asml公司的EUV光刻設(shè)備的光源技術(shù)研究

周勇 孫宏

摘要：EUV光源是EUV光刻裝置的核心部件，直接決定了光刻之后半導(dǎo)體芯片的線寬和生產(chǎn)效率。本文對(duì)ASM公司的EUV光源技術(shù)，改進(jìn)和反污染技術(shù)進(jìn)行來(lái)梳理。

關(guān)鍵詞：EUV光源；光刻；ASML；激光等離子體源

多年來(lái)，集成電路技術(shù)的發(fā)展始終是隨著光學(xué)光刻技術(shù)的不斷創(chuàng)新所推進(jìn)的。在摩爾定律的驅(qū)動(dòng)下，光刻技術(shù)經(jīng)歷了接觸/接近投影、掃描等倍投影、步進(jìn)投影、縮小步進(jìn)投影、步進(jìn)掃描投影曝光方式的變革，曝光波長(zhǎng)由436nm的h線向365nm的i線、繼而到248nm的KrF到193nm的ArF準(zhǔn)分子光源，而實(shí)現(xiàn)光刻進(jìn)步的直接方法，是降低使用光源的波長(zhǎng)，使用 193nmArF光源的干法光刻機(jī)，結(jié)合浸沒(méi)式與光學(xué)鄰近效應(yīng)矯正等技術(shù)，其極限工藝節(jié)點(diǎn)可達(dá) 28nm。到了 2010年后，制程工藝尺寸進(jìn)化到 22nm，已經(jīng)超越浸沒(méi)式 DUV極限，于是行業(yè)開(kāi)始導(dǎo)入二次圖形曝光工藝，以間接方式來(lái)制作線路。對(duì)于使用浸沒(méi)式+二次圖形曝光的 ArF光刻機(jī)，工藝節(jié)點(diǎn)的極限是 10nm。在從 32/28nm節(jié)點(diǎn)邁進(jìn) 22/20nm節(jié)點(diǎn)時(shí)，由于光刻精度不足，需使用二次曝光等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)備與制作成本雙雙提高，晶體管的單位成本首次出現(xiàn)不降反升。而極紫外光刻（EUVL）設(shè)備的高精度能幫助廠商減少光刻的工藝步驟，實(shí)現(xiàn) 7nm以下的晶圓量產(chǎn)[1]。

目前能夠生產(chǎn)的EUVL的只有荷蘭阿斯麥（ASML）一家，2017年EUVL設(shè)備采用13nmEUV作為光源，實(shí)現(xiàn) 13納米的線寬，并且采用磁懸浮系統(tǒng)來(lái)加速掩模及工作臺(tái)，吞吐量可達(dá)每小時(shí) 125片晶圓，目前，ASML在EUVL領(lǐng)域處于壟斷地位。

1EUV光源

工業(yè)上對(duì)于EUV光源的基本要求是：足夠高的帶內(nèi)極紫外輻射功率，對(duì)光學(xué)收集系統(tǒng)極低的污染以確保整個(gè)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。獲得EUV輻射光源主要有三種途徑：同步輻射源、氣體放電等離子體（DPP）和激光等離子體光源（LPP）。

同步輻射源是通過(guò)在真空中磁場(chǎng)能夠使電子在環(huán)形加速器中做高速循環(huán)曲線運(yùn)動(dòng)，在沿運(yùn)動(dòng)軌道切線方向產(chǎn)生電磁波。這種方法產(chǎn)生的電磁波具有寬波段、高準(zhǔn)直、高純凈、窄脈沖、高平行度、線偏振等優(yōu)點(diǎn)，但同步輻射本身龐大、復(fù)雜的裝置，昂貴的造價(jià)成本，缺乏靈活性，限制了其應(yīng)用到商業(yè)光刻設(shè)備上。

放電等離子體源是通過(guò)在高壓電極的陽(yáng)極與陰極之間充入流體，當(dāng)有強(qiáng)電流通過(guò)時(shí)會(huì)在其間形成環(huán)形磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)會(huì)壓縮并電離處于兩極之間的流體，從而形成等離子體，當(dāng)?shù)入x子體電子溫度達(dá)到足夠高時(shí)就會(huì)產(chǎn)生EUV輻射。放電等離子體源可以獲得相當(dāng)大強(qiáng)度的EUV輻射，但等離子體產(chǎn)生過(guò)程的同時(shí)會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生熱負(fù)荷和腐蝕，造成關(guān)鍵元件部分的損壞，并伴隨大量的碎屑，污染系統(tǒng)，很難維持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定工作，因此阻礙了其在EUV光刻中的應(yīng)用。

激光等離子體源是使用脈沖激光照射靶材，使其產(chǎn)生高能量等離子體。相比于其它產(chǎn)生方式，激光等離子體源具有更好的可控性和穩(wěn)定性，不僅能夠有效減少設(shè)備熱負(fù)荷，大幅度提高光源工作頻率，而且等離子體產(chǎn)生區(qū)域的空間穩(wěn)定性和尺寸均可控，雖然同樣存在碎屑的污染問(wèn)題，但較放電等離子體光源要清潔得多。而激光等離子體源本身體積小、亮度高并且可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)娜剂习胁暮涂刂频入x子體參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)極紫外等離子體光源輸出波長(zhǎng)的調(diào)諧，因此，是13.5nmEUVL的較為理想的光源。

