euv光刻机关键技术(EUV光刻原理)
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EUV光刻工艺的现状和发展
EUV光刻技术的现状和发展
陈立南
(西安电子科技大学，陕西Xi，710118)
摘要在光学光刻技术的发展中，EUV工艺一直受到业界的强烈期待。本文将从以下几个方面介绍EUV的相关技术特点EUV的重要性；光刻光源(照明系统)；光刻工艺；使用光致抗蚀剂；EUV光刻已经达到生产水平；从EUV成品率和实用性的角度分析和介绍了极紫外光刻技术的现状和发展方向。
关键词EUV；新型光刻光源光刻胶的发展方向。
文本
在光刻技术的发展中，使用更短波长的光一直是提高光刻分辨率的重要途径。，EUV(极紫外光刻)成为近年来备受关注的下一代光刻技术，它需要承担减小晶体管尺寸、延续摩尔定律的重任。1从1EUV的重要性；2光刻光源(照明系统)；3光刻工艺；4.使用光致抗蚀剂；5 . EUV光刻已经达到生产水平；6从EUV产额和实用性两方面分析和介绍了极紫外光刻技术的现状和发展方向。
1.EUV的重要性。
随着特征尺寸的不断减小，193纳米浸没光刻和多重图形似乎仍然在10纳米工作。，有一天，当特征尺寸达到5nm~7nm的节点时，业界已经表示EUV技术非常必要。芯片制造商一致认为，集成工艺制造中对EUV的需求将非常迫切，特征尺寸为7纳米和5纳米。
传统的193纳米浸没光刻在28纳米尺寸之后必须使用辅助二次曝光(DP)甚至多次曝光。业内人士都知道，在EUV尚未成熟的情况下，这其实是的选择。英特尔在使用DP的，也采用了新的FinFET结构来降低漏电流和功耗(最早是英特尔在22nm工艺中采用的)。{2}我认为这本质上只是对193纳米光刻技术的修补，治标不治本。由于光刻波长的限制，EUV的使用势在必行。
在10nm工艺下，通常使用13.5nm的EUV，甚至不需要DP技术来提高光刻精度。但由于自身的限制，赶不上10nm工艺的EUV，如果在7nm、5nm量产，还需要DP的加持。但由于DP是一个相对成熟的工艺，EUV本身的成功也会给产业链带来变化，7nm以下的EUV还是值得期待的。
EUV光刻使用超短波长紫外光来提高光刻分辨率，试图实现7nm以下的特征尺寸。与现有成熟的193纳米光源多重成像技术相比，EUV的清晰度明显更高。在24纳米的线宽下，193纳米(左)比EUV测试(右)具有更尖锐的形状。
结合光刻技术的刚性发展要求和传统光刻技术的局限性，EUV的重要性不言而喻。
2.EUV光刻光源系统。
ASML公司开发的成熟的EUV选择了13.5nm波长的射线，接近X射线。这种波长的极紫外光可以被大多数已知材料吸收，包括玻璃透镜。，在掩模光刻机的制造和设计中，不能用透镜来改变光线方向。现在广泛使用的是布拉格反射镜(一种多层反射镜，可以将许多小反射集中成单一的强反射)。
(布拉格反射器)
由于同样受到13.5nm波长的限制，光刻必须在高真空环境下工作，晶片运输由密封气闸进行。
研制EUV光源的最大挑战在于如何提高EUV光源的瓦数，减少等离子体大气中的粒子、高速粒子等污染物，否则光源会迅速退化。EUV光源可以分为三个部分光产生、光收集和光谱净化。，产生EUV光源有两种方法激光等离子体源(LPP)和放电等离子体源(DPP)。{1}
激光等离子体源(LPP)简单来说就是用高能脉冲激光照射高密度靶(Xe、Sn、Li)产生高温致密等离子体，从而发射极紫外。与放电等离子体相比，激光等离子体源最大的优点是发光面积小，其极紫外可以很好的收集。从目前得到的结果来看，显然激光等离子体的输出功率与放电等离子体相差甚远，特别是需要可用功率时，激光器的成本会大大增加，这对于商业化生产来说是一个致命的缺点。
目前，将电能转化为极紫外能量最有效的放电等离子体(DPP)是Z箍缩等离子体。等离子体直接将电能转化为极紫外能量，是一种相对高效的光源。由于电极寿命的问题，放电等离子体的输出功率受到很大的限制。目前XTREME公司采用多孔金属冷却技术，使余热去除能力可达20 kW [7]，极紫外输出功率可达200 W(立体角范围为2sr)，这是Xe箍缩缩放电等离子体实现的最大输出功率{3}。
，ECR等离子体也为我们提供了产生极紫外的新思路。与上述两种等离子体源相比，ECR等离子体有其独特的优势。，几十年来使用ECR等离子体作为离子源的经验可以证明，ECR等离子体具有长期稳定性，使得ECR源的操作相对简单，维护成本较低。，由于ECR等离子体密度较低(1011 ~ 1012个/cm- 3)，产生的粒子碎片很少，对后续收集光学元件的影响基本可以忽略，不需要考虑等离子体碎片的清除问题。这样，光源的结构相对简单，并且也提高了极紫外的收集效率。，与放电等离子体相比，ECR等离子体不存在电极寿命的问题；与激光等离子体相比，具有结构简单、成本低的优点。ECR等离子体也有一个致命的缺点它的等离子体面积比较大，很难有效收集等离子体产生的极紫外。，通过调整磁场模式来修改等离子体形状，可以在一定程度上解决这个问题。
