超紫外線（Extreme Ultraviolet，EUV）光刻技術(shù)被認(rèn)為是未來取代深紫外線（Deep Ultraviolet，DUV）且滿足摩爾定律的22納米及以下世代最可行的候選技術(shù)。由于激光激發(fā)的等離子體（Laser Produced Plasma，LPP）技術(shù)較易達(dá)到高功率超紫外線光源之需求，且具有較高的超紫外線發(fā)射效率和收集效率，是量產(chǎn)用超紫外線光源系統(tǒng)的最佳選擇。超紫外線光源系統(tǒng)未來技術(shù)研發(fā)藍(lán)圖提供了一份符合大規(guī)模生產(chǎn)的超紫外線光源系統(tǒng)的詳細(xì)進(jìn)程表和針對(duì)22納米及以下一代制程的技術(shù)要求。 Benjamin Szu-Min Lin, Cymer Southeast Asia Ltd.; David Brandt, Nigel Farrar, Cymer Inc. 超紫外線光刻技術(shù)是被列在國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖（International Techonology Roadmap for Semiconductor，ITRS）中作為193納米浸潤式光刻技術(shù)之后可以在2013年滿足出32納米及以下世代最有前景的技術(shù)。然而，針對(duì)某些儲(chǔ)存組件量產(chǎn)時(shí)程，如NAND型閃存，則要求提早在2011年就需應(yīng)用超紫外線光刻技術(shù)作為量產(chǎn)技術(shù)，甚至在2009年就需要此光刻技術(shù)作為早期研發(fā)之用。為了實(shí)現(xiàn)超紫外線光刻技術(shù)，首先需要投入眾多資源開發(fā)高功率和高可靠度的超紫外線光源，再者需要來解決超紫外線光阻劑性能問題, 如光阻敏感度（photosensitivity），線邊緣粗糙度（Line Edge Roughness，LER），以及線寬粗糙度（Line Width Roughness，LWR）等。目前超紫外線光阻的敏感性和光學(xué)穿透率使得超紫外線光源的可用頻寬超紫外線光阻劑性能訂在2 %以內(nèi)。根據(jù)此超紫外線光源2 %可用頻寬和100wph產(chǎn)量產(chǎn)出的條件，超紫外線掃描式曝光機(jī)制造商訂出超紫外線光源在中間焦點(diǎn)（intermediate focus，IF）處輸出功率的早期規(guī)格應(yīng)該要大于115瓦，（假設(shè)使用5 mJ/cm2敏感度之超紫外線光阻），或者大于180瓦（假設(shè)使用10 mJ/cm2敏感度之超紫外線光阻）。若超紫外線光阻的敏感性高于20 mJ/cm2，超紫外線光源的輸出功率則被要求高于200瓦。因此，可擴(kuò)充輸出功率的超紫外線光源架構(gòu)才可符合超紫外線光刻技術(shù)在技術(shù)生命演進(jìn)周期中的使用需求。低功率放電激發(fā)等離子體（discharge-produced-plasma，DPP）超紫外線光源文獻(xiàn)上已可達(dá)到10瓦之中間焦點(diǎn)輸出功率，且預(yù)期將可擴(kuò)展到30 – 50瓦之水平。但為能擴(kuò)充到高于200瓦以上之中間焦點(diǎn)輸出功率，則激光激發(fā)的等離子體（Laser-produced-plasma，LPP）超紫外線光源更加有機(jī)會(huì)達(dá)成目標(biāo)，且預(yù)計(jì)將在193納米浸潤式時(shí)代之后，提供必要的高功率超紫外線光源，以滿足大量生產(chǎn)時(shí)超紫外線掃描式曝光機(jī)生產(chǎn)集成電路之用。 圖1. 激光激發(fā)的等離子體超紫外線光源系統(tǒng)激光激發(fā)的等離子體超紫外線光源，是通過投射激光束至標(biāo)靶元素，如氙氣，錫或鋰，以產(chǎn)生電子溫度高達(dá)幾十電子伏特的高度離子化等離子體，并輻射出13.5納米波長超紫外線。在離子激發(fā)和重組的過程中產(chǎn)生的高能超紫外線向四面八方輻射，隨即被一個(gè)垂直入射的鏡面集光器所反射，并集中到一個(gè)中間焦點(diǎn)，再從那里照射至光學(xué)掃描式曝光機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)，并最終曝射在晶圓上。從激光能量轉(zhuǎn)換到超紫外線能量間的轉(zhuǎn)換效率是激光激發(fā)的等離子體超紫外線光源能否達(dá)成所需要的高輸出功率的重要關(guān)鍵。