收和散射损耗，只有一小部分能到达光刻掩膜。13.5纳米光的输出功率和光束质量是通过间接闪烁体相机测量推断出来的。多层集光镜系统将光线引向光敏聚合物或光刻胶，后者将图案转移到晶片上。通过持续流动的H2气体保护反射镜不受锡碎片的影响。每次曝光后，自动晶片台以=0.25 nm的分辨率定位晶片，每秒进行20,000次循环检查调整。
 
美国、欧洲和亚洲各国新建的超紫外制造设施推动了先进半导体制造业的发展。目前，唯一一家生产EUVL扫描仪组件的公司是位于荷兰的ASML。ASML向英特尔、台湾的台湾半导体制造公司(TSMC)和韩国的三星等公司出售 EUV扫描仪组件。然后，这些公司在其半导体制造设施中安装EUV扫描仪。EUVL系统并非完全在荷兰制造，而是由全球各地开发的许多模块组成，然后运往ASML荷兰总部进行最终组装和测试、再交付给客户。
 
值得注意的是，光源组件包括位于极紫外激光扫描仪组件中的光源容器，以及制造层以下的许多组件，包括激光计量、光束传输系统、驱动激光器及其辅助设备。
 
ASML EUVL装配的照片
 
ASML的EUV光刻机光源组件图
 
商用高通量EUV仪器的开发为大规模生产采用新型晶体管设计和芯片架构的先进微芯片创造了条件，微芯片制造的这一竞争优势也导致了对该技术的严格出口管制。具体而言，美利坚合众国(U.S.)工业与安全局(BIS)曾于2022年10月发布了一项规则(87 FR 62186)，其中就包括EUV范围内的紫外线光刻技术(b.2)。
 
ASML表示，EUV光刻技术的未来发展包括将数值孔径(NA)从0.33提高到0.55（“高 NA”）。高数值孔径可用于减少目前0.33 NA所需的多重分光步骤数量，从而分辨出更精细的几何尺寸。新NA平台的目标是提高晶圆和网罩状态的速度，以实现芯片的几何缩放。高NA系统预计将于2023年交付给客户，用于大批量生产的完整工艺平台预计将于2025年投入使用。
 
2023年初，ASML宣布他们创造了两项新的EUV功率记录：一小时运行600 W EUV发射，符合High-NA EXE:5200剂量稳定性规范；二小时开环运行700 W。与五年前的250 W相比，600 W的演示功率有所提高，实现了EUV的大批量生产。
 
 
超紫外光作为一种工具的计量方面与辐射测量有直接关系。相关技术细节将展示在超紫外光生态系统中运行的计量、光产生和半导体材料之间的相互关系。
 
1）液滴发生器
 
液滴发生器是EUVL扫描仪组件的重要组成部分。液滴发生器控制着进入超紫外光源室的材料的大小、速度和重复率，这些材料将被产生13.5 nm超紫外光的CO2激光电离。因此，必须可靠地输送液滴，才能产生极紫外光，因为故障会影响所有下游组件，导致运行停止。液滴的非典型直径为27 μm，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，因此被称为整个EUV 扫描仪组件的“心跳”。
 
锡滴发生器示意图（上）和照片（下）。
 
锡是超紫外激光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13.5纳米波长的光。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、成本和性能等因素已证明锡是超紫外激光制造应用中激光产生等离子体的上佳材料。除锡以外，目前还没有公开的半导体制造中EUV光源材料的路线图，因此，在基础科学层面投资了解这种材料将对近期和长期的未来产生影响。业界对锡这一单一材料源的关注，使得我们有必要投入更多精力，以了解产生用于产生EUV光的复杂激光-物质相互作用所必需的基本材料特性。
 
液滴发生器的工作原理是将固体高纯度锡（>99.999 wt.%）装入容器中，并加热至熔点以上（约232摄氏度）。然后用高纯度气体（通常是氮气）对容器中液体的一侧施加压力，使熔融锡通过过滤器流向另一侧的喷嘴。锡滴的喷射通常由产生机械振动的压电晶体(PZT)调制。
 
液滴发生器在2021年取得了新的进步，具备了线内填充功能，减少了系统停机时间，同时不会影响下游EUV扫描仪的性能。使用这种新型液滴发生器设计，已经实现了超过3000小时的连续运行。
 
锡液滴发生器内嵌笔芯示意图
 
要提高生产率以获得更高的EUV功率，就必须提高驱动激光器的功率和每秒更多的液滴。为了提高液滴频率，需要增加液滴发生器的压力，这反过来又会产生更大的液滴间距。
 
不同工作压力下的液滴发生器空间域示意图，以实现更高的超紫外功率
 
现在还缺乏熔融金属在大气压以上压力下的可靠材料特性。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。科学家和工程师目前的做法是从已发表的文献中获取最接近的材料特性，并推断出粗略的估计值。然后，他们依靠在运行条件下对整个系统的经验观察来调整材料特性与运行参数之间的关系。
 
