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EUV(极紫外线)生成的秘诀

发布:HPLaser    |    2017-09-07 13:12    阅读:226
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图1:ASML前期制作扫描仪——双子扫描NXE:3100

极紫外(EUV)光刻的研究已经已经超过20年了,在所有尚未解决的技术难题中,最大的难题是如何产生适用的光线。过去很长一段时间里,一些研究者曾严重怀疑250瓦的大批量制造的目标究竟能否达到,然而现在这个目标已经实现了。怎么做到的?当然是通过对每个微小细节一丝不苟的研究。

不久前,关于极紫外光刻是否运用到工业芯片制造中还是个饱受争议的问题。“我们发现EUV光源问题比我们以前想得要难得多,”奥巴尼亚(美国)Sematech的光刻主管斯特凡吴在2013的LFW文章中说道。而在2014年,ASML/Cymer的研发团队首次证明了250瓦紫外光刻的可行性。当Trumpf集团在2015年宣布投资8千万美元到一个新的EUV泵激光器工厂中的时候,研究者对这项技术的信心更加坚定了。

今年,ASML和Trumpf极紫外光刻方面的销售创了纪录。经过多年来的大量的研发投入,像英特尔、三星、台积电、IBM和格罗方德这样的工业巨头把EUV纳入未来两年为7纳米节点推出的蓝图。三星对此已经制定好了计划,而其他比如像罗格方德宣布在大批量制造技术成熟时会转移到EUV领域。

激光系统

ASML/Cymer团队在近期文章中概述了了关于他们EUV光源的大批量制造的工作。他们表示对于占空比60%的典型扫描仪,每小时100个晶片的产量,晶片的功率应该超过约550mW。这意味着EUV光源提供在中间焦点的曝光设备的能量应该大于200瓦。 在13.5nm的波长产生200W的功率可以选择的方法是在微小的锡滴上烧制CO2激光。激光蒸发锡然后产生一个发射非相干辐射到一个实心的球体的等离子体。在中间焦点的功率描绘了可用于照亮半导体的会聚光器件后面的光。

目前的挑战是非常之多的,简单举几个例子:稳定性、碎片减缓、功率调节、转换效率等,上述例子中最后两个对于200瓦的大批量制造的目标是最重要的因素。经管Trumpf早已拥有用来切割和焊接的千瓦级CO2激光器,他们也得完全重新考虑他们激光系统产生EUV的问题。

由于二氧化碳辐射到EUV的转换效率为百分之几,二氧化碳源必须提供20 kW以上的功率的能源。辐射以50kHz的脉冲碰撞~30 µm的锡滴。对于升级过的效率转换最重要的是激光器必须有一个特殊预脉冲。在测试了几组不同设定的方案后,团队用双子扫描NXE:3100系统达到了三级功率放大(+预放大),如图1所示。

预脉冲频率正确才能成功

在激光科学研究的早期,科学家们就早已开始研究激光产生等离子。之后很快,科学家就清楚了预脉冲可以极大提高激光转变为等离子辐射的转换效率,科学家从1970年就在理论上和实验上对这种能量转换的效果开始了刻苦的钻研。EUV的研发团队曾必须近距离观察激光产生等离子的实验,不仅仅是为了更进一步达到大批量制造的目标,也为了解决一个经济议题:每一个百分点的转换效率的提高将为消费者节省数百万的投资。

图二展示了预脉冲技术的进化所取得的令人惊叹的进步。预脉冲蒸发了锡滴,将其转化为一个拥有完美形态和密度的目标。实际上,目标直径早已被扩大到400µm,转换效率提高到超过4%的盘形目标。在目标直径处,激光束轮廓比明显小于光束尺寸的液滴初始尺寸更好用。

如研究人员论文报告所述,一台经过改良的ASML NXE:3300B激光器在15年末和16年初展示了持续一个小时的EUV功率控制,功率为210瓦,这个突破性成果也第一次阐明了以激光为光源的EUV满足大批量制造的能力。

同时,ASML/Cymer的作者称超过十个他们的EUV激光光源器已经在全世界范围被投入使用,积累必要的经验知识来最终使其技术能做到大批量制造。MOPA(主控振荡器的功率放大器)预脉冲技术已经被确认为提高功率输出的正确方式,以及在中间焦点建立了把功率稳定在210瓦的机制。具有> 5 sr光收集和高平均反射率的正常入射收集器反射体目前已经开始批量生产,并且在该领域中使用寿命越来越长。NXE 3350B上增强的集电极保护和原位清洗技术预计将进一步延长使用寿命, NXE 3400B于2017年在客户的设施中安装。

在Semicon West 2017上,ASML团队声称“通过真正理解光源的转换效率和并将合适的控制置于合理的位置”,250瓦的功率可以持续的保持。

图二:不同目标形状和密度的转换效率

来源:激光制造网

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