超紫外线（Extreme Ultraviolet，EUV）光刻技术被认为是未来取代深紫外线（Deep Ultraviolet，DUV）且满足摩尔定律的22纳米及以下世代最可行的候选技术。由于激光激发的等离子体（Laser Produced Plasma，LPP）技术较易达到高功率超紫外线光源之需求，且具有较高的超紫外线发射效率和收集效率，是量产用超紫外线光源系统的最佳选择。超紫外线光源系统未来技术研发蓝图提供了一份符合大规模生产的超紫外线光源系统的详细进程表和针对22纳米及以下一代制程的技术要求。
Benjamin Szu-Min Lin, Cymer Southeast Asia Ltd.; David Brandt, Nigel Farrar, Cymer Inc.
超紫外线光刻技术是被列在国际半导体技术蓝图（International Techonology Roadmap for Semiconductor，ITRS）中作为193纳米浸润式光刻技术之后可以在2013年满足出32纳米及以下世代最有前景的技术。然而，针对某些储存组件量产时程，如NAND型闪存，则要求提早在2011年就需应用超紫外线光刻技术作为量产技术，甚至在2009年就需要此光刻技术作为早期研发之用。为了实现超紫外线光刻技术，首先需要投入众多资源开发高功率和高可靠度的超紫外线光源，再者需要来解决超紫外线光阻剂性能问题, 如光阻敏感度（photosensitivity），线边缘粗糙度（Line Edge Roughness，LER），以及线宽粗糙度（Line Width Roughness，LWR）等。目前超紫外线光阻的敏感性和光学穿透率使得超紫外线光源的可用频宽超紫外线光阻剂性能订在2 %以内。根据此超紫外线光源2 %可用频宽和100wph产量产出的条件，超紫外线扫描式曝光机制造商订出超紫外线光源在中间焦点（intermediate focus，IF）处输出功率的早期规格应该要大于115瓦，（假设使用5 mJ/cm2敏感度之超紫外线光阻），或者大于180瓦（假设使用10 mJ/cm2敏感度之超紫外线光阻）。若超紫外线光阻的敏感性高于20 mJ/cm2，超紫外线光源的输出功率则被要求高于200瓦。因此，可扩充输出功率的超紫外线光源架构才可符合超紫外线光刻技术在技术生命演进周期中的使用需求。低功率放电激发等离子体（discharge-produced-plasma，DPP）超紫外线光源文献上已可达到10瓦之中间焦点输出功率，且预期将可扩展到30 – 50瓦之水平。但为能扩充到高于200瓦以上之中间焦点输出功率，则激光激发的等离子体（Laser-produced-plasma，LPP）超紫外线光源更加有机会达成目标，且预计将在193纳米浸润式时代之后，提供必要的高功率超紫外线光源，以满足大量生产时超紫外线扫描式曝光机生产集成电路之用。
图1. 激光激发的等离子体超紫外线光源系统
激光激发的等离子体超紫外线光源，是通过投射激光束至标靶元素，如氙气，锡或锂，以产生电子温度高达几十电子伏特的高度离子化等离子体，并辐射出13.5纳米波长超紫外线。在离子激发和重组的过程中产生的高能超紫外线向四面八方辐射，随即被一个垂直入射的镜面集光器所反射，并集中到一个中间焦点，再从那里照射至光学扫描式曝光机的光学系统，并最终曝射在晶圆上。从激光能量转换到超紫外线能量间的转换效率是激光激发的等离子体超紫外线光源能否达成所需要的高输出功率的重要关键。我们以前曾发表了几种激光波长和标靶元素之组合对转换效率和其他光源整合方面的调查研究1，但在这份报告中，主要将探讨锡滴标靶和二氧化碳激光所组合的激光激发的等离子体超紫外线光源输出功率的研发。并针对关键子系统技术的发展，如液态锡滴产生器，多层镀膜镜面式集光器，和碎片缓减机制，做了详细的讨论。最后，未来的激光激发的等离子体远超紫外线光源研发蓝图，将指出应用在量产规模上的激光激发的等离子体远超紫外线光源所应有的输出功率目标和需求时程。
激光激发的等离子体超紫外线光源输出功率研发进展
西盟科技在2006年第二季组装了一个激光激发的等离子体研发系统，其中包括一个高功率且高频率的二氧化碳激光，此二氧化碳激光配备有一个可以进行多阶段放大功能之轴流式射频泵浦MOPA装置（axial-flow RF-pumped MOPA configuration）2。在安装阶段，二氧化碳激光输出功率约当3千瓦（频率30千赫兹）。在2006年第四季后期，我们对二氧化碳激光系统进行了升级，增加输出功率到约7 千瓦（频率50千赫兹）。二氧化碳激光脉冲经过放大，整形，并对焦后，进入激光激发的等离子体真空室。激光脉冲非常精准地击射在由液态锡滴产生器所产生频率为50千赫兹的液态锡滴上。具有高度激发物质的等离子体前导波在二氧化碳激光脉冲与液态锡滴作用的区域辐射出13.5纳米光子（超紫外线）。专为13.5纳米波长所设计的多层镀膜反射镜集光器（直径大小为600mm）收集背向辐射光源，并将光源导向位于光源输出端的中间焦点位置，以做为扫描式曝光机曝射晶圆之用。
