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極紫外 (EUV) 光刻系統(tǒng)是當(dāng)今使用的最先進(jìn)的光刻系統(tǒng)。本文將介紹這項(xiàng)重要但復(fù)雜的技術(shù)。

(相關(guān)資料圖)

目標(biāo)：更小的波長

13.5 nm 波長的引入延續(xù)了半導(dǎo)體行業(yè)自使用藍(lán)光（436 nm“g 線”波長）用于大于 1 微米的特征尺寸以來一直遵循的波長縮短趨勢。光線通過上面印有電路圖案的掩模（或“十字線”）投射。當(dāng)最終投影到晶圓上時(shí)，傳輸?shù)膱D像會被縮小。最小間距是波長除以系統(tǒng)的數(shù)值孔徑 (NA) 的一半。光學(xué)系統(tǒng)的 NA 是一個(gè)無量綱數(shù)，表示最終鏡頭可以聚焦光線的角度范圍。波長減少并非微不足道，因?yàn)檫@意味著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，需要全反射離軸光學(xué)系統(tǒng)。這導(dǎo)致了所謂的“環(huán)形場”投影系統(tǒng)的發(fā)展，該系統(tǒng)導(dǎo)致整個(gè)曝光場旋轉(zhuǎn)照明 [1]。Pre-EUV 光學(xué)系統(tǒng)可以依賴軸上透射光學(xué)系統(tǒng)，它通過沒有旋轉(zhuǎn)來簡化照明設(shè)置。

不同的musk

EUV 波長的使用還導(dǎo)致了對掩膜結(jié)構(gòu)的徹底改造。musk（掩膜）也是一種反射元件。反射是通過由至少 40 個(gè)鉬/硅雙層組成的多層膜實(shí)現(xiàn)的。掩模圖案使用吸收層，目前基于鉭，厚度為幾個(gè)波長。隨著離軸照明通過吸收器圖案散射并通過多層傳播和反射，3D 效果不可避免地會影響晶圓上的最終圖像 [2]。

掩膜還受到一層稱為防護(hù)膜的薄膜的保護(hù)，該薄膜與musk表面保持一定距離。為 EUV 開發(fā)薄膜是一件大事，因?yàn)楣獗仨毻ㄟ^它兩次作為非反射傳輸元件。

更改數(shù)值孔徑

當(dāng)前 EUV 系統(tǒng)的數(shù)值孔徑為 0.33。在下一代 EUV 系統(tǒng)中，數(shù)值孔徑將增加到 0.55。從波長/NA 比例來看，這有望使特征尺寸縮小 0.6 倍。但是，預(yù)計(jì)焦深會比分辨率降低得更快，因?yàn)樗笾屡c波長/(NA)^2 成正比（圖 1）[3]。對于 0.55 NA EUV，這導(dǎo)致了對使用薄至 20 nm 的抗蝕劑（晶圓上的吸收圖像層）的擔(dān)憂 [4]。

圖 1. 焦深與最小間距的歷史趨勢 [3]。

0.55 NA 系統(tǒng)有額外的復(fù)雜性。首先，它是一個(gè)半場系統(tǒng)，這意味著需要兩次掩模掃描來填充與早期系統(tǒng)中的單次掩模掃描相同的區(qū)域 [5]。其次，最后兩個(gè)光學(xué)元件投射出中心遮擋。這限制了照明以及音高的某些組合 [6]。最后，極化對于可能使用 0.55 NA [7] 的間距變得很重要。

遮擋是影響當(dāng)前 0.33 NA 系統(tǒng)的預(yù)計(jì)縮放比例的基本系統(tǒng)差異。在到達(dá)最終聚焦元件之前會有光損失。此外，圖像質(zhì)量將從根本上改變。圖像衍射光譜的主要組成部分。圖 2 顯示了在為 28 nm 間距量身定制的照明下的 68 nm 間距亮線。外觀是正常的，沒有遮擋，但是在遮擋的情況下，中央峰值減小，旁邊的旁瓣增強(qiáng)，因?yàn)榈谝粋€(gè)衍射級被移除。這些旁瓣可以隨機(jī)打印 [8]。

圖 2.（左）28 nm 間距照明下的 68 nm 間距線，有遮蔽與無遮蔽。（右）模糊情況下的隨機(jī)旁瓣打?。斠晥D）（吸收 40 mJ/cm2）[8]。

不僅是 EUV 光線……

不幸的是，EUV 光刻受到許多因素的困擾，這些因素在目前考慮的經(jīng)典光學(xué)處理中并不明顯。EUV 光是電離輻射的一種形式，這意味著它會在光刻膠被吸收后釋放電子。光電子 (~80 eV) 來自直接電離，二次電子來自由此引起的電離和隨后釋放的電子。電子散射所沉積的能量顯然會加熱抗蝕劑，導(dǎo)致脫氣，從而污染 EUV 系統(tǒng)中的光學(xué)元件。出于這個(gè)原因，EUV 系統(tǒng)現(xiàn)在包含一個(gè)最低限度吸收氫氣的環(huán)境，這將保持光學(xué)元件表面清潔而不氧化它們。然而，已知?dú)錃庖矔鹌鹋?[9]。

圖 3. 抗蝕劑吸收 EUV 光子后的電子釋放過程。

電子也從原來的光子吸收點(diǎn)散開，導(dǎo)致原本定義的圖像變得模糊。這種模糊的影響很容易在幾納米之外感受到。進(jìn)一步加劇傳播效應(yīng)的是整個(gè)事件鏈的內(nèi)在隨機(jī)性。

EUV 揭示了光刻的隨機(jī)性

光子吸收和電子散射本質(zhì)上都是隨機(jī)事件。這些導(dǎo)致CD不均勻和邊緣粗糙，甚至放置錯(cuò)誤和嚴(yán)重缺陷。吸收的光子密度越低，隨機(jī)效應(yīng)越嚴(yán)重。稀釋劑抵抗減少吸收，增強(qiáng)這種效果。然而，增加的光子密度導(dǎo)致增加的電子數(shù)密度和增加的電子模糊，其隨機(jī)性導(dǎo)致隨機(jī)缺陷[10]。DUV 光刻沒有處理隨機(jī)問題，主要是因?yàn)樘卣鞒叽缱銐虼笠源_保足夠的光子，但 EUV 無法利用此優(yōu)勢。

審核編輯：湯梓紅