美国NIST发布极紫外光刻分析报告

2023年8月22日，美国国家标准与技术研究院（NIST）发布《极紫外光刻（EUVL）工作组会议报告：现状、需求和前进道路》。围绕EUVL的研究、开发和制造，2023年4月25日NIST举行了交叉工作组会，对EUVL的许多关键技术问题和所需计量学进展进行了富有成效的讨论。根据EUVL工作组会议讨论结果，报告简要概述了EUVL五方面技术主题并提出了行业发展建议，最后总结了调查结果和后续工作开展建议。

EUVL工作组会议上，行业参与者的发言为报告概述EUVL的科学现状、挑战、需求和未来加速创新的机遇提供了信息；NIST介绍了已经开始或继续支持美国半导体行业的一些工作，集中展示了NIST的核心能力和部分研究，为外部利益相关者提供了可见性和发表意见的机会。此次会议为行业参与者和NIST研究人员提供了相互了解的平台，确定NIST的计量知识如何协助EUVL研究，以建立有针对性的研究合作，加快半导体制造创新。

一

EUVL的五大关键技术主题及行业发展建议

EUVL是下一代半导体芯片制造的关键步骤。目前唯一一家生产EUVL扫描仪组件的公司是总部位于荷兰的ASML。EUVL系统并非仅在荷兰制造，而是由在全球开发的许多模块组成，然后运送到荷兰的ASML总部进行最终组装和测试，最终交付给客户。EUV光是由高纯度锡产生的高温等离子体产生的。固体锡在液滴发生器内熔化，该仪器在真空室内每分钟连续产生超过300万个27 μm液滴。平均功率为25 kW的脉冲二氧化碳（CO2）激光器用两个连续脉冲照射锡滴，分别对锡滴进行成形和电离。最初，会产生数千瓦的EUV光，但沿着光路的吸收和散射损耗，只有一小部分到达光刻掩模。13.5 nm光的输出功率和光束质量通过间接闪烁体相机（scintillator-camera）测量推断。多层收集镜系统将光引导至光敏聚合物或光刻胶，将图案转移到晶圆上。通过恒定的氢气流保护收集镜免受锡碎屑的影响。每次曝光后，自动晶圆台以≤0.25 nm的分辨率定位晶圆，并每秒进行20,000次循环检查调整过程。总体而言，EUVL过程需要许多不同的工程系统之间的精确协调，主要包含以下五方面关键技术主题：

1. 液滴发生器

液滴发生器是EUVL扫描仪组件中的重要组件。液滴发生器控制进入EUV光源室材料的尺寸、速度和重复频率，这些材料被CO2激光器电离从而产生13.5 nm EUV光。因此，液滴发生器必须连续可靠地输送锡滴才能产生EUV光，否则会影响所有下游组件并导致运行停止。液滴的典型直径为27 μm，流速为80 m/s，重复频率为50 kHz。液滴发生器触发CO2激光脉冲发射，因此被称为整个EUV扫描仪组件的“心跳”。从美国立场来看，ASML EUV光源的研发和制造均位于加利福尼亚州圣地亚哥。

近几十年来，研究人员研究了锡以外材料的可能性，例如氙和锂。从安全性、成本和性能等因素来看，锡是EUVL制造应用中激光产生等离子体的优质材料。除锡以外，目前还没有公开的半导体制造中EUV光源材料路线图，因此在基础科学层面投资了解这种材料将产生近期和长期影响。业界对锡这一单一材料源的关注，使得未来有必要投入更多精力，来了解用于产生EUV光的复杂激光与物质相互作用所需的基本材料特性。

行业发展建议：目前对于高于大气压压力下的熔融金属缺乏可靠的材料特性。标准数据的缺乏阻碍了对液滴发生器进行数值模拟工作。为了提高性能，需要在极端条件（>500 K、>10 MPa）下对纯锡进行参考质量的热物理性能测试，并以标准参考数据（SRD）格式发布数据。

2. EUV生成的辐射计量学

工业EUVL工具主要涉及两种类型的光：用于电离熔融锡的脉冲高功率红外（IR）激光以及用于光刻的13.5 nm EUV光。前者由专用CO2激光器（λ = 10.6 μm）提供，以50 kHz重复频率发射约30 kW的平均功率。锡电离过程涉及两个快速连续的红外激光脉冲。红外激光器的输出对于开发未来光刻工具至关重要，因为EUV功率扩展需要更高的CO2激光功率。

NIST目前支持IR校准，但不支持商业EUVL所需的功率和脉冲条件。尽管NIST目前为微加工行业提供光刻校准，但仅限于193 nm和248 nm波长。EUV波长范围内的校准是可能的，但只能在比EUVL工具产生的功率（毫瓦）低得多的情况下进行。

行业发展建议：需要在工业EUV光刻相关条件下，为所用光（用于激发熔融锡滴的高功率红外激光和等离子体电离发射的13.5 nm光）开发专门的辐射计量工具，以提供关键工艺参数的可追溯计量。