西盟科技自从两年前的原型系统开始3 ，就把激光激发的等离子体超紫外线光源研发重点放在不断提高实质激光输出功率上。 在2007年第四季藉由液态锡滴标靶在3%转换效率下，达到100瓦爆发功率以及5瓦的超紫外线光源平均输出功率。为了提高超紫外线光源平均输出功率，如何降低在激光束传递组件和激光腔体的组成部分所产生的热效应则为重要课题。在2008年第一季，超紫外线光源平均输出功率成功增加到35瓦，但是系统运作时间只有2.5秒。在2008年第二季，由于改善热效应，系统运作时间已可增加到1.5小时，且超紫外线光源平均输出功率为25瓦。上述超紫外线光源平均输出功率测量是在没有集光器的情况下，测量等离子体功率，并假设600mm直径的集光器在 50 %的平均反射率和90 %的穿透率下计算出的结果。然后在2008年第三季，在安装有一个320mm直径多层镀膜反射镜集光器情况下，多次达到系统运作时间超过8小时的运转纪录。在这些试验中，在1ms爆发持续时间（burst duration）和8 %的工作周期（duty cycle）情况下，用远程的荧光转换器和CCD相机来做测量，测量爆发功率（burst power）结果接近50瓦。
激光激发的等离子体超紫外线光源系统的能力已提高至400ms爆发持续时间和80%的工作周期，这样的表现已经可符合一般的扫描式曝光机运作需求。图2（a）和图2（b）显示激光激发的等离子体超紫外线光源系统在400ms爆发持续时间和80 %的工作周期运转时的系统表现。平均输出功率约20瓦且维持18小时连续运行。在此时段中所累积的超紫外线剂量已超过1MJ，足够进行大约 250片十二英寸晶圆曝光（假设曝光能量为10mJ/cm2） 。
图2.（a）激光激发的等离子体超紫外线光源系统平均输出功率约20瓦且维持18小时连续运行（b）累积的超紫外线剂量已超过1MJ，足够进行大约250片十二英寸晶圆曝光(假设曝光能量为10mJ/cm2)。
关键激光激发的等离子体超紫外线光源子系统技术发展
除了获得较高的超紫外线光源平均输出功率和更长的运转时间外，稳定的激光激发的等离子体超紫外线光源系统仍需开发以下数个子系统技术，以提高系统的稳定性和可靠度。这几个关键子系统为: 精确控制液态锡滴状态的液态锡滴产生器，高反射率多层镀膜反射镜集光器和碎片缓减控制机制。这三个子系统研发现状将介绍如下。
液态锡滴产生器
液态锡滴产生器的主要要求系在20 - 200千赫兹可控制范围内产生均匀且稳定的锡滴，并提供高可靠度的长时间运转。最近所研制的液态锡滴产生器相较以往的液态锡滴产生器因大幅的性能改进，更能满足以上要求4。经由调整液态锡滴产生器的喷嘴参数（例如，施加压力和驱动器驱动电压），以及保持整体机械系统的稳定性，可以提供均匀且稳定的液态锡滴。
图3（a）和图3（b）分别显示50μm直径锡滴在50千赫兹频率下精准时间掌控度和短期定位稳定性。锡滴周期的标准差是86ns（为锡滴周期20μs的 0.4 %）。短期锡滴定位的标准差0.5μm，且锡滴位置漂移量为7.3μm/min 。即使在测试了500个小时后，锡滴周期的标准差和短期锡滴定位的标准差一样保持稳定。当锡滴直径缩小到30μm时，锡滴周期和短期锡滴定位在控制上一样可以达到系统要求。在第二代极紫外线光源系统中，锡滴直径将减少至10μm。若假设85%的机台利用率和90%的机台可用时间，高频率运转条件下锡滴的总消耗量估计每系统每年用不到1公升锡滴。
图3. 显示50μm直径锡滴在50千赫兹频率下
多层镀层反射镜集光器
在激光激发的等离子体超紫外线光源系统配置中，激光束通过多层镀层反射镜集光器中央开口，并聚焦在锡滴标靶上产生等离子体。背向辐射的超紫外光以接近垂直入射的角度打在椭圆形多层镀层反射镜集光器上，再反射至中间焦点5。在研发初期，一个较小的椭圆形多层镀层反射镜集光器（300毫米的光学直径）被用来示范光线收集能力。
经过加工和超精细抛光之后，使用符合大面积集光器涂层之直流磁控溅射沉积工具和技术来制作这个小集光器镜面表面涂层。高温稳定的渐层表面涂层与特殊的界面设计，使得多层镀膜在不同角度均可提供高紫外线反射率6。原子力显微镜测量结果可以确定此镜面表面涂层的平滑度足以提供高反射率。图4（a）表明在多层镀膜完成后，原子力显微镜测量结果显示在1.8μm x 1.9μm面积范围内，高空间频率粗糙度只有0.452nm。反射镜的反射率曲线则是用同步辐射技术来测量（PTB，柏林）。图4（b）显示了在集光器表面不同位置之均匀的反射率曲线且最高反射率为57 %。
