EUV光刻工艺综述

丑牛2009 2018-06-02

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EUV光刻工艺的现状和发展

Current situation and development of EUV lithography

陈立南

（西安电子科技大学，陕西西安， 710118）

摘要：在光学光刻的发展过程中，EUV工艺一直为业界所强烈期待。本文将从以下几个方面介绍EUV的相关技术特性: EUV的重要性；光刻光源（光照系统）；光刻流程；光刻胶的使用；EUV光刻已经达到的生产水平；当前EUV产率和实用性的角度分析和介绍极紫外光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。

正文：

光学光刻的发展道路中，使用更短波长的光一直是提高光刻分辨率的重要途径。因此EUV（极紫外光光刻技术）就成为了近年来万众瞩目的下一代光刻技术，需要承担起缩小晶体管尺寸，延续Moore定律的重任。从1EUV的重要性；2光刻光源（光照系统）；3光刻流程；4光刻胶的使用；5 EUV光刻已经达到的生产水平；6当前EUV产率和实用性的角度分析和介绍极紫外光光刻技术的现状和发展方向。

1、EUV的重要性。

在特征尺寸的持续减小之下，193nm沉浸式光刻和多重pattern似乎还能在10nm尺寸时起到作用；然而有朝一日特征尺寸到达5nm~7nm的节点时，业界纷纷表示EUV技术是十分必要的。芯片制造商一致认同，到7nm和5nm的特征尺寸下，集成工艺制造对EUV的需求将十分迫切。

传统193nm沉浸式光刻在28nm尺寸之后必须使用辅助两次（DP）甚至多次曝光技术，业界心知肚明，在EUV尚未成熟的时间，使用DP技术事实上是不得已为之的。而INTEL在运用DP的同时，又采用新的FinFET结构减少漏电流和功耗（22nm制程时由INTEL率先采用）。{2}我认为这本质上也只是一种对193nm光刻的修修补补，治标不治本。由于本身光刻波长的限制，EUV的使用已经势在必行。

在10nm的制程之下，通常使用13.5nm的EUV甚至不需要使用DP技术提升光刻精度；但由于自身种种限制，未能赶上10nm制程的EUV如果在7nm和5nm尺寸下投入大规模生产，也需要DP的加持才能达到要求。但由于DP是比较成熟的工艺，加上EUV若能成功本身对产业链带来的改变，因此7nm以下的EUV仍然非常值得期待。

EUV光刻使用极短波长的紫外光进行光刻，以提高光刻分辨率，试图达到7nm以下的特征尺寸。与现有较成熟的193nm光源多重成像技术相比，EUV拥有显而易见的更高清晰度。在24nm线宽下，193nm（左）和EUV测试（右）相比拥有更加尖锐的形状。

结合现在光刻技术的硬性发展要求以及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公司发展的较为成熟的EUV选择了13.5nm波长射线，近乎于X光。这种波长的极紫外光能够被大多数已知材料吸收，包括玻璃透镜。因此在光刻机的制造和设计之中不能使用透镜来改变射线方向。现在广泛采用的是布拉格反射器（Bragg reflector，一种多层镜面，可以将很多小的反射集中成一个单一而强大的反射）。

(布拉格反射器)

同样因为13.5nm波长的限制，光刻必须在高真空环境下工作，晶圆的运输交给一个密封气闸来进行。

开发EUV光源面临的最大挑战在于．如何在提高EUV光源瓦数的同时，降低等离子气氛中微粒、高速粒子和其它污染物，否则光源将会快速恶化。EUV光源可以分为光产生、光收集、光谱纯化三个部分。通常来说，EUV光源的产生有两种方法：激光等离子体光源(LPP) 和放电等离子体光源(DPP)。{1}

激光等离子体源（LPP）简单来讲是用高能脉冲激光照射高密度的靶（Xe，Sn，Li），产生高温稠密的等离子体，从而发出极紫外辐射。与放电等离子相比，激光等离子体源的最大优点是发光区域小，它发出的极紫外辐射可很好地收集。从目前已经取得的结果来看，激光等离子的输出功率显然远不能与放电等离子相比，尤其是需要达到可用功率的情况下，激光器的成本将大大提高，这对于商业化生产是一个致命的缺点。

目前，把电能转换成极紫外辐射能最有效的放电等离子体（DPP）是Z箍缩等离子体。放电等离子体直接将电能转化为极紫外辐射能，因此它是一种比较高效的光源。然而，由于电极寿命问题，放电等离子体的输出功率受到了很大的限制。目前，XTREME 公司利用多孔金属冷却技术，使余热移除能力达到了 20 kW［7］，而极紫外输出功率则达到了200 W（立体角范围为 2πsr），这是Xe箍缩放电等离子体所达到的最大输出功率{3}。

另外，ECR等离子体也向我们提供了一条产生极紫外辐射的新思路；与前面所提到的两种等离子体源相比，ECR等离子体有其独特的优势。首先，几十年来将ECR等离子体作为离子源使用的经验可以证明，ECR等离子体具有长期运行的稳定性，这使得ECR源操作相对简便，同时，维护成本较低。其次，ECR等离子体由于密度较低（1011 ~ 1012 / cm- 3），产生的粒子碎片比较少，对后面的收集光学元件的影响基本可以忽略，无需考虑去除等离子体残骸的问题，这样，光源的结构相对简单，同时也提高了极紫外辐射的收集效率。另外，与放电等离子体相比，ECR等离子体不存在电极寿命问题；与激光等离子体相比，它又具有结构简单、成本低的优点。但ECR等离子体也存在一个致命的缺点：它的等离子体区域比较大，这给有效收集等离子体所产生的极紫外辐射带来了困难，但通过调节磁场场型对等离子体形状进行修正，这个问题可以得到一定程度的解决。

