EUV光源介绍
作者：刘伟晨
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高能光源是实现大规模量产并降低成本的前提和保障。而且，由于要同时满足EUV 光刻胶对分辨率和线宽粗糙度(LWR)的需求，光源的功率需要不断提高。根据预测，功率＞115W的光源可以确保涂有敏感度为5 mJ/cm2光刻胶的硅片的产能＞100 片/h，对于敏感度达到10 mJ/cm2的光刻胶就需要180W的光源而敏感度高于20 mJ/cm2 的光刻胶甚至需要200W以上的光源以满足量产需求。
由此可知，为了满足未来EUV 光刻技术的发展需要，其光源结构也必须能够支持升级换代。尽管目前实验型的EUV 曝光光刻设备使用的是低功率辉光放电等离子体(DPP)光源，但是它不能够满足大规模量产的需求。而激光等离子体(LPP)光源由于其具备高功率输出的优势最有希望担负起EUV 光刻技术量产的大任，进而继193 nm 浸没式光刻技术后成为ICs 制造领域的主流光刻技术。EUV 光源要能够达到实用，在照明系统的入口处，在波长为13.5 nm 带宽为2％的范围内，需要115 W 的EUV 输出功率。表1给出了满足大批量生产的EUV 光源性能。
表1 用于大批量光刻的EUV 光源性能要求
现代技术的飞速发展需要集成电路不断小型化，因而开发下一代光刻光源以满足小型化的要求成为当前的一项紧迫任务。目前工业界确定的下一代光刻光源是波长为13.5 nm的极端远紫外(EUV)光源，它能够把光刻技术扩展到22 nm 以下的特征尺寸，激光等离子体（LPP）光源被认为是这种光源的最佳候选者。美国Cymer 公司从1997 年起就开始EUV 光源的研制，目前正在开发的EUV 光源有两种：放电等离子体源(DPP)和激光等离子体源(LPP)。前者将Sn 的滴液(小滴)滴到激光上发光；后者在放电气体中加入电压，产生等离子从而发光。EIJVA 正在开发这两方面的光源，已经在LPP 中达到20 W 的聚光点及在DPP 中达到54 W 聚光点。伴随着大量的新闻发布，Cymer 公司在SEMICONWest2007 期间宣布其在极紫外线(EUV)光刻光源上的成功。光刻设备供应商ASML 已经选择Cymer 公司的极紫外线光源用于量产设备，并签署了一份长达多年的多项目协议，计划在2008 年底首次供货。
在与ASML 合作的这项协议中，Cymer 公司详细说明了在激光等离子体(LPP)光源技术方面的进展，包括一个输出功率达到50W 的光源，这个值是该公司之前声称的输出功率的两倍。Cymer 公司打算在年底将输出功率再提高1 倍，最终的目标是批量生产的输出功率的光源至少200 W。100 W（光源）的目标年底之前就被考虑，用于高量产EUV 扫描光刻机的Track 之上，但这个目标是在变化的。原先的估计取决于理想的抗蚀剂感光度和镜面系统。Cymer 光刻技术应用市场副总裁Nigel Farrar介绍，如果缺少这些，功率要求可能要提高2 倍或3 倍。
之后Cymer 公司的开发计划—2007 年底输出功率达到100 W 正在按照时间表如期推进。从时间和规格来看，于2008 年供货100 W 的EUV 光源很可能会配备到ASML 的β机上。为实现芯片批量生产需要高功率的激光器，同时又是降低EUV 光刻机的关键。目前EUV 光源的功率己可达10 W，试验样机的要求是30 W，而真正满足批量生产要求是100 W 以上。Cymer 公司从2006 年6 月开始运行最新的极紫外线光源(LPP)的雏形是采用一个多级CO2 激光和一个小锡滴靶。几个开发者已经将重心从放电等离子体转移到激光等离子体上，主要是因为激光等离子体光源被认为更为稳定而且更能产生高扫描生产能力所需要的功率。他们同样也已经从主要使用氙靶转变到锑靶，因为它具有更高的转换效率。
EUV 光源研究的主要内容