我們以前曾發(fā)表了幾種激光波長和標(biāo)靶元素之組合對(duì)轉(zhuǎn)換效率和其他光源整合方面的調(diào)查研究1，但在這份報(bào)告中，主要將探討錫滴標(biāo)靶和二氧化碳激光所組合的激光激發(fā)的等離子體超紫外線光源輸出功率的研發(fā)。并針對(duì)關(guān)鍵子系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，如液態(tài)錫滴產(chǎn)生器，多層鍍膜鏡面式集光器，和碎片緩減機(jī)制，做了詳細(xì)的討論。最后，未來的激光激發(fā)的等離子體遠(yuǎn)超紫外線光源研發(fā)藍(lán)圖，將指出應(yīng)用在量產(chǎn)規(guī)模上的激光激發(fā)的等離子體遠(yuǎn)超紫外線光源所應(yīng)有的輸出功率目標(biāo)和需求時(shí)程。 激光激發(fā)的等離子體超紫外線光源輸出功率研發(fā)進(jìn)展 西盟科技在2006年第二季組裝了一個(gè)激光激發(fā)的等離子體研發(fā)系統(tǒng)，其中包括一個(gè)高功率且高頻率的二氧化碳激光，此二氧化碳激光配備有一個(gè)可以進(jìn)行多階段放大功能之軸流式射頻泵浦MOPA裝置（axial-flow RF-pumped MOPA configuration）2。在安裝階段，二氧化碳激光輸出功率約當(dāng)3千瓦（頻率30千赫茲）。在2006年第四季后期，我們對(duì)二氧化碳激光系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)，增加輸出功率到約7 千瓦（頻率50千赫茲）。二氧化碳激光脈沖經(jīng)過放大，整形，并對(duì)焦后，進(jìn)入激光激發(fā)的等離子體真空室。激光脈沖非常精準(zhǔn)地?fù)羯湓谟梢簯B(tài)錫滴產(chǎn)生器所產(chǎn)生頻率為50千赫茲的液態(tài)錫滴上。具有高度激發(fā)物質(zhì)的等離子體前導(dǎo)波在二氧化碳激光脈沖與液態(tài)錫滴作用的區(qū)域輻射出13.5納米光子（超紫外線）。專為13.5納米波長所設(shè)計(jì)的多層鍍膜反射鏡集光器（直徑大小為600mm）收集背向輻射光源，并將光源導(dǎo)向位于光源輸出端的中間焦點(diǎn)位置，以做為掃描式曝光機(jī)曝射晶圓之用。 西盟科技自從兩年前的原型系統(tǒng)開始3 ，就把激光激發(fā)的等離子體超紫外線光源研發(fā)重點(diǎn)放在不斷提高實(shí)質(zhì)激光輸出功率上。 在2007年第四季藉由液態(tài)錫滴標(biāo)靶在3%轉(zhuǎn)換效率下，達(dá)到100瓦爆發(fā)功率以及5瓦的超紫外線光源平均輸出功率。為了提高超紫外線光源平均輸出功率，如何降低在激光束傳遞組件和激光腔體的組成部分所產(chǎn)生的熱效應(yīng)則為重要課題。在2008年第一季，超紫外線光源平均輸出功率成功增加到35瓦，但是系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)間只有2.5秒。在2008年第二季，由于改善熱效應(yīng)，系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)間已可增加到1.5小時(shí)，且超紫外線光源平均輸出功率為25瓦。上述超紫外線光源平均輸出功率測(cè)量是在沒有集光器的情況下，測(cè)量等離子體功率，并假設(shè)600mm直徑的集光器在 50 %的平均反射率和90 %的穿透率下計(jì)算出的結(jié)果。然后在2008年第三季，在安裝有一個(gè)320mm直徑多層鍍膜反射鏡集光器情況下，多次達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)間超過8小時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)紀(jì)錄。在這些試驗(yàn)中，在1ms爆發(fā)持續(xù)時(shí)間（burst duration）和8 %的工作周期（duty cycle）情況下，用遠(yuǎn)程的熒光轉(zhuǎn)換器和CCD相機(jī)來做測(cè)量，測(cè)量爆發(fā)功率（burst power）結(jié)果接近50瓦。 激光激發(fā)的等離子體超紫外線光源系統(tǒng)的能力已提高至400ms爆發(fā)持續(xù)時(shí)間和80%的工作周期，這樣的表現(xiàn)已經(jīng)可符合一般的掃描式曝光機(jī)運(yùn)作需求。