实现极紫外宽带光源的最高转换效率

中国科学院上海光学精密机械研究所林楠研究员提出了一种基于空间束缚激光锡等离子体的宽带极紫外光高效产生方案，可用于先进节点半导体高通量量测，该方案获得了高达52.5%的转换效率，是迄今为止报道的极紫外波段最高转换效率，与目前商用的高次谐波光源相比转换效率提升约6个数量级。研究论文以“空间束缚等离子体极紫外宽带光源高转换效率实验研究”为题发表在《激光与光电子学进展》第3期，被选为封面文章。

封面解读

封面展现了可用于芯片三维结构检测的高效极紫外宽带光源产生。在先进节点半导体量测中，宽带极紫外计量已经展现出了巨大优势，本文提出的基于空间束缚激光锡等离子体的宽带极紫外光产生方案，可为未来半导体先进节点高通量量测的发展提供技术支撑。

文章链接：何梁, 胡桢麟, 王天泽, 林楠, 冷雨欣. 空间束缚等离子体极紫外宽带光源高转换效率实验研究[J]. 激光与光电子学进展, 2025, 62(3): 0314001.

1、研究背景

目前，半导体芯片制造中3 nm制程已实现量产，并且正在向更高制程迈进。极紫外（EUV）光不仅应用于EUV光刻，还广泛用于先进制程芯片中关键工艺的计量与检测，包括光刻胶的光化缺陷检测和研究、关键尺寸（CD）、套刻误差（Overlay）和边缘放置误差（EPE）测量等。先进节点的芯片特征尺寸缩小到纳米尺度，使得不同层之间的对准出现了巨大的挑战。

此外，随着先进节点下全环绕晶体管（GAA FET）这类复杂三维结构的出现，基于可见光光源的散射测量方法已经无法达到先进节点工艺所要求的量测精度。最新研究报道显示，基于10~20 nm宽带EUV光源的散射测量方法具有显著优势：一是采用EUV波段相比于可见光波段可获得更高的空间分辨率；二是采用EUV波段可以从散射信号中提取出轮廓信息；三是该波段携带了更多的物理信息。基于此，发展EUV宽带光源对先进节点下半导体芯片制造过程中的量测至关重要。

2、研究原理

（1）激光等离子体极紫外宽带光源实验系统

图1为激光等离子体极紫外（LPP-EUV）宽带光源实验系统，主要包括真空腔室、EUV光谱仪、EUV能量计、真空泵组、锡靶和等离子体驱动光源等。锡靶安装在四维调节装置上，四维调节装置可实现锡靶的X、Y、Z和角度调节。真空腔室由真空泵组进行抽气，保持真空度为1×10-5帕斯卡。等离子体辐射由EUV平场光谱仪和EUV能量计进行测量。LPP-EUV宽带光源的驱动光源为一台Nd: YAG脉冲激光器，输出波长为1064 nm、激光器出口光斑直径为8.5 mm、输出脉宽为5.8 ns、最大输出能量为600 mJ。此外，激光光束在锡靶上的聚焦光斑大小通过改变聚焦透镜焦距和移动靶面改变离焦距离实现。

图1 LPP-EUV宽带光源实验布局图

锡等离子体发射的13.5 nm（2%带宽）辐射能量是通过自研的EUV能量计实现测量。EUV能量计由一组Mo/Si多层膜平面镜、光阑和光电二极管组成。EUV辐射经过一对Mo/Si多层膜平面镜反射后，通过直径为4 mm的光阑对EUV光立体角进行限制，照射到镀有锆膜的光电二极管阵面上，最终由示波器记录信号。

图2 EUV光谱仪

为了研究LPP-EUV宽带光源的辐射特性，自研了一套覆盖10~20 nm波段EUV光谱仪。如图2所示，EUV光谱仪由收集模块和色散模块组成，锡等离子体产生的辐射先经过收集模块收集后再传输到色散模块。收集模块由镀金平面反射镜和Kirkpatrick-Baez反射镜组成。色散模块采用平场掠入射结构，可以将光谱平直的成像到焦平面上，由平场EUV光栅和CCD组成。