目前，也还没有商业软件系统能够提供有关大气压以上液相金属的精确或预测性模拟指导。
 
液态锡材料特性如何帮助液滴发生器在数据驱动的EUV光刻中运行的流程图
 
除了缺乏极端温度和压力下的热力学和传输特性外，有关组件的结构和压电数据也很有限。这限制了液滴发生器的设计，无法预测可能出现的材料不兼容性。除了纯锡之外，还有金属液滴发生器，几十年来一直用于焊接和为金属增材制造制造粉末，包括铅、锡、铟、铜、银和金的合金。
 
鉴于该应用领域的成熟度，在基本的材料特性方面还存在很大的知识差距。虽然液滴发生器在超紫外激光以外的应用不属于工作组的工作范围，但了解到这一领域的发展也会影响到其他关键技术领域。
 
总之，优化超紫外激光扫描仪组件中的液滴发生器仪器得到了强调；能够模拟液滴发生器的环境将有助于当前设备的运行和未来设计的创新，从而实现高核燃料EUV扫描仪系统。
 
2）用于产生EUV的辐射测量
 
工业级超紫外激光工具主要使用两种光：用于电离熔融锡(Sn)的脉冲高功率红外(IR)激光，以及用于光刻的13.5纳米光。前者由专用CO2激光器(λ = 10.6 µm)提供，以50 kHz的重复频率发出约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形变为扁平的圆盘，另一个能量较高的主脉冲用于电离。红外激光器的输出对于开发未来的光刻工具至关重要，因为 “EUV功率的扩展需要更高的CO2激光器功率......在目前的商用光刻工具中，非相干13.5 nm欧紫外光的最大输出功率约为250W，实验室中的演示功率为600W。
 
双脉冲系统在半导体制造过程中产生极紫外光的空间视图（上）和时间视图（下）示意图
 
绝对辐射测量不仅对光刻工艺开发和仪器验收测试非常重要，而且对准确量化极紫外光产生过程也非常重要。对这一过程的预测模拟滞后于超紫外工具本身的发展。要提高模型的准确性，就必须获得模型输入和输出的准确实验数据。在与工业EUV光生成相关的条件下，开发专门针对红外激光和13.5纳米光的新辐射计量工具将提供此类数据。
 
开发这些探测器离不开业界的合作，因为只有这里讨论的工业光刻工具才能产生这些探测器要测量的光量。鉴于这些工具涉及大量的知识产权，政府和工业界的代表必须通力合作。
 
3）等离子体物理与建模：光-物质相互作用
 
超紫外激光利用13.5纳米光子生产集成电路。这种光的主要来源是用大功率激光器产生的非常热的锡等离子体。通过调整激光参数，可产生主要在13.5纳米附近发光的锡离子（举例：Sn10+-Sn15+）。虽然大多数等离子体的特性都是在大量实验中探索出来的，但可靠且经过验证的理论支持对于开发更好的锡等离子体源至关重要。
 
对激光产生的等离子体的光辐射进行高级计算时，通常使用大型碰撞辐射(CR)代码，这些代码试图解释造成光子辐射的最重要的物理过程。过程包括电子撞击激发、去激发和电离、辐射、介电子和三体重组以及自电离等等。此外，辐射传输和不透明性以及辐射流体动力学建模也可能是必要的。
 
等离子体建模也受到限制，因为有关物质相互作用的基本物理机制的信息有限；这可能会导致等离子体工程在支持大批量制造方面的努力是渐进式的，而不是变革式的。过去，工业界与政府实验室合作试图了解并控制等离子体过程，并取得了成功。来自工业界的模拟专家也指出，复杂的模拟如何在不同的时间尺度上涵盖多个物理领域。
 
关于等离子体建模在指导工程设计以提高EUV光生成和效率方面的实用性，还存在一些未决问题。例如，对带外光子以及离子和电子的发射进行建模，可以提供预测性的见解，从而大大提高芯片生产的效率。另一个值得关注的领域是超紫外光阻剂的光子、电子和化学相互作用，这也是超紫外光行业正在进行的研究。
 
因此，等离子体物理建模也适用于超紫外光学元件。
 
4）与极紫外光相互作用的组件
 
本节涉及与EUV光相互作用的EUVL扫描仪组件的两个部件：(i) 光阻和 (ii) 集电镜。 具体而言，HVM的兴趣集中在提高使用EUVL制造的芯片产量和良品率上。
 