圖2（a）和圖2（b）顯示激光激發(fā)的等離子體超紫外線光源系統(tǒng)在400ms爆發(fā)持續(xù)時(shí)間和80 %的工作周期運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的系統(tǒng)表現(xiàn)。平均輸出功率約20瓦且維持18小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。在此時(shí)段中所累積的超紫外線劑量已超過1MJ，足夠進(jìn)行大約 250片十二英寸晶圓曝光（假設(shè)曝光能量為10mJ/cm2） 。 圖2.（a）激光激發(fā)的等離子體超紫外線光源系統(tǒng)平均輸出功率約20瓦且維持18小時(shí)連續(xù)運(yùn)行（b）累積的超紫外線劑量已超過1MJ，足夠進(jìn)行大約250片十二英寸晶圓曝光(假設(shè)曝光能量為10mJ/cm2)。關(guān)鍵激光激發(fā)的等離子體超紫外線光源子系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展 除了獲得較高的超紫外線光源平均輸出功率和更長的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間外，穩(wěn)定的激光激發(fā)的等離子體超紫外線光源系統(tǒng)仍需開發(fā)以下數(shù)個(gè)子系統(tǒng)技術(shù)，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠度。這幾個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)為: 精確控制液態(tài)錫滴狀態(tài)的液態(tài)錫滴產(chǎn)生器，高反射率多層鍍膜反射鏡集光器和碎片緩減控制機(jī)制。這三個(gè)子系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀將介紹如下。 液態(tài)錫滴產(chǎn)生器 液態(tài)錫滴產(chǎn)生器的主要要求系在20 - 200千赫茲可控制范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻且穩(wěn)定的錫滴，并提供高可靠度的長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)。最近所研制的液態(tài)錫滴產(chǎn)生器相較以往的液態(tài)錫滴產(chǎn)生器因大幅的性能改進(jìn)，更能滿足以上要求4。經(jīng)由調(diào)整液態(tài)錫滴產(chǎn)生器的噴嘴參數(shù)（例如，施加壓力和驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電壓），以及保持整體機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以提供均勻且穩(wěn)定的液態(tài)錫滴。 圖3（a）和圖3（b）分別顯示50μm直徑錫滴在50千赫茲頻率下精準(zhǔn)時(shí)間掌控度和短期定位穩(wěn)定性。錫滴周期的標(biāo)準(zhǔn)差是86ns（為錫滴周期20μs的 0.4 %）。短期錫滴定位的標(biāo)準(zhǔn)差0.5μm，且錫滴位置漂移量為7.3μm/min 。即使在測(cè)試了500個(gè)小時(shí)后，錫滴周期的標(biāo)準(zhǔn)差和短期錫滴定位的標(biāo)準(zhǔn)差一樣保持穩(wěn)定。當(dāng)錫滴直徑縮小到30μm時(shí)，錫滴周期和短期錫滴定位在控制上一樣可以達(dá)到系統(tǒng)要求。在第二代極紫外線光源系統(tǒng)中，錫滴直徑將減少至10μm。若假設(shè)85%的機(jī)臺(tái)利用率和90%的機(jī)臺(tái)可用時(shí)間，高頻率運(yùn)轉(zhuǎn)條件下錫滴的總消耗量估計(jì)每系統(tǒng)每年用不到1公升錫滴。 圖3. 顯示50μm直徑錫滴在50千赫茲頻率下多層鍍層反射鏡集光器 在激光激發(fā)的等離子體超紫外線光源系統(tǒng)配置中，激光束通過多層鍍層反射鏡集光器中央開口，并聚焦在錫滴標(biāo)靶上產(chǎn)生等離子體。背向輻射的超紫外光以接近垂直入射的角度打在橢圓形多層鍍層反射鏡集光器上，再反射至中間焦點(diǎn)5。在研發(fā)初期，一個(gè)較小的橢圓形多層鍍層反射鏡集光器（300毫米的光學(xué)直徑）被用來示范光線收集能力。 經(jīng)過加工和超精細(xì)拋光之后，使用符合大面積集光器涂層之直流磁控濺射沉積工具和技術(shù)來制作這個(gè)小集光器鏡面表面涂層。