(1) 等离子体产生。目前主要有LPP 和DPP 两种技术途径，两者各有优缺点，究竟哪一种技术途径更合适，尚需进一步定论。
(2) 提高输出功率。目前LPP EUV 光源达到的输出功率为7 W@2π，其中激光器输出200 mJ，脉宽9 ns，重复频率5 kHz，工作气体为Xe，最高能量转换效率达到0.7 %。Powerlase 公司计划在2005年采用三套并联技术，将激光输出提高到3.6 kW，在IF 点得到10～20 W 的EUV 输出[10]。提高LPP光源输出功率的主要问题是提高激光器的输出功率和能量转换效率。DPP EUV 光源目前达到的输出功率为25.7 W(Xe，收集角1.8 sr，IF 点，转换效率1%)和51.4 W(Sn，收集角1.8 sr，IF 点，转换效率2%)，技术上可以达到224 W，满足对EUV光源输出功率的要求。提高DPP 光源输出功率面临的主要问题是提高转换效率，优化发射谱，提高电极的热载荷。
(3) 延长光源的寿命。根据ASML，Canon，Nikon 联合提出的对光源的需求，要求光源寿命大于30 000 h，按7～10 kHz 的重复频率计算，寿命约为700 G～1 000 G 个脉冲。光源的寿命主要取决于电极、喷嘴、光学系统等。对LPP 光源，喷嘴的寿命目前可以优于1.5 G个脉冲，反射镜的寿命可达5 G个脉冲。对GDPP(气体放电产生的等离子体)光源，在带有碎片过滤器的条件下，光学
系统目前的寿命可优于0.1 G个脉冲，电极的寿命可优于0.3 G个脉冲，集光器的寿命可达0.5 G～1.0 G个脉冲。可以看出，系统寿命距离要求还有很大的距离。
(4) 测量和在线监测技术研究。EUV 光源需要的测量项目主要包括：能谱测量(红外-X 射线)、辐射总功率测量、EUV 谱精细测量、EUV 输出功率稳定性测量、辐射源空间分布测量、光学系统及电极的退化测量等。主要采用的测量设备有：光谱仪、功率探测器、相机、粒子分析仪、电子扫描显微镜和EUV 标定源等。
(5) 与EUVL 光源相关的基础研究。与EUVL光源相关的基础研究有：粒子和等离子体对光源部件的侵蚀和沉积机制、光源产生的粒子种类和能量分布、热量的产生和输运机制、辐射的产生和输运机制等。
Cymer作为光刻光源领域的领先供应商，目前专注于提供DUV 及EUV 光源。半
导体进入32 nm 节点，业界寄希望于波长13.5 nm 的EUV 光刻技术实现工艺量产，而未来更可能缩短至10 nm。激光能量和扫描速度是光刻机两重要因素，EUV 实现量产需要达到光源200 W、Wafer 处理速度100 W/h。2004 年Cymer 公司在EUV 光源开发上转入了激光等离子体(LPP)技术，研制出高扫描生产能力所需功率的稳定光源。目前，100 W 的LPP 技术EUV 光源已经发货，200 W 光源正在研发中。光源是EUV 一大挑战，2012 年业界或能转入EUV 量产阶段。Cymer 公司在这方面取得了很大的研究进展。采用受激准分子激光驱动技术获得高功率驱动激光，即首先通过固态主振荡器(Sold State MasterOscillator)提供高质量激光束，再利用受激XeF 准分子功率放大器实现了可靠的高能量脉冲输出。当前研制的LPP 光源输出功率约800 W，IF 处EUV 输出为4.52 W，2007 年驱动激光输出功率已能够达到7 kW，IF 处EUV 输出可达102.23 W，接近115 W 的目标。
激光等离子体EUV 光源(LPP)
激光等离子体EUV 光源是通过高功率的激光器轰击金属靶、液体靶或气体靶，在焦点处产生等离子体，激光继续加热产生核心电离从而发出X射线。目前可采用的激光器波长范围从10.6 μm 到193 nm。脉冲宽从小于100 fs 到大于30 ns 聚焦功率密度从109 W/cm2 到超出1018 W/cm2，聚焦半径从1 μm 到大于100 μm,激光脉冲能量从小于0.1 J到超过100 J。采用的介质多为氙气体靶、氙液体靶和Sn 靶。因锡靶有可能提高激光等离子体EUV 光源的效率，故自2002 年以来,有更多的实验室尝试采用锡靶。