3. 等离子体物理和建模

EUVL利用13.5 nm光生产集成电路。这种光的主要来源是用大功率激光产生高温锡等离子体。虽然大多数等离子体特性都是在大量实验中探索出来的，但可靠且经过验证的理论支持对于开发更好的锡等离子体源至关重要。一旦激光击中锡滴光源，就需要对光与物质的相互作用有一个准确的物理理解。

对激光产生的锡等离子体光发射进行高级计算时，通常使用大规模碰撞辐射（collisional-radiative，CR）代码建模，这些代码试图解释导致光子辐射的最重要物理过程，包括电子碰撞激发、去激发和电离、辐射、双电子复合、三体复合以及自电离等。此外，辐射传输和不透明度以及辐射流体动力学建模可能也是必不可少的。值得注意的是，等离子体建模的局限性还在于物质相互作用的基本物理机制的信息有限。

行业发展建议：行业利益相关者希望对锡等离子体进行建模。利用先进的碰撞辐射和辐射传输代码的验证，可以进行实现预测能力的模拟。建模实验将为当前模型奠定基础，扩展国际代码库的荟聚基础，从而在数据驱动模型的基础上选择“最佳”模型。

4. EUV组件的表征

报告主要讨论了EUVL扫描仪组件中EUV光相互作用的两个重要组件：光刻胶和收集器反射镜。光刻胶加工对于半导体行业至关重要，所有器件元件和相关结构都需要光刻制造的纳米级图案。单元尺寸缩小需要新颖的工艺架构、新颖的器件材料以及将互连间距缩小到12 nm，因此半导体制造工艺不断迭代，但使用EUVL大批量制造存在困难，其中光刻胶环节的改进尤为重要。由于大多数材料都会强烈吸收13.5 nm光辐射，因此使用EUV光进行图案化带来了许多新的挑战，需要使用反射镜而不是透镜在真空中引导光至光刻胶模板，同时锡碎屑导致多层反射镜生产效率低下、成本高昂。整个收集区域的波长匹配和红外光谱过滤是多层收集器反射镜的关键特性。此外，产生足够数量的EUV辐射极其困难，因此必须努力确保反射器具有尽可能高的反射率和空间均匀性。

行业发展建议：EUV光刻胶对于图案化至关重要，为了提高成品率需要了解每个长度尺度上的材料特性，因此针对各尺度工艺变化进行化学形态测量，创建高通量计量学来表征变化特征。业界在保护EUV收集器反射镜方面有了一些重大改进，但仍需了解“光子和等离子体物质如何与EUV光源中的背景气体、光学和等离子体表面相互作用”以及“锡发生了什么变化以及如何对其进行管理”。NIST提供与位置相关的EUV反射率测量，这些数据可供评估光学器件的使用寿命和锡碎屑减缓技术的有效性。

5. EUV光分析工具

报告讨论了使用EUV光作为分析工具协助半导体制造行业的三种方法：高次谐波发生（源）、同步加速器和原子探针断层扫描。高次谐波发生（源）具有紧凑的占地面积，允许在研发和制造设施中部署，并可以连续探测深纳米级微电子器件的尺寸、材料和动态特性。同步加速器光源允许研究EUVL的许多方面，尽管不适用于大批量制造EUV光源但可以助力该目标的实现，例如研究收集镜退化机制等。原子探针断层扫描是唯一能够提供周期表上任何元素的亚纳米同位素分辨原子级元素图的3D化学测绘技术，这对于研究EUV光刻胶很有用。

行业发展建议：业界就这些工具在协助EUVL制造方面的潜在用途提供了反馈。NIST法律委员会必须积极采取行动，针对保密协议（NDA）请求制定解决方案，满足潜在合作者的需求，同时满足联邦工作人员提出的独特法律和行政要求，这些联邦工作人员被明确禁止让自己或组织承担任何外部合同。

二

调查结果和后续建议

在各技术主题调查结果及行业建议之外，工作组提出两项纲领性调查结果及后续建议：

1. EUVL的国际竞争格局导致需要签署保密协议才能与NIST研究人员进行深入技术对话。建议简化NIST研究人员和业界之间的保密协议流程，使项目启动的周转时间少于两个月。应向NIST工作人员和管理层提供有关保密协议流程的教育，以正确执行步骤。

2. 面对面的互动可以产生富有成效的对话和可行的后续步骤。未来的利益相关者互动可能从工作组会议转变为研讨会再到联盟，但这种转变会导致成本（10,000美元-100,000美元以上）和规划工作（40–200多个小时）的增加。为了帮助减轻成本和工作量，建议未来的活动可以安排在经常性的专业会议上举行。

EUVL工作组未来可能采取的行动包括扩大NIST和行业的参与、调整研究小组以满足EUVL的特定需求，以及执行工作组会议和未来任何大型会议中讨论的优先研究事项。通过与美国EUVL行业的合作，预计将促进合作，加速半导体制造创新。

END