EUV光刻新筹划大年夜幅降低成本！_光刻_物镜

本文旨在探求一种具有本钱效益的办理方案，利用现有技能在合理的韶光范围内知足性能哀求。
因此，我们专注于内联双镜片配置的低数值孔径(low NA)光刻技能，如图 1 所示。
这种方法有助于降落本钱和节约用电。

图 1. 带有简化照明器的双镜片投影物镜系统。
与目前的 EUV 光刻系统比较，反射镜的数量要少得多，因此可以大大提高功率传输。

EUV极紫外光刻的反射镜在每次反射时会接管 30% 以上的 EUV 功率。
目前的曝光工具在投射物镜系统有六个反射镜，在照明镜片系统中有四个反射镜，因此从 EUV 源到晶片的功率传输相称低。
比较之下，本文提出的简化照明器的双镜投影仪利用两个串联的反射镜，功率传输效率将大幅提高。

该方案的能量效率提高了 13 倍，使 EUV 光刻系统的耗电量减少了 92%。
这将使光刻机系统功耗从大约 1 兆瓦降落到 80 千瓦。
此外，驱动激光光源系统的冷却水流量也将大大减少。
中间聚焦时所需的极紫外光功率为 20 W，每台工具的吞吐量为每小时 100 个晶片。
极紫外光源的设计得到简化，从而降落了投资和掩护本钱，提高了可靠性。
在这一功率水平下，可在照明系统靠近EUV collector采集器的焦点 (IF) 位置周围安装一个薄膜窗口，类似于掩膜上的薄膜，以防止等离子源产生碎片，从而保护昂贵的掩膜和反射镜。
由于 EUV 光源的弱点，现有 EUV 工具的扫描速率常日比光学扫描仪慢。
然而，通过利用本文提出的系统，我们可以提高实际输出到晶圆的EUV功率，从而加快扫描速率，提高生产率。

投影镜的表面粗糙度会影响图像质量。
为此，我们进行了大量技能研发，以实现超精密表面。
特殊是微米范围内的中频粗糙度会严重影响图像比拟度，这与自然界中的雾征象相同。
在同步辐射光源设备中，反射镜表面常常会涌现碳污染，这也会导致图像比拟度低落。
EUV 光刻系统的表面清洁度会好很多，但我们也要小心碳污染。
建议减少物镜系统中的反射镜数量，以得到高比拟度的图像并长期保持。

还应把稳的是，EUV 光源的 CO2 激光器通过光学器件传输的红外光对晶片的加热会影响套刻精度overlay掌握。
在本文所研究的系统中，EUV 光源功率和 CO2 驱动激光器功率降落了 10 倍，从而肃清了这一问题。

在较低的数值孔径 NA 值下，光学像差校正更随意马虎，由于光芒在轴线附近运行。
只须要两个非球面反射镜就能覆盖相称宽的像场。
光学仿真证明，NA 0.2将为2米高的物镜系统供应 20 毫米大小的像场。
与浸没式光刻机 ArFi 比较，低 NA EUV的分辨率更高，由于它的波长更短，仅为 13.5 纳米，比 ArF 的 193纳米短 15 倍。
临界尺寸或分辨率由阿贝方程决定：

个中 k1 代表工艺系数，λ 代表波长，NA 代表数值孔径。
空间分辨率在两种情形下确定：

个中k1在EUV和 ArFi 情形下分别即是0.36和0.27。
利用这种低NA值EUV，有可能在24 nm半间距上实现单次成像图案化。
请参阅后面关于超紫外光中 k1 = 0.35 的章节。

