極紫外 (EUV) 光刻系統是當今使用的最先進的光刻系統。本文將介紹這項重要但復雜的技術。

(相關資料圖)

目標：更小的波長

13.5 nm 波長的引入延續了半導體行業自使用藍光（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。當最終投影到晶圓上時，傳輸的圖像會被縮小。最小間距是波長除以系統的數值孔徑 (NA) 的一半。光學系統的 NA 是一個無量綱數，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，因為這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系統。這導致了所謂的“環形場”投影系統的發展，該系統導致整個曝光場旋轉照明 [1]。Pre-EUV 光學系統可以依賴軸上透射光學系統，它通過沒有旋轉來簡化照明設置。

不同的musk

EUV 波長的使用還導致了對掩膜結構的徹底改造。musk（掩膜）也是一種反射元件。反射是通過由至少 40 個鉬/硅雙層組成的多層膜實現的。掩模圖案使用吸收層，目前基于鉭，厚度為幾個波長。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膜的薄膜的保護，該薄膜與musk表面保持一定距離。為 EUV 開發薄膜是一件大事，因為光必須通過它兩次作為非反射傳輸元件。

更改數值孔徑

當前 EUV 系統的數值孔徑為 0.33。在下一代 EUV 系統中，數值孔徑將增加到 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，預計焦深會比分辨率降低得更快，因為它大致與波長/(NA)^2 成正比（圖 1）[3]。對于 0.55 NA EUV，這導致了對使用薄至 20 nm 的抗蝕劑（晶圓上的吸收圖像層）的擔憂 [4]。

圖 1. 焦深與最小間距的歷史趨勢 [3]。

0.55 NA 系統有額外的復雜性。首先，它是一個半場系統，這意味著需要兩次掩模掃描來填充與早期系統中的單次掩模掃描相同的區域 [5]。其次，最后兩個光學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。

遮擋是影響當前 0.33 NA 系統的預計縮放比例的基本系統差異。在到達最終聚焦元件之前會有光損失。此外，圖像質量將從根本上改變。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，因為第一個衍射級被移除。這些旁瓣可以隨機打印 [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）模糊情況下的隨機旁瓣打印（頂視圖）（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典光學處理中并不明顯。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，導致脫氣，從而污染 EUV 系統中的光學元件。出于這個原因，EUV 系統現在包含一個最低限度吸收氫氣的環境，這將保持光學元件表面清潔而不氧化它們。然而，已知氫氣也會引起起泡 [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散開，導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。進一步加劇傳播效應的是整個事件鏈的內在隨機性。

EUV 揭示了光刻的隨機性

光子吸收和電子散射本質上都是隨機事件。這些導致CD不均勻和邊緣粗糙，甚至放置錯誤和嚴重缺陷。吸收的光子密度越低，隨機效應越嚴重。稀釋劑抵抗減少吸收，增強這種效果。然而，增加的光子密度導致增加的電子數密度和增加的電子模糊，其隨機性導致隨機缺陷[10]。DUV 光刻沒有處理隨機問題，主要是因為特征尺寸足夠大以確保足夠的光子，但 EUV 無法利用此優勢。

審核編輯：湯梓紅