2.ASML公司的EUV光源

ASML公司的EUV光刻設(shè)備采用的光源主要是放電等離子體源和激光等離子源；并在提高放電區(qū)的流體、降低放電元件的熱危險(xiǎn)、提高光源輸出功率、減少光源中存在的碎片、提高光譜純度等方便做了改進(jìn)。

1999年ASML提出了放電等離子體源的方案，如圖1所示，輻射源包括陽(yáng)極110和陰極120，其中陰極具有中空環(huán)形腔，具有圍繞輻射源的中心軸的環(huán)形孔123，沿陽(yáng)極和陰極之間的中心軸供應(yīng)工作流體，氣化的流體通過(guò)主噴射噴嘴163到達(dá)陽(yáng)極和陰極之間的間隙，陽(yáng)極和陰極之間高壓放電，電離并壓縮流體形成EUV等離子體。通過(guò)設(shè)置噴嘴，增加工作流體的密度和光源的重復(fù)頻率。

為了克服放電元件過(guò)熱的問(wèn)題，ASML公司提出設(shè)置多個(gè)放電元件，每個(gè)放電元件只工作很短的時(shí)間，交替工作，避免過(guò)熱的危險(xiǎn)，同時(shí)為提高轉(zhuǎn)換效率，將輻射源設(shè)置為低感應(yīng)系數(shù)，并運(yùn)行在自觸發(fā)的狀態(tài)。

在提高輸出功率方面，ASML公司提出設(shè)置聚焦鏡，將激光光束聚焦到等離子體產(chǎn)生位置，提高等離子體的轉(zhuǎn)化效率；通過(guò)將多個(gè)輻射源的輸出疊加來(lái)提高總的輸出功率。還提出了通過(guò)提高激光器的輸出功率來(lái)提高EUV光源的輸出功率，如在激光器中設(shè)置放大器，對(duì)其輸出功率進(jìn)行放大，并設(shè)置光學(xué)元件限定通過(guò)放大器的輻射的發(fā)散束路徑；將多個(gè)光纖激光器布置在光軸中，激光器發(fā)射的輻射指向光軸，并最終聚焦在輻射的共同焦點(diǎn)上，提高激光的總功率。

如何盡量減少光源中的污染物也是ASML公司的EUV光源的重要技術(shù)方向，主要采用施加電場(chǎng)捕獲碎片、箔阱捕捉碎片顆粒、采用氣體減緩裝置引導(dǎo)碎片、采用磁場(chǎng)引導(dǎo)碎片離開(kāi)收集器、采用氫根流清潔收集器反射鏡。施加電場(chǎng)捕獲碎片污染物，電壓源連接到污染物屏障，在這樣的電極與輻射源LA之間產(chǎn)生所需電場(chǎng)，去除由輻射源產(chǎn)生的污染物。具有箔俘獲的激光產(chǎn)生的等離子輻射系統(tǒng)，包括NI收集器（NI=法線入射）和箔俘獲，輻射源包括激光產(chǎn)生的等離子體源，NI收集器使輻射兩次通過(guò)箔俘獲，防止碎片污染物通過(guò)。通過(guò)設(shè)置氣體供給系統(tǒng)，產(chǎn)生第一氣流將產(chǎn)生的碎片熱能化，設(shè)置多個(gè)氣體歧管，被放置在靠近收集器反射鏡的位置處，將被熱能化的碎片朝向等離子體引導(dǎo)，避免沉積到收集器反射鏡；通過(guò)設(shè)置磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度的磁場(chǎng)，以將碎片引導(dǎo)離開(kāi)輻射收集器。通過(guò)將氫根流提供到收集器反射鏡上，設(shè)置清潔裝置用于提供氫根流，用于清潔收集器反射鏡的污染物。

不管采用何種方式的EUV光源，都會(huì)產(chǎn)生多種波長(zhǎng)的輻射激光輸出，而通常需要的是EUV波段的輻射源，而其他波長(zhǎng)的輻射則需要通過(guò)濾波片濾除。ASML公司主要采用光譜純度濾光片技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如衍射格柵的衍射濾光片，多層膜結(jié)構(gòu)的濾光片，具有多個(gè)孔的濾光片，具有網(wǎng)格狀微孔結(jié)構(gòu)的濾光片，設(shè)置多個(gè)孔，并將孔的內(nèi)壁側(cè)表面相對(duì)于襯底的前表面的法線是傾斜的。

3.總結(jié)

ASML公司在EUV光源的研究涉及到了多個(gè)方面，提高光源功率、減少碎片污染物、提高光譜純度等，目前實(shí)用化，用于線寬13納米的的半導(dǎo)體芯片量產(chǎn)，并相關(guān)方面進(jìn)一步研究，ASML有望于2024年實(shí)現(xiàn)線寬8nm的EUVL設(shè)備的量產(chǎn)。ASML在EUV光刻設(shè)備方面已然處于壟斷地位，國(guó)內(nèi)雖然自上世紀(jì)九十年代起便開(kāi)始關(guān)注并發(fā)展 EUV 技術(shù)，但是到目前為止，還無(wú)法掌握其的核心技術(shù)，面對(duì)壟斷，實(shí)現(xiàn)EUV高端光刻機(jī)國(guó)產(chǎn)化勢(shì)在必行。

作者簡(jiǎn)介：

周勇，1981年5月，男，江蘇泰興人，博士，助理研究員，研究方向?yàn)槿虘B(tài)激光器，激光加工技術(shù)，微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)。