另一个主要问题是焦深 (DOF)，其定义如下。

将公式 (2) 代入公式 43)，我们可以得出无量纲关系式：

这个等式见告我们，低数值孔径总是能供应更大的焦深 DOF。
有两种情形

在这两种情形下，我们都假设 k2 = 1。
很明显，低数值孔径（low NA）极紫外光对付较大的 DOF 具有上风。
此外，与在光罩上利用离轴照明的传统极紫外光刻物镜系统比较，内嵌式物镜不会因照明均匀化需求而在焦点周围涌现极紫外光刻特有的图像变革。
这就肃清了光罩不平整造成的图像位置偏差。
因此，利用低 NA EUV 简化了对掩膜和晶片平整度以及焦点掌握的哀求。
这也使曲面掩膜更随意马虎实现，这将在后面的章节中谈论。

轴对称光学器件在轴线周围供应均匀的图像比拟度，简化了光源掩膜协同优化 (SMO)。
传统的四极照明就足够了。
此外，AM2双物镜系统的最大反射角与表面法线的夹角仅为 5.5 度。
这使得非对称瞳孔光晕极小，没有偏振依赖性，也没有与多层镀膜干系的相位变革。

在超紫外波长下，必须考虑量子力学效应，特殊是较高的光子能量可能会降落图案效果，这便是所谓的随机效应。
光子能量的打算公式为

在这两种情形下：

EUV 光子的能量是 ArF 的 14 倍，因此在接管能量相同的情形下，光刻胶的光子电离事宜要少 14 倍。
由于随机泊疏松布，这导致更差的 LER（线边缘粗糙度）。
随机征象造成的毛病限定了光刻工艺稳定性。
我们必须记住，大规模生产逻辑电路所需的打仗故障率必须小于 3 x 10e-11。
目前，许多研发团队正致力于理解干系机制，并提出了新型光刻胶材料来战胜这些寻衅。
不过，这些办理方案可能还须要一段韶光才能问世。
在此期间，建议利用 NA 值较低的投影物镜，并采取较宽的线间距。
本钱更低的 EUV 光刻技能可能会利用多重图案化技能实现更窄的线宽。
同样主要的是，双镜投影物镜系统可以供应更多的光子，有助于减少统计随机噪声问题。

如图1所示，双镜投影物镜安装在一个与紫外光刻透镜类似的管子中。
极高精度的反射镜被封装在管内，形成一个整体，具有机器稳定性、易于装置、校准和改换以及密封性好、防尘等优点。
因此，成本化投资和掩护本钱更低，可靠性更高。

2.1 双镜等半径配置的像差校正

EUV 光刻技能须要仅利用反射镜的平面场像散器。

Petzval 和规则是平场投影仪的核心事理。
在双镜配置中

个中 R 是镜面曲率。
双镜投影物镜的最基本配置应由正负功率镜面组成，详细来说便是半径相同的凹面镜和凸面镜。
这便是所谓的 “等半径 ”配置，如图 2 所示。
当两个反射镜之间的间隔为 L = 0.86 R 时，副反射镜 M2 上的物体（OBJ）会投射到第一反射镜 M1 上的图像（IMG）上，从而校正三阶球面像差。

图 2. 等半径配置。

为了创建一个功能性投影仪，我们须要调度镜面曲率，将顶点（OBJ 和 IMG）通过中央孔向外拉。
这会毁坏 Petzval-sum 规则，导致像差。
必须引入非球面反射镜来校正像差，但由于自由非球面参数数量有限（仅有两个反射镜可用），数值孔径和视场大小受到限定。

等半径构造被命名为 MET：2008 年，R. M. Hudyma 和 R. Soufli 作为超紫外投影物镜对其进行了仔细研究。
数值孔径（NA）为 0.3 的 MET 是为了演示 30 纳米半间距成像而设计的。
个中一个设计假定了一个虚拟透射掩膜和一个内嵌式投影物镜，其配置与图 1 类似，但照明必须通过虚拟透射掩膜供应。
非球面反射镜用于校正像差，产生的残余均方根（rms）波前偏差为 0.027l。
该投影仪构造紧凑，物像间隔（OID）为 276 毫米。
然而，由于其视场仅限于 0.6 毫米 x 0.2 毫米，因此不适宜用作光刻工具。