图4 .（a）在多层镀膜完成后，原子力显微镜测量结果显示在1.8μm x 1.9μm面积范围内，高空间频率粗糙度只有0.452nm。（b）显示了在集光器表面不同位置之均匀的反射率曲线且最高反射率为57 %。
碎片缓减机制
激光激发的等离子体超紫外线光源中激光射击锡滴标靶后，所产生可能撞击集光器表面上的碎片共有以下三种形式：高能量的离子，中性原子和标靶材料微颗粒。高能量离子是三种碎片类型中最易造成集光器表面涂层受损，而中性原子和标靶材料微颗粒对集光器的损害是相当小的，因为大多数标靶材料朝远离集光器表面的方向移动。具有数千电子伏特能量的高能量离子与集光器表面涂层相互作用的结果，会侵蚀多层镀膜反射镜集光器的表面涂层材料。目前所开发出的离子缓减技术可抑制离子流高达4个数量级，如图 5（a）所示。当多层镀膜之层数不太多时，深度剖面分析技术，例如二次离子质谱仪（SIMS） 是相当合适用来检验离子缓减技术的成效3。为了验证离子缓减技术的效果，让一个多层镀膜反射镜集光器（8组双层镀膜外加一个覆盖层）先经过2小时的激光激发的等离子体光源照射（能量相当于输出功率为60瓦，10 %的工作周期），照射后的样品采用定性的二次离子质谱仪进行了深入分析。结果显示在图5（b），并没有发现离子侵蚀。
图5.(a)目前所开发出的离子缓减技术可抑制离子流高达到目的个数量级。(b)照射后的样品采用定性的二次离子质谱议进入深入分析，并没有发现离子侵蚀。
未来的研发蓝图
激光激发的等离子体超紫外线光源的研发蓝图列于表1 。满足小量试产扫描式曝光机之需要的激光激发的等离子体超紫外线光源系统预计在2009年推出。此产品紫外线光源输出功率的目标是大于 100 瓦，并使用11千瓦二氧化碳激光与锡滴系统，以达到3.0 %的转换效率。垂直入射集光器将采用收集角度5sr（600mm光学直径）和具有超紫外线平均反射率接近60 %的涂层。因模糊，吸收，和碎片缓减技术造成的光学穿透度损失预计将低于20 % 。为了符合预期中间焦点输出功率的要求，大规模生产第一代和大规模生产第二代激光激发的等离子体超紫外线光源将以19千瓦和> 20千瓦二氧化碳激光技术外加少许转换效率的改善，预计分别可以在2010/Q1和2011/Q3推出适合大规模生产之第一代和第二代激光激发的等离子体超紫外线光源。
结论
激光激发的等离子体已被证明是可行和具可扩展性，且可满足扫描式曝光机制造商的需求的超紫外线光源技术。大于100瓦输出功率的激光激发的等离子体超紫外线光源，预计在2009年将满足小量试产扫描式曝光机的需要。适合大规模生产之第一代和第二代的激光激发的等离子体超紫外线光源系统预计将分别在2010/Q1和2011/Q3推出。
参考文献
1. B. A. M. Hansson，et.，in: Proc. of SPIE Vol. 5751，Emerging Lithographic Technologies IX，R. S. Mackay，Ed.，248-259 (2005).
2. I. V. Fomenkov，et.，in: Proc. of SPIE Vol. 6151，Emerging Lithographic Technologies X，M. J. Lercel，Ed.，61513X，(2006).
3. B. A. M. Hansson，et.，in: Proc. of SPIE Vol. 6151，Emerging Lithographic Technologies X，M. J. Lercel，Ed.，61510R，(2006).
4. J. M. Algots，et.，in: Proc. of SPIE Vol. 5751，Emerging Lithographic Technologies IX，R. S. Mackay，Ed.，248-259 (2005).
5. N. R. BÖwering，et.，in: Proc. of SPIE Vol. 6151，Emerging Lithographic Technologies X，M. J. Lercel，Ed.，61513R，(2006).
6. T. Feigl，et.，in: Proc. of SPIE Vol. 6151，Emerging Lithographic Technologies X，M. J. Lercel，Ed.，61514A，(2006).(end)
|