事实上，由于光源功率不足，导致EUV设备一再推迟出现，让业界几乎对EUV赶上10nm制程丧失信心。况且无论使用哪一项技术，极紫外光源的复杂程度和成本相对于传统光源都将大大提高，这又是一个阻挡EUV投入规模商业使用的难点。

3、EUV光刻流程

ASML公司生产的较为成熟的EUV光刻机中，使用的是激光等离子体光源（LPP）。

光刻机使用二氧化碳Laser给紫外光光源提供能量。Laser分为两部分，前脉冲和功率放大器。上文提到的输出功率不足的问题在这里由一个20k瓦的laser解决。

在实际的使用过程中，金属锡被装入液滴发生器中，加热过滤生成直径25微米的小液滴，再进入真空室之中。锡液滴不仅尺寸小，下降速率也高达50k次/秒。由前脉冲和主脉冲击中锡液滴使其气化，并最终成为等离子体。这样的高能锡金属等离子体会稳定发射13.5nm长的EUV光线。

现在ASML公司所达到的电源转化效率大概是5%，改变锡液滴的形状和提高集中液滴的效率能帮助提高转化效率。

而生成EUV光线之后，如上文所提到的那样，我们需要一系列特殊设计的光路对光线进行聚焦，以期得到一个稳定的可编程EUV光线系统。

由于13.5nm光实在太容易被吸收，经过如上图所示的可编程光路之后，业界一般认为EUV扫描器的传输率只有约4%。现有工艺下，这个传输效率意味着只能想办法使用更高的光源初始功率。

得到可供光刻的集中EUV光线之后，光刻的过程基本与传统光刻没有太大差别。需要注意的是EUV光刻对真空度要求极高，因为就算是空气也会吸收13.5nm的光线。

总而言之，EUV与传统193nm光刻的差别主要在于得到EUV光线的过程极为繁复。如果这些问题得到了较好的解决，EUV光刻的大规模应用将指日可待。

4、EUV技术对于光刻胶的要求

根据半导体行业国际技术发展路线图，EUV光刻胶量产需要达到的如下目标：

(1)高分辨率：线宽达到22nm及以下。

(2)高曝光灵敏度：10 mJ/cm2。

(3)低的线边缘粗糙度 (lineedge roughness，LER)：1.5nm(3σ)。此外，EUV光刻胶还应具有低的辐照放气量，仅对投影光学系统产生微量的污染，并且污染能够被完全去除。

EUVL作为22 nm及以下节点最有前景的下一代光刻技术，光刻材料的性能指标尤其是LER仍然存在着一定的差距。分辨率、LER和灵敏度之间的平衡关系已成为提升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、增强对光子的有效吸收、减小分子尺寸、增加光酸产量以及酸的各向异性扩散等方面改进EUV光刻胶的性能。未来EUV光刻胶主要研究方向有：从材料设计和曝光机理来提高EUV的利用效率，增加曝光后显影过程中的溶解性对比度，从工艺上针对材料特性采用适合的工艺条件和处理措施。{4}

5、现有技术下EUV达到的生产效率

目前全球的EUV机台供应商仅为荷兰的ASML一家。在2014年9月份的SEMICONTAIWAN2014展览会上，ASML就已经表示第三代EUV设备已出货6台。

2014年ASML和IBM所创造的EUV产率记录是“24小时处理637片晶圆”。

2015年ASML和台积电实现了 “24小时处理大于1000片晶圆”的目标。

2016年计划达到“24小时曝光1500片晶圆的产量”。

EUV光刻设备产量的持续提升意味着满足量产只是一个时间问题。如果能够达到相应的曝光数量，进一步压低成本，EUV光刻技术就将真正走向实现。

6、以EUV为代表的集成电路制造技术发展方式的展望。

11月初，在西安电子科技大学微电子行业校友论坛上，郝跃院士以《发展与共赢》为题发表演讲。会上，郝院士提出，“未来微电子企业要合作才能共赢”；“行业垄断正变得越来越难”的观点。并笑称：“我看两方面还是比较准，一个是人，一个是方向。”

事实上，以ASML和他的EUV光刻机技术来说，EUV光源来自Cymer； ASML使用的透镜来自于欧洲老牌光学厂商。计算光刻软件来自于2008年被ASML收购的子公司。宏观来说，没有这些公司产品的支持，仅仅依靠ASML自身是完成不了这么复杂的工程项目的。

有分析师认为，ASML最核心的竞争力就在于其强大的整合能力，可以把所有的技术资源精确的整合起来形成品质有保证的产品。

结论：EUV仍是非常有潜力的新一代光刻技术，然而受制于极紫外光发射功率和光刻胶的工艺水准迟迟无法达到量产水准。但在ASML为首的公司就EUV光刻前景的不断奋斗下，EUV的早日应用可以说是指日可待。

参考文献：