2004 年，MET 利用伯克利前辈光源的同步辐射装置，演示了 30 纳米等线空间印刷。
这一成功表明双镜投影物镜系统具有巨大的潜力。

2.2 扩大视野

要扩大磁场尺寸，须要增加投影物镜的长度。
假设工具高度在实际半导体工厂可接管的最大尺寸范围内：

要保持 Petzval-sum 规则，镜面 M2 的位置必须足够靠近晶片。
假设透镜与晶片之间的间隙大小与 ArF 浸透相同，建议晶片与 M2 镜体之间的间隙应为 5 毫米。
为确保镜体保持刚性，晶片与 M2 表面之间的间隔应大于 40-50 毫米。
如下图所示，两个曲率非常靠近（相差在 0.3% 以内）的镜面可得到更宽的视野。

OpTaLix 仿照器预测 NA = 0.2 时的视场为 20 毫米，涵盖 100 毫米的全掩膜视场。
图像缩小系数为 1/5。
我们还可以引入曲面掩膜，以肃清残留视场曲面偏差，从而缩短工具高度并减少波前偏差，这将在后面谈论。

2.3 双镜投影仪的实际设计

光学射线仿照结果如图 3 所示，个中 AM1 和 AM2 为轴对称非球面反射镜。
为了将光照导入投影物镜，须要一个宽敞的空间来容纳 AM1 镜和掩膜之间的圆柱镜。
这导致放大系数为 x5，相称于 MET，而不是标准放大系数 x4。
光罩扫描区域的尺寸为 100 毫米（20 毫米 x 5），与当前光罩设计的 104 毫米（26 毫米 x 4）相匹配。
NA 0.2 时的仿照结果汇总于表-1 和表-2。

图 3. 图 3 展示了 NA 值为 0.2、OID 物像间隔为 2000 毫米的直列双镜投影仪的仿照结果。
假定反射镜具有 100% 反射率的完美表面，并且不存在瞳孔光栅化或光圈挡板。
请把稳，在实际光刻过程中，光的传播方向是相反的。
要在 OpTaLix 仿照器上建立远心条件，从晶圆一侧开始光射线会更随意马虎。

表 1. 双镜投影仪参数表。

表-2：非球面设计参数（OpTaLix 输出）

仿照假设镜面完美，反射率为 100%。
实际上，镜面是由多重反射层组成的，反射是由这些层之间的波干涉引起的，随着反射角度的变革，会产生振幅和相位差。
我们须要进一步仔细仿照，包括多层反射层，这将导致非球面曲率的变革，只管这种变革很小。
实际上，我们须要用干涉仪在可见光波长下丈量反射镜的质量。

晶片侧是远心的，但掩膜侧不是。
因此，主光芒是倾斜的；在视场边缘倾斜 1.6 度（~50 毫米/2000 毫米弧度）。
考虑到衍射锥的半角（NA/5= 0.04 弧度=2.4 度），掩膜边缘多层反射层涂层的最大反射角为 4 度。
该角度小于钼/硅多层涂层的 12 度截止角，因此比拟度丢失最小。
离焦仍会导致图案偏移，100 nm 的晶片高度偏差会导致场边缘涌现 3 nm 的偏移。
这种偏移是可以接管的。

请把稳，来自不同场的所有光芒都在焦平面相交，形成代表傅立叶空间的衍射光斑。
光芒必须穿过两面反射镜上的中央孔，这就遮挡了衍射旗子暗记的中央部分。
利用傅立叶剖析法可分别估算焦平面中心遮挡的影响（见后文）。