- 光阻：聚合物表征
 
光刻胶加工对半导体行业至关重要。从场效应晶体管 (FET)的沟道到器件之间的电气互连，所有器件元件和相关结构都需要光刻制造的纳米级图案。利特尔法则指出，终端或互连的数量随着逻辑块或门的数量而增加；这与单元级有关，当标准单元缩小时，与单元的连接也需要缩小。
 
带状场效应晶体管的单元尺寸缩放趋势示例，其中需要缩放单元宽度和单元高度
 
业内人士强调，要利用新型电池架构和新型器件材料，就必须积极扩大间距。其中产量是一个主要问题：例如，假设每个芯片有10^10个触点，芯片良率至少为99%。在这种情况下，一个第三代英特尔酷睿处理器（四核）包含14.8亿个晶体管。如果良品率为99%，则有148万个晶体管存在缺陷——目标是99.99996%的良品率或6σ。良品率必须非常高，而良品率就是流程控制和缺陷。如果良品率足够高，那么制造EUV芯片的成本就取决于生产率（吞吐量）。换句话说，对于HVM而言，更好的间距分辨率是必要的，但还不够。
 
影响良率的主要工艺变化是边缘贴装误差(EPE)。当光刻胶线图案的边缘和侧壁出现意外的纳米级不规则时，就会出现这种情况。这些不规则现象是随机的，俗称线边粗糙度(LER)伪影。随着器件尺寸不断缩小，随机LER波动的幅度开始与线型公差竞争，LER伪影会严重影响尺寸控制。
 
控制LER对于提高器件性能和制造良率至关重要。LER可由加工流中的多种因素引起，包括光刻和蚀刻步骤中的错误以及光刻胶化学成分的纳米级变化。因此，EUVL行业需要更好地了解LER的成因，并需要新的工具来缓解这些问题。
 
减少线/空间抗蚀剂整流误差的策略之一是定向自组装 (DSA)，因为它能修复小于间距的缺陷。上图举例说明了EUV + DSA的工作原理。
 
概括而言，有关EUV光刻胶的要点是，要扩大单元尺寸，就必须采用新颖的工艺架构、新颖的器件材料，并积极扩大互连间距，将间距缩小到12纳米。如果裸片良率足够高，EUVL半导体芯片成本主要受限于生产率（吞吐量）。产量主要取决于导致边缘贴装误差的随机工艺变化。金属氧化物光刻胶平台在间距较小的情况下显示出令人印象深刻的分辨率和缺陷性能，而DSA则从根本上改善了光刻胶的系统性和随机性变化。
 
当被问及前景以及工业界对研究界的信息时，业内人员提供了一份需求清单。在光阻方面：(i)具有更高量子产率和更高对比度的新型光阻；(ii)光阻/底层表征和缺陷形成的原因；(iii) MOx光阻中随机缺陷的化学特性；(v) 有机光阻的光阻浮渣缓解策略；(vi) 有机光阻的干显影技术。随着EUVL制造从低氮过渡到高氮及更高阶段，这一需求尤为重要。
 
示意图显示了当EUVL制造中的数值孔径(NA)从低NA过渡到高NA甚至更高时，如何需要新的光刻胶
 
技术的发展是渐进的，而不是革命性的
 
在整流方面，行业的需求包括：(i) 与间距无关的粗糙度和缺陷整流，以保持目标布局；(ii) 具有高选择性干蚀刻和选择性浸润的高驰豫材料的新型DSA分子；(iii) 3吨A-B-C嵌段共聚物；(v) 功能性嵌段共聚物和刷子（可光图案化、可交联等）。
 
图示DSA无法保留目标布局，因此需要对粗糙度和缺陷进行与间距无关的修正
 
- 极紫外收集镜：锡离子、蒸气和粒子表征
 
由于大多数材料都会强烈吸收13.5纳米的辐射，因此使用EUV光进行图案制作带来了一系列新的挑战。这就要求在真空中使用镜子而不是透镜来产生和引导光线，因为材料之间会产生强烈的相互作用。初始等离子体光收集镜为凹面椭圆形，等离子体在第一个焦点产生。在第二个焦点，即中间焦点，等离子体光被引向曝光工具。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主要特点。
 
