圖1：ASML前期制作掃描儀——雙子掃描NXE:3100
極紫外（EUV）光刻的研究已經(jīng)已經(jīng)超過20年了，在所有尚未解決的技術(shù)難題中，最大的難題是如何產(chǎn)生適用的光線。過去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，一些研究者曾嚴(yán)重懷疑250瓦的大批量制造的目標(biāo)究竟能否達(dá)到，然而現(xiàn)在這個(gè)目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。怎么做到的？當(dāng)然是通過對(duì)每個(gè)微小細(xì)節(jié)一絲不茍的研究。不久前，關(guān)于極紫外光刻是否運(yùn)用到工業(yè)芯片制造中還是個(gè)飽受爭(zhēng)議的問題。“我們發(fā)現(xiàn)EUV光源問題比我們以前想得要難得多，”奧巴尼亞（美國(guó)）Sematech的光刻主管斯特凡吳在2013的LFW文章中說道。而在2014年，ASML/Cymer的研發(fā)團(tuán)隊(duì)首次證明了250瓦紫外光刻的可行性。當(dāng)Trumpf集團(tuán)在2015年宣布投資8千萬(wàn)美元到一個(gè)新的EUV泵激光器工廠中的時(shí)候，研究者對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的信心更加堅(jiān)定了。
今年，ASML和Trumpf極紫外光刻方面的銷售創(chuàng)了紀(jì)錄。經(jīng)過多年來(lái)的大量的研發(fā)投入，像英特爾、三星、臺(tái)積電、IBM和格羅方德這樣的工業(yè)巨頭把EUV納入未來(lái)兩年為7納米節(jié)點(diǎn)推出的藍(lán)圖。三星對(duì)此已經(jīng)制定好了計(jì)劃，而其他比如像羅格方德宣布在大批量制造技術(shù)成熟時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)移到EUV領(lǐng)域。
激光系統(tǒng)
ASML/Cymer團(tuán)隊(duì)在近期文章中概述了了關(guān)于他們EUV光源的大批量制造的工作。他們表示對(duì)于占空比60%的典型掃描儀，每小時(shí)100個(gè)晶片的產(chǎn)量，晶片的功率應(yīng)該超過約550mW。這意味著EUV光源提供在中間焦點(diǎn)的曝光設(shè)備的能量應(yīng)該大于200瓦。
在13.5nm的波長(zhǎng)產(chǎn)生200W的功率可以選擇的方法是在微小的錫滴上燒制CO2激光。激光蒸發(fā)錫然后產(chǎn)生一個(gè)發(fā)射非相干輻射到一個(gè)實(shí)心的球體的等離子體。在中間焦點(diǎn)的功率描繪了可用于照亮半導(dǎo)體的會(huì)聚光器件后面的光。
目前的挑戰(zhàn)是非常之多的，簡(jiǎn)單舉幾個(gè)例子：穩(wěn)定性、碎片減緩、功率調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換效率等，上述例子中最后兩個(gè)對(duì)于200瓦的大批量制造的目標(biāo)是最重要的因素。經(jīng)管Trumpf早已擁有用來(lái)切割和焊接的千瓦級(jí)CO2激光器,他們也得完全重新考慮他們激光系統(tǒng)產(chǎn)生EUV的問題。
由于二氧化碳輻射到EUV的轉(zhuǎn)換效率為百分之幾，二氧化碳源必須提供20 kW以上的功率的能源。輻射以50kHz的脈沖碰撞~30 µm的錫滴。對(duì)于升級(jí)過的效率轉(zhuǎn)換最重要的是激光器必須有一個(gè)特殊預(yù)脈沖。在測(cè)試了幾組不同設(shè)定的方案后，團(tuán)隊(duì)用雙子掃描NXE:3100系統(tǒng)達(dá)到了三級(jí)功率放大（+預(yù)放大），如圖1所示。
預(yù)脈沖頻率正確才能成功
在激光科學(xué)研究的早期，科學(xué)家們就早已開始研究激光產(chǎn)生等離子。之后很快，科學(xué)家就清楚了預(yù)脈沖可以極大提高激光轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子輻射的轉(zhuǎn)換效率，科學(xué)家從1970年就在理論上和實(shí)驗(yàn)上對(duì)這種能量轉(zhuǎn)換的效果開始了刻苦的鉆研。EUV的研發(fā)團(tuán)隊(duì)曾必須近距離觀察激光產(chǎn)生等離子的實(shí)驗(yàn)，不僅僅是為了更進(jìn)一步達(dá)到大批量制造的目標(biāo)，也為了解決一個(gè)經(jīng)濟(jì)議題：每一個(gè)百分點(diǎn)的轉(zhuǎn)換效率的提高將為消費(fèi)者節(jié)省數(shù)百萬(wàn)的投資。
圖二展示了預(yù)脈沖技術(shù)的進(jìn)化所取得的令人驚嘆的進(jìn)步。預(yù)脈沖蒸發(fā)了錫滴，將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)擁有完美形態(tài)和密度的目標(biāo)。實(shí)際上，目標(biāo)直徑早已被擴(kuò)大到400µm，轉(zhuǎn)換效率提高到超過4%的盤形目標(biāo)。在目標(biāo)直徑處，激光束輪廓比明顯小于光束尺寸的液滴初始尺寸更好用。
如研究人員論文報(bào)告所述，一臺(tái)經(jīng)過改良的ASML NXE:3300B激光器在15年末和16年初展示了持續(xù)一個(gè)小時(shí)的EUV功率控制，功率為210瓦，這個(gè)突破性成果也第一次闡明了以激光為光源的EUV滿足大批量制造的能力。
同時(shí)，ASML/Cymer的作者稱超過十個(gè)他們的EUV激光光源器已經(jīng)在全世界范圍被投入使用，積累必要的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)最終使其技術(shù)能做到大批量制造。MOPA（主控振蕩器的功率放大器）預(yù)脈沖技術(shù)已經(jīng)被確認(rèn)為提高功率輸出的正確方式，以及在中間焦點(diǎn)建立了把功率穩(wěn)定在210瓦的機(jī)制。具有> 5 sr光收集和高平均反射率的正常入射收集器反射體目前已經(jīng)開始批量生產(chǎn)，并且在該領(lǐng)域中使用壽命越來(lái)越長(zhǎng)。NXE 3350B上增強(qiáng)的集電極保護(hù)和原位清洗技術(shù)預(yù)計(jì)將進(jìn)一步延長(zhǎng)使用壽命， NXE 3400B于2017年在客戶的設(shè)施中安裝。
在Semicon West 2017上，ASML團(tuán)隊(duì)聲稱“通過真正理解光源的轉(zhuǎn)換效率和并將合適的控制置于合理的位置”，250瓦的功率可以持續(xù)的保持。
圖二：不同目標(biāo)形狀和密度的轉(zhuǎn)換效率
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