图 4 和图 5 显示了波前像差和光斑图。
光程差在小像高时偏差较小，但在像场边缘，由于残余像差，光程差达到了 0.05倍波长的极限。
由于 NA 值较低，在视场边缘的 Strehl 比值仍旧很高（0.991）。
我们必须把稳，Strehl 比值是在没有中央遮挡和同轴照明的情形下估算的。
如果我们采取倾斜照明，高频分量就会开始通过投影物镜，分辨率就会提高，但是会涌现明显像差。
幸运的是，图 4 中的光程差是轴对称的（实际上是圆柱对称的），来自最窄图案的一阶布拉格衍射（见图 12）与离轴四重照明之间的相位差变小，这意味着它能有效减少像差。
还须要进一步的详细研究。

图 4. 图中显示了光束高度沿线的光程差，垂直刻度为 0.05倍紫外光波长（0.0513.5 纳米）。
在扫描场边缘（y = 10 毫米），Strehl 比高达 0.991，导致 NA 0.2 的衍射极限光斑。

图 5. 晶片上的光斑图。
仿照的输出是掩膜上的光斑，根据该光斑可估算出晶圆一侧的光斑，同时考虑到 1/5 的图像缩小系数。

2.4 曲面遮罩选项

由于反射镜的数量有限，投影图像并不是完备平坦和波折的。
如图 4 所示，最佳聚焦点随视场高度的变革而变革，从而导致波前偏差。
如果我们引入如图 6 所示的曲面掩膜，就可以补偿 y 场曲线。
我们设计的掩膜曲率与 Petzval 场曲率相匹配，如下所示、

个中 Rcurve 是曲面掩膜的理论最佳半径。
实际上，OpTaLix 预测的球差补偿半径略小。

通过引入曲面掩模，增加了设计参数的自由度，即我们可以降落工具高度，也可以增加 AM2 镜面的厚度。
表 3 总结了利用曲面掩膜时的设计参数，这些参数能知足Strehl ratio频年夜于 0.99 的哀求。
与光罩宽度比较，波折半径大，波折量相对较小，光罩上不存在机器问题，横向图案偏移可以集成到图案设计中。
我们照常制作平面光罩，然后将光罩安装在扫描仪上设计有曲线的卡盘上时进行波折。
须要与光罩开拓职员和图案设计职员进一步谈论。

图 6. 补偿 Y 场曲线的曲面光罩观点。

表 3：曲面光罩的设计参数。

2.5 失落真

众所周知，畸变会导致光刻机成像图像模糊。
在双镜式投影仪中，放大率随轴向间隔的增加而减小，从而导致特有的 “桶形 ”畸变，这可以用数学方法来描述：

畸变 Cd 的单位是%。
r 是空想的轴向位置，r'是畸变位置。
如图 7 所示，由于径向畸变，掩膜上一个点的线性扫描运动被投射为波折轨迹（虚线）。
正如后面所谈论的，我们利用了与中央分开的双线场。
由于较小的间隔会减少图像涂抹，因此我们将间隔最小化为两个在轴线上相切的扫描宽度。

如图 7 所示，畸变效应将 A 点移至 A'点，边缘上的 B 点移至 B'点。
根据 A'和 B'之间的高度差，我们可以得出晶片上的涂抹偏移。
利用公式 (13a)、(13b)，个中 m 是图像放大系数 m = 5。
当我们在掩膜上利用 w = 2.5 mm、y0 = 50 mm 时，晶片上的涂抹宽度变为 9 nm。
在中心部分，波折轨迹与扫描运动更加平行，均方根值大约变为三分之一：3 nm。
这将是天生 24 nm 半间距特色尺寸时可接管的水平。

图 7. 扫描移动过程中径向变形导致的图像模糊。

双镜联机投影物镜的设计不可避免地会涌现因反射镜上的中央光束孔而产生的遮蔽问题。
关键问题是如何肃清 “禁止成像间距”。
仅靠投影机设计不可能完备避免这一问题，但我们可以切实减少对投影图案的影响。
要办理这个问题，有三种策略：