高溫穩(wěn)定的漸層表面涂層與特殊的界面設(shè)計(jì)，使得多層鍍膜在不同角度均可提供高紫外線反射率6。原子力顯微鏡測(cè)量結(jié)果可以確定此鏡面表面涂層的平滑度足以提供高反射率。圖4（a）表明在多層鍍膜完成后，原子力顯微鏡測(cè)量結(jié)果顯示在1.8μm x 1.9μm面積范圍內(nèi)，高空間頻率粗糙度只有0.452nm。反射鏡的反射率曲線則是用同步輻射技術(shù)來測(cè)量（PTB，柏林）。圖4（b）顯示了在集光器表面不同位置之均勻的反射率曲線且最高反射率為57 %。 圖4 .（a）在多層鍍膜完成后，原子力顯微鏡測(cè)量結(jié)果顯示在1.8μm x 1.9μm面積范圍內(nèi)，高空間頻率粗糙度只有0.452nm。（b）顯示了在集光器表面不同位置之均勻的反射率曲線且最高反射率為57 %。碎片緩減機(jī)制 激光激發(fā)的等離子體超紫外線光源中激光射擊錫滴標(biāo)靶后，所產(chǎn)生可能撞擊集光器表面上的碎片共有以下三種形式：高能量的離子，中性原子和標(biāo)靶材料微顆粒。高能量離子是三種碎片類型中最易造成集光器表面涂層受損，而中性原子和標(biāo)靶材料微顆粒對(duì)集光器的損害是相當(dāng)小的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)標(biāo)靶材料朝遠(yuǎn)離集光器表面的方向移動(dòng)。具有數(shù)千電子伏特能量的高能量離子與集光器表面涂層相互作用的結(jié)果，會(huì)侵蝕多層鍍膜反射鏡集光器的表面涂層材料。目前所開發(fā)出的離子緩減技術(shù)可抑制離子流高達(dá)4個(gè)數(shù)量級(jí)，如圖 5（a）所示。當(dāng)多層鍍膜之層數(shù)不太多時(shí)，深度剖面分析技術(shù)，例如二次離子質(zhì)譜儀（SIMS） 是相當(dāng)合適用來檢驗(yàn)離子緩減技術(shù)的成效3。為了驗(yàn)證離子緩減技術(shù)的效果，讓一個(gè)多層鍍膜反射鏡集光器（8組雙層鍍膜外加一個(gè)覆蓋層）先經(jīng)過2小時(shí)的激光激發(fā)的等離子體光源照射（能量相當(dāng)于輸出功率為60瓦，10 %的工作周期），照射后的樣品采用定性的二次離子質(zhì)譜儀進(jìn)行了深入分析。結(jié)果顯示在圖5（b），并沒有發(fā)現(xiàn)離子侵蝕。 圖5.(a)目前所開發(fā)出的離子緩減技術(shù)可抑制離子流高達(dá)到目的個(gè)數(shù)量級(jí)。(b)照射后的樣品采用定性的二次離子質(zhì)譜議進(jìn)入深入分析，并沒有發(fā)現(xiàn)離子侵蝕。未來的研發(fā)藍(lán)圖 激光激發(fā)的等離子體超紫外線光源的研發(fā)藍(lán)圖列于表1 。滿足小量試產(chǎn)掃描式曝光機(jī)之需要的激光激發(fā)的等離子體超紫外線光源系統(tǒng)預(yù)計(jì)在2009年推出。此產(chǎn)品紫外線光源輸出功率的目標(biāo)是大于 100 瓦，并使用11千瓦二氧化碳激光與錫滴系統(tǒng)，以達(dá)到3.0 %的轉(zhuǎn)換效率。垂直入射集光器將采用收集角度5sr（600mm光學(xué)直徑）和具有超紫外線平均反射率接近60 %的涂層。因模糊，吸收，和碎片緩減技術(shù)造成的光學(xué)穿透度損失預(yù)計(jì)將低于20 % 。為了符合預(yù)期中間焦點(diǎn)輸出功率的要求，大規(guī)模生產(chǎn)第一代和大規(guī)模生產(chǎn)第二代激光激發(fā)的等離子體超紫外線光源將以19千瓦和> 20千瓦二氧化碳激光技術(shù)外加少許轉(zhuǎn)換效率的改善，預(yù)計(jì)分別可以在2010/Q1和2011/Q3推出適合大規(guī)模生產(chǎn)之第一代和第二代激光激發(fā)的等離子體超紫外線光源。結(jié)論 激光激發(fā)的等離子體已被證明是可行和具可擴(kuò)展性，且可滿足掃描式曝光機(jī)制造商的需求的超紫外線光源技術(shù)。大于100瓦輸出功率的激光激發(fā)的等離子體超紫外線光源，預(yù)計(jì)在2009年將滿足小量試產(chǎn)掃描式曝光機(jī)的需要。適合大規(guī)模生產(chǎn)之第一代和第二代的激光激發(fā)的等離子體超紫外線光源系統(tǒng)預(yù)計(jì)將分別在2010/Q1和2011/Q3推出。 參考文獻(xiàn) 1. 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