一文看懂EUV光刻

极紫外 (EUV) 光刻系统是当今使用的最先进的光刻系统。本文将介绍这项重要但复杂的技术。

13.5 nm 波长的引入延续了半导体行业自使用蓝光（436 nm“g 线”波长）用于大于 1 微米的特征尺寸以来一直遵循的波长缩短趋势。光线通过上面印有电路图案的掩模（或“十字线”）投射。当最终投影到晶圆上时，传输的图像会被缩小。最小间距是波长除以系统的数值孔径 (NA) 的一半。光学系统的 NA 是一个无量纲数，表示最终镜头可以聚焦光线的角度范围。 波长减少并非微不足道，因为这意味着光子的能量成反比增加。因此，所有材料都有很高的吸收率。因此，需要全反射离轴光学系统。这导致了所谓的“环形场”投影系统的发展，该系统导致整个曝光场旋转照明 [1]。Pre-EUV 光学系统可以依赖轴上透射光学系统，它通过没有旋转来简化照明设置。

EUV 波长的使用还导致了对掩膜结构的彻底改造。musk（掩膜）也是一种反射元件。反射是通过由至少 40 个钼/硅双层组成的多层膜实现的。掩模图案使用吸收层，目前基于钽，厚度为几个波长。随着离轴照明通过吸收器图案散射并通过多层传播和反射，3D 效果不可避免地会影响晶圆上的最终图像 [2]。

掩膜还受到一层称为防护膜的薄膜的保护，该薄膜与musk表面保持一定距离。为 EUV 开发薄膜是一件大事，因为光必须通过它两次作为非反射传输元件。

当前 EUV 系统的数值孔径为 0.33。在下一代 EUV 系统中，数值孔径将增加到 0.55。从波长/NA 比例来看，这有望使特征尺寸缩小 0.6 倍。但是，预计焦深会比分辨率降低得更快，因为它大致与波长/(NA)^2 成正比（图 1）[3]。对于 0.55 NA EUV，这导致了对使用薄至 20 nm 的抗蚀剂（晶圆上的吸收图像层）的担忧 [4]。

图 1. 焦深与最小间距的历史趋势 [3]。

0.55 NA 系统有额外的复杂性。首先，它是一个半场系统，这意味着需要两次掩模扫描来填充与早期系统中的单次掩模扫描相同的区域 [5]。其次，最后两个光学元件投射出中心遮挡。这限制了照明以及音高的某些组合 [6]。最后，极化对于可能使用 0.55 NA [7] 的间距变得很重要。

遮挡是影响当前 0.33 NA 系统的预计缩放比例的基本系统差异。在到达最终聚焦元件之前会有光损失。此外，图像质量将从根本上改变。图像衍射光谱的主要组成部分。图 2 显示了在为 28 nm 间距量身定制的照明下的 68 nm 间距亮线。外观是正常的，没有遮挡，但是在遮挡的情况下，中央峰值减小，旁边的旁瓣增强，因为第一个衍射级被移除。这些旁瓣可以随机打印 [8]。

图 2.（左）28 nm 间距照明下的 68 nm 间距线，有遮蔽与无遮蔽。（右）模糊情况下的随机旁瓣打印（顶视图）（吸收 40 mJ/cm2）[8]。

不幸的是，EUV 光刻受到许多因素的困扰，这些因素在目前考虑的经典光学处理中并不明显。EUV 光是电离辐射的一种形式，这意味着它会在光刻胶被吸收后释放电子。光电子 (~80 eV) 来自直接电离，二次电子来自由此引起的电离和随后释放的电子。电子散射所沉积的能量显然会加热抗蚀剂，导致脱气，从而污染 EUV 系统中的光学元件。出于这个原因，EUV 系统现在包含一个最低限度吸收氢气的环境，这将保持光学元件表面清洁而不氧化它们。然而，已知氢气也会引起起泡 [9]。

图 3. 抗蚀剂吸收 EUV 光子后的电子释放过程。

电子也从原来的光子吸收点散开，导致原本定义的图像变得模糊。这种模糊的影响很容易在几纳米之外感受到。进一步加剧传播效应的是整个事件链的内在随机性。

光子吸收和电子散射本质上都是随机事件。这些导致CD不均匀和边缘粗糙，甚至放置错误和严重缺陷。吸收的光子密度越低，随机效应越严重。稀释剂抵抗减少吸收，增强这种效果。然而，增加的光子密度导致增加的电子数密度和增加的电子模糊，其随机性导致随机缺陷[10]。DUV 光刻没有处理随机问题，主要是因为特征尺寸足够大以确保足够的光子，但 EUV 无法利用此优势。

参考：

1.安东尼等人，Proc。SPIE 4146, 25 (2000)。

2.田边，PROC。SPIE 11854, 1185416 (2021)。

3.J. Lin, J. Micro/Nanolith., MEMS, and MOEMS 1, (2002)。

4.https://www.imec-int.com/en/articles/high-na-euvl-next-major-step-lithography

Davydova 等人，Proc。SPIE 12494, 124940Q (2023)。

5.https://www.youtube.com/watch?v=1HV2UYABh4E

6.https://www.youtube.com/watch?v=agMx-nuL_Qg

7.https://www.youtube.com/watch?v=sb46abCx5ZY

8.https://www.youtube.com/watch?v=FZxzwhBR5Bk&t=3s

9.https://www.linkedin.com/pulse/secondary-electron-blur-randomness-origin-euv-stochastic-chen

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