（2）宽带EUV辐射转换效率表征方法

图3 效率表征。（a）金镜反射率；（b）EUV光栅衍射效率；（c）CCD量子效率；（d）EUV光谱仪传输效率

为了获得LPP-EUV宽带光源在10-20 nm辐射能量和转换效率，EUV光谱仪采用Si的吸收边和Sn离子发射的特征谱线进行波长标定。此外，EUV光谱仪对不同波长EUV光响应率不同，因此需要对EUV光谱仪传输效率进行矫正。EUV光谱仪的传输效率由反射镜反射效率、EUV光栅衍射效率和CCD探测器量子效率组成。图3（a）、（b）和（c）分别为金镜反射率、EUV光栅衍射效率和CCD探测器量子效率。图3（d）EUV光谱仪传输效率为EUV光谱仪各个光学元件效率的乘积。获得EUV光谱仪传输效率曲线后，将EUV光谱仪的实测光谱数据除以传输效率曲线，即可获得EUV光谱的真实强度分布。进一步通过EUV能量计对EUV光谱仪进行校准后，可以获得EUV光谱仪矫正后的光谱强度和绝对光子数之间的矫正系数。

3、结果与讨论

图4展示了不同激光峰值功率密度下首次轰击和第二次轰击同一锡靶表面位置时的EUV光谱。在激光锡等离子体中，10~20 nm波段的EUV辐射来自于不同电离态和激发态的Sn离子，特别是Sn8+-Sn14+的4p64dN-4p54dN+1和4dN-4dN-14f (N=6~0)共振态占据了主要的EUV发射。

图4 在不同激光峰值功率密度下首次脉冲和第二次脉冲的EUV光谱

如图4所示，观测到第二次脉冲轰击产生的EUV光谱相较于首次脉冲存在明显的光谱加宽。当激光峰值功率密度较低时，第二次脉冲产生的锡等离子体辐射明显增加。当激光峰值功率密度较高时，第二次脉冲产生的等离子体在13.2-14.4 nm波段的辐射强度下降，EUV光谱加宽，出现了明显的自吸收效应。这是由于等离子体的离子和电子密度增加，导致锡等离子体对13.5 nm附近EUV辐射吸收增加。

图5 在不同激光峰值功率密度下第一次脉冲和第二次脉冲的转换效率。（a）13.5 nm（2%带宽）转换效率；（b）10~20 nm总转换效率

为评估锡等离子体的发光效率，计算了13.5 nm（2%带宽）转换效率（CE13.5 nm）和10-20 nm总转换效率（CE10~20 nm）。如图5所示，在首次激光脉冲时，CE13.5 nm和CE10~20 nm随着激光功率密度提升而增加，最高分别为3.3%和43.9%。这是由于随着激光能量的提升，等离子体电子温度升高，靶面烧蚀作用加强，EUV发射变强。对比首次脉冲和第二次脉冲，当激光峰值功率密度小于1×1010W/cm2时，第二次脉冲的CE13.5 nm更高。当峰值功率密度大于1×1010W/cm2时，第二次脉冲的CE13.5nm降低。而第二次脉冲在不同峰值功率密度下都会有效的提升CE10~20 nm，最高CE10~20nm可达52.5%，与第一发产生ce结果相比提升约20%。这是由于第二次脉冲下的锡等离子体虽然发射增强，但随着激光峰值功率密度升高，锡等离子体的光厚急剧增加，13.5 nm处的自吸收愈发严重。

图6 第一次激光脉冲和第二次激光脉冲烧蚀靶面的对比

已有研究表明，到凹槽型靶面会导致等离子体在膨胀过程中被有效的约束和加热，最终延长了极紫外发光时间和增大了发射面积。图6展示了台阶仪测量第一次和第二次脉冲激光烧蚀锡靶表面形貌，激光在烧蚀靶面后会出现凹槽。激光烧蚀形成的凹槽对后续脉冲产生的锡等离子体进行有效的约束，在形成有效等离子体发射条件的同时也增加了等离子体光厚。

4、总结与展望

本文针对先进节点半导体量测对桌面式EUV宽带光源的发展需求，开展了激光产生锡等离子体10-20 nm波段宽带辐射的优化研究。原位第二次脉冲实现了高达52.5%的转换效率（2π立体角，10-20 nm），是迄今为止报道的极紫外波段最高转换效率，与目前商用的高次谐波光源相比转换效率提升约6个数量级。相关研究结果可用于下一代半导体高通量原位量测。