一种基于最先进激光器的新型实验室EUV光源

极紫外光刻技术是摩尔定律的潜在救星，已经出现了很长时间了。十多年前，相关路线图提出EUV的时代将于2011年到来。直到去年，它才终于开始起飞。

EUV光源已达到半导体制造所需的200瓦水平。然而，曝光后的光刻胶中的缺陷限制了目前7纳米节点的产量，而未来的5纳米和3纳米节点将面临更大的问题。现在，一种基于最先进激光器的新型实验室EUV光源能够为开发人员提供更高的空间和时间分辨率，这有助于开发人员理解并解决上述问题。

将光刻技术转移到EUV波段意味着材料和光源的巨大变化。新的13.5纳米EUV等离子体光源取代了193纳米波长的紫外激光器。光子能量随着波长的减小而增加，因此来自激光驱动的新型等离子体EUV光源的每个光子所携带的能量是来自旧激光光源的光子的14倍。高能量光子需要新的光刻胶材料，这是一个具有挑战性的化学问题。新近开发出来的光刻胶都遭受到看似随机的缺陷（称为“随机印刷失败”）的困扰。比利时微电子研究中心（IMEC）研究探测材料的首席科学家John Petersen说，这个问题已经成为EUV光刻的首要问题。

“我们需要了解正在发生的真实化学反应。”IMEC材料和分析团队主管Paul van der Heide说。为此，他们与科罗拉多州博尔德的KMLabs公司合作，在比利时建立了一个高分辨率的EUV成像和超短脉冲实验室。Petersen等人在2月25日至28日于圣何塞举行的国际光学工程学会先进光刻技术会议（SPIEAdvancedLithography Conference ）上介绍了该实验室及他们的工作。

由KMLabs构建的系统通过将来自红外激光器的高功率脉冲聚焦到气体中来产生激光的高次谐波，从而产生EUV脉冲。这个过程产生的脉冲持续时间从皮秒到阿秒，波长可以在6.5到47纳米之间调谐。可调谐波长和可调脉冲长度使得高次谐波光源比用于曝光光刻胶的更亮等离子体光源更适合测量。谐波的产生还会产生类似激光的EUV光，它可以提供非常高的分辨率，并且无需镜头即可成像——这是一个很大的优势，因为固态镜头无法使EUV光聚焦。结果是他们得到了一个强大的测量工具（参见他们发表在Nature Photonics上的论文“Subwavelength coherent imaging of periodic samples using a 13.5 nm tabletop high-harmonic light source”）。

高次谐波的输出足够亮，可在微米级区域和低至8纳米的特征尺寸上进行高分辨率干涉成像。还可以利用它观察到材料中极快的分子动力学和电离过程，这对理解化学过程至关重要。许多材料供应商正在测试抗蚀剂下面的薄层沉积以改善其性能，但他们缺乏探测当该层受曝光时发生的事情的方法。Petersen说：“我们可以利用该实验室来探测这些。”

利用该实验室的设施，还可以探测棘手的随机抗蚀剂故障，提供的数据可能有助于研究人员防止它们的发生。之后的下一步将是识别并试图修复其他恼人的效应。这些效应产生的噪声在由单个EUV光子的高能量引起的不可避免的光子散粒噪声之上。这种本底散粒噪声可能会对向小于3纳米节点的几何尺寸扩展构成威胁。

然而，新的EUV系统也有其局限性。KMLabs的首席执行官Kevin Fahey说：“我们的是一种测量光源，而不是用于工厂光刻生产的光源。”这光束对芯片制造来说太弱了，但可以将它聚焦到微米级的区域，把那个区域照得足够亮，可以实现具有亚波长分辨率的高分辨率干涉成像以测试抗蚀剂。

KMLabs联合创始人Henry Kapteyn说：“利用高次谐波的产生进行光刻并非不可能。”但这需要有重大的新发展，可能需要几十年的时间才能实现。