事实上，由于光源功率不足，EUV设备一拖再拖，让业界对EUV赶超10nm工艺几乎失去信心。而且无论采用哪种技术，极紫外光源的复杂度和成本都会比传统光源大大增加，这也是阻碍EUV投入商用的另一个难点。
3.EUV光刻工艺
ASML生产的成熟的EUV光刻机采用激光等离子体光源(LPP)。
光刻机CO2激光器用于为紫外光源提供能量。激光器分为两部分，前端脉冲和功率放大器。上述输出功率不足的问题在这里由20 kW的激光器解决。
在实际使用过程中，金属锡被装入液滴发生器，加热过滤生成直径25微米的小液滴，然后进入真空室。锡液滴不仅体积小，而且以每秒50k次的速度下落。前沿脉冲和主脉冲撞击锡滴使其汽化，最终变成等离子体。这种高能锡等离子体可以稳定地发射出13.5纳米长的EUV光
目前，ASML公司实现的功率转换效率约为5%。改变锡液滴的形状，提高浓缩液滴的效率，有助于提高转化效率。
EUV光产生后，如上所述，我们需要一系列专门设计的光路来聚焦光线，从而获得稳定的可编程EUV光系统。
由于13.5nm的光太容易被吸收，经过上图所示的可编程光路后，业界普遍认为EUV扫描仪的透过率只有4%左右。在现有技术下，这种传输效率意味着只能使用较高的光源初始功率。
在获得用于光刻的集中EUV光之后，光刻的过程基本上与传统光刻没有太大区别。应该注意的是，EUV光刻术需要非常高的真空度，因为即使是空气也能吸收13.5纳米的光。
，EUV和传统193nm光刻的区别在于，获得EUV光的过程极其复杂。如果这些问题得到很好的解决，EUV光刻技术的大规模应用将指日可待。
4.EUV技术对光刻胶的要求
根据国际半导体产业技术发展路线图，EUV光刻胶的量产需要达到以下目标
(1)高分辨率线宽可达22纳米及以下。
(2)高曝光灵敏度10 mJ/cm2。
(3)低线边缘粗糙度(LER): 1.5纳米(3)。，EUV光刻胶还应具有较低的辐射放气量，仅对投影光学系统造成微量污染，污染可以完全去除。
EUVL是最有前途的下一代光刻技术，22纳米及以下节点。光刻材料的性能指标还有一定差距，尤其是LER。分辨率、LER和感光度之间的平衡已经成为提高光刻胶性能的最大挑战。在材料设计方面，可以通过增加化学梯度、提高产酸剂的量子效率、增强光子的有效吸收、减小分子尺寸、提高光酸产率和酸的各向异性扩散来改善EUV光刻胶的性能。EUV光刻胶今后的主要研究方向是从材料设计和曝光机理上提高EUV的利用效率，增加曝光后显影过程中的溶解度对比度，根据材料特性采用合适的工艺条件和处理措施。{4}
5.现有技术中EUV实现的生产效率
目前，全球EUV机器供应商只有荷兰的ASML。在2014年9月的SEMICONTAIWAN2014展会上，ASML已经表示第三代EUV设备已经出货6台。
2014年，ASML和IBM创下的EUV产量纪录是“24小时加工637片晶圆”。
2015年，ASML和TSMC实现了“24小时加工超过1000片晶圆”的目标。
2016年计划实现“24小时曝光1500片晶圆的产量”。
EUV产量的持续增加意味着满足大规模生产只是时间问题。如果我们能够达到相应的曝光次数并进一步降低成本，EUV光刻技术将真正得以实现。
6.以EUV为代表的集成电路制造技术发展模式展望。
11月初，郝跃院士在西安电子科技大学微电子产业校友论坛上做了题为《发展与共赢》的演讲。会上，郝院士提出“未来微电子企业要合作共赢”；“行业垄断越来越难”的观点。并笑着说，“我觉得两个方面还是比较准确的，一个是人，一个是方向。”
事实上，凭借ASML和他的EUV光刻机技术，EUV光源来自Cymer;ASML使用的镜头来自欧洲老牌光学制造商。光刻软件来自ASML 2008年收购的一家子公司。从宏观上来说，如果没有这些公司产品的支持，单靠ASML是无法完成如此复杂的工程项目的。
有分析认为，ASML的核心竞争力在于强大的整合能力，能够精准整合所有技术资源，形成质量有保证的产品。
结论EUV仍然是具有巨大潜力的新一代光刻技术，但由于极限紫外光发射功率和光刻胶的工艺水平，还达不到量产水平。，随着以ASML为首的公司对EUV光刻前景的不断斗争，EUV的早期应用可以说是指日可待。
参考资料
{1}:詹刘卫国平版印刷技术的进步。(Xi理工大学光电工程学院，陕西xi 710032)
{2}:莫大康极紫外EUV光刻技术推动半导体图案新变化(1674-2583(2015)01-0018-02)
{3}:赵寰宇赵宏伟EUV光刻光源。
{4}:陆国庆，吴以恒，陆应用于22纳米及以下节点的极紫外光致抗蚀剂研究进展(TN305.7)
其他文献王丹，车晓璐EUV光刻工艺全球专利发展趋势研究。
程建瑞EUV光刻的挑战(2015现代光学制造工程与科学国际论坛暨高端研讨会)
李光学光刻设备的发展与展望(杭一
朱，颜昌浩，张林波纳米集成电路互连建模和光刻仿真中的并行计算方法(中国科学信息科学，2016，46: 1372-1391，doi: 10.1360/N112016-0085)
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