利用近正常入射多层反射镜收集EUV的概念示意图
 
此外，产生足够数量的极紫外辐射极其困难，因此必须努力确保反射镜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必须在光刻工具运行期间保持较高水平。光刻工艺包括将图案曝光到光刻胶上，光刻胶存储图案以便进一步处理。超紫外线辐射会导致光刻胶发生化学变化，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在表面上。虽然光致抗蚀剂会对镜子表面产生影响，但这对收集镜来说并不是主要问题。业内人士指出，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，热量和动量会转移到周围的缓冲H2气体中；(2) 在与任何表面发生碰撞之前，进入收集器的锡通量包括：(i) 扩散停止的离子；(ii) 锡蒸气；(iii) 锡微粒。
 
即使在保护EUV集电镜方面有了这些重大改进，业界成员仍表达了两个需求。第一，了解光子和等离子体物种如何与超紫外光源中的背景气体、光学和等离子体表面相互作用？限制性知识缺口包括二次等离子体及其相互作用、透射和光谱、等离子体-辐射壁物理化学以及等离子体诊断。第二，了解锡会发生什么变化以及如何处理？这方面的知识差距包括锡污染、锡的氢基清洁、锡烷形成过程以及相关的热量和质量传输和化学、小粒子检测。
 
5）作为分析工具的极紫外光
 
将极紫外光用作分析技术的三种方法是：高次谐波发生器、同步加速器和原子探针层析成像。
 
高次谐波发生器体积小巧，可部署在研发和制造设施中，并可持续获取同步辐射光源常规执行的深纳米尺度微电子器件的尺寸、材料和动态特性。同步辐射光源可对超紫外激光的许多方面进行研究，还能对集电镜退化进行研究。原子探针层析成像技术是唯一能够提供元素周期表中任何元素的亚纳米级同位素分辨原子尺度元素图谱的三维化学制图技术，可用于研究超紫外光阻剂。
 
- 高次谐波发生器
 
随着极紫外光将光刻特征进一步推向深纳米尺度，微电子行业要求采用新的测量和计量技术。
 
NIST的HHG源及其附属仪器的照片
 
- 同步加速器
 
同步辐射是带电粒子以弯曲路径运动时发出的。由于大多数加速器都使用磁场来弯曲粒子轨迹，因此同步辐射也被称为磁-轫致辐射。发射的光谱范围很宽，从微波（驱动射频场的谐波）到 X 射线光谱区都有。辐射是垂直准直和偏振的。如果已知电子能量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、垂直角度Δψ和水平接受角度Δθ，就可以计算出同步辐射的输出。
 
与3000 K黑体和氘灯相比，SURF在416 MeV、380 MeV、331 MeV、284 MeV、234 MeV、183 MeV、134 MeV和78 MeV时发射的同步辐射光谱。
 
- 原子探针层析成像
 
原子探针层析成像(APT)是唯一能够提供元素周期表中任何元素的亚同位素分辨率原子尺度元素图谱的三维化学绘图技术。
 
原子探针断层扫描(APT)（上）操作示意图（下）位于科罗拉多州博尔德市NIST的APT照片
 
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，低于许多材料的功函数和大多数元素的电离能。因此，这些仪器很可能是通过对所研究的样品进行体加热来运行的。事实上，在分析有机材料时，NUV仪器的数据通常比较复杂，会显示有问题的碎裂模式、场蒸发过程中的聚合迹象以及无法直接解释为原子尺度图的结果。相比之下，超紫外(20-90 eV)辐射的能量足以电离试样表面的原子和分子，可能产生更小、可直接解释的碎片模式。
 
因此，在研究与光刻胶加工和成分化学有关的随机事件方面，EUV APT代表了计量学的重要进步。
 
 
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、高产能和规模化。在可能的情况下，科学家们不应成为行业的设计工程师，而应通过合作，利用他们的领域知识和对EUVL的见解，实现互利共赢。反过来，知识转让必须与资助的使命相一致。
 
高盛则表示，预计首批EUV机器将于今年年底出货，高NA EUV将于2025年交付。这些设备的订单数量已经达到了两位数——要知道，每台设备的价格是3-4亿欧元。这些买家都是非常有规模的公司，正在为一个有利可图的技术生态系统提供服务。虽然每台机器的价格昂贵，但他们获得的价值对其业务非常重要，而光刻的精确性对这些买家来说也非常值得。
 
我们看到的是演变，而不是革命。这个领域有很多资本，有很多创新。
 
这是一个令人惊叹的故事，对更广泛的技术领域的发展至关重要。人工智能的采用率还有待了解，但人工智能将推动技术的应用——这是生态系统中意义重大的一部分。
 
 
 
参考链接：
[1]https://www.goldmansachs.com/intelligence/page/euv-made-semiconductor-chips-will-enable-next-wave-of-ai.html
[2]https://www.nist.gov/publications/report-extreme-ultraviolet-euv-lithography-working-group-meeting-current-state-needs
 
 
 

 

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