图1 光源光线收集示意图
2007年Sematech 在Baltimore，Md. 主办的EUV 光源研讨会(EUV Source Workshop)上，12 家供应商和研发小组介绍了三类大功率激光系统的准备情况和研发计划，它们被设计用来与锡进行碰撞以产生EUV 光。根据光源供应商的说法，以锡为燃料的LPP 光源，目前能够在短时间内产生高达130 W 的功率，从而可以用高效集光器在中间焦点(intermediatefocus，IF)上得到40 W 以上的功率。研讨会主席、Sematech 高级技术专家Vivek Bakshi 指出：如果这些光源的商业版本能够被及时地集成到一个可靠的光源收集模块(SoCoMo)上，就能提供足够的功率来满足预定于2009 年交货的beta EUV 光刻机40～60 W 的最低功率要求。虽然所有这3 种激光系统还不能达到商用EUV 光刻机所需的10～20 kW 的功率，但是可以通过“倍增”低功率系统来获得必要的瓦特值。“这种方式的激光器连接模块的可行性已被证实了一段时间了，”Bakshi 说，“随着单个激光器模块的功率和可靠性的提升，在LPP 光源中只需较少的模块就可以达到足够的功率。”
2008年3 月一个关于极紫外(EUV)光刻光源开发的新联盟在日本启动，这是继EUV 曝光技术开发完成后，日本极紫外光刻系统开发协会(EUVA，日本川崎)的又一动作。2008 年5 月，该协会举行了最后的讨论会，报告EUV 光源开发成果。报告结果主要展示了采用激光等离子体技术(LPP)的中间聚焦点为60 W 的EUV 光源，和采用放电等离子体技术(DPP) 的中间聚焦点为20 W 的EUV 光源。之前在2008 年3 月份结束的这个项目获得了日本经济贸易产业省(METI)的支持，为期5 年，总金额达到1.25 亿美元。
然而，EUV 光源开发的成果尚不能商业化，光源靶极设定值超过了115 W，可满足300 mm晶圆100 片/h 的量产需求。这个新联盟包括EUV 光源开发商UsioInc. (Tokyo) 和Komatsu Ltd. (Tokyo)，EUV 设备制造商Nikon 和Canon，并与METI 的下属机构新能源和技术开发组织(NEDO)签订了为期2 年的合同。合同帮助新联盟使用之前EUVA 项目的工具设施。Nikon、Canon 和ASML 公司目前都在为R&D研发中心提供alpha 样机，但对于32 nm 及更高节点的量产来说，EUV 光源的能量仍是个问题。更高能量的EUV 光源仍在期待中。
在2008 Sematech 光刻论坛(Bolton Landing,N.Y.)举行的小组讨论会上，与会的专家们针对包括极紫外光刻技术(EUV)、双重成像技术、高折射率浸没式光刻技术、纳米压印技术以及无掩模版电子束成像技术在内的各种可能的图形解决方案的优、缺点各抒己见。然而，在这些讨论中各种技术都面临着共同的问题，即采用何种商业运作模式以回收巨额的先期研发投入、如何进行利益分配和成本控制以及如何扫除光刻技术前进道路上的障碍。这次的光刻论坛的一项重要议程是在听取各项光刻技术进展报告后，与会的专家们对业界接纳并采用这些技术的可行性进行投票表决。基于统计结果(图2所示)，在2012 年EUV 技术会取得领先优势，但在2016 年这项技术才会真正成为业界的主流。对于2012 年的22 nm 技术，极紫外光刻技术具有压倒性的优势，这项技术约60%被调研者看好。
图2 光刻论坛的初步调研结果（来源：Bernie Roman）
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