(1) 尽可能缩小光束孔。

(2) 优化离轴照明。

(3) 优化部分相关系数。

图 8 显示了中央光束孔。
在本文中，为了区分遮蔽系数和部分相关系数，我们利用希腊大写字母作为遮蔽系数，小写字母作为部分相关系数。

中央孔的设计是为了通过 NA 值为 0.2 的光束，光束边缘周围有 2 毫米的间隙。
AM1 的遮挡常日小于 AM2，因此我们只谈论 AM2。

如图 8 所示，归一化孔尺寸（遮蔽系数）为 Σ =1 表示衍射锥（反射镜直径）。
NA 值较低，因此光束孔和水平模糊度较小。
我们在晶片附近制作了 AM2 副反射镜，以保持 Petzval-sum 规则。
这一决定也有助于减小光束孔的大小。

我们引入了四极照明，可以绕过中央遮挡。
逻辑图案紧张由垂直线和水平线组成，其衍射沿水平轴和垂直轴分布，如图 12 所示。
如果水平和垂直方向上的四倍光斑（0-阶衍射）的间距大于遮挡物的尺寸，则衍射不会被遮挡孔遮挡。
在目前的设计中，显然知足以下条件。

在交错打仗通孔的分外情形下，衍射图样应具有 60 度的旋转对称性，因此仍有机会在被遮挡区域进入禁止间距区间。
我们可以通过部分相关源来挽救部分遮挡点。
由于部分相关因子大于遮蔽率，即 σx = 0.25 > Σx = 0.13，衍射光斑的扩散宽度将大于中央孔宽度，因此丢失的衍射光斑将得到挽救，如图 12 和图 14 所示。

还须要进一步研究，包括利用打算光刻技能进行源掩模优化 (SMO) 和光学临近校正 (OPC)。

图 8. 主镜和副镜上的光束遮挡。
光束孔的设计符合 NA 0.2 的光束边缘，光束周围有 2 毫米的间隙。
三个圆圈表示轴和两个场边缘的衍射锥。

为了避开中央遮挡并提高空间分辨率，EUV 光通过位于衍射光锥两侧的两个窄圆柱形反射镜引入掩膜前方。
这供应了均匀化照明光场，减少了掩膜三维效应。
简化的照明系统供应了对称的四极离轴照明，绕过了中央遮挡，提高了空间分辨率，还实现了柯勒照明。
为避免圆柱镜的阻挡衍射，引入了双线场观点。
技能细节目前正在设计阶段，不久的将来将在另一篇论文中先容。

图 9. 光罩的照明由两个圆柱形反射镜供应。

如果利用点光源照明，靠近边缘的频率身分会被光圈急剧割断（硬边缘切割），这常日会在图像上造成刀口衍射效应。
为避免这一问题，光学光刻常日利用部分相关光源。

部分相关系数的定义如下。

在点光源的情形下，σ=0。

在传统的紫外光刻中，四极照明常日利用 0.2 的部分相通知明因子，EUV 最好也利用相同的值。
值得把稳的是，部分照明也会减缓中央遮蔽的影响。
如图 8 所示，X 方向上的遮挡物大小为Σx=0.13，因此部分相关光会填补孔洞问题。

我们将分别谈论 x 和 y 方向的光源大小。
首先谈论 x 方向。
扫描场的宽度很窄：2.5 毫米宽，因此极紫外等离子体光源的自然角散布知足所需的角散布。
如图 10 所示，我们假定 x 方向上每个分段镜的网络角为 1 弧度。
锡等离子体的直径约为 100 um，我们从中切割出 50 um 宽的等离子体，然后通过照明器放大 50 倍，以 2.5 mm 宽线场的形式传送到掩膜。
由于相空间面积通过线性光学得以保持 (与粒子加速器中的发射守恒定律相同），角发散被绝热地减少了 1/50，因此掩膜上的角散布变为 20 mrad。
与入口瞳孔直径 2 x NA/m= 2 x 0.2/5 = 80 mrad 比较，部分相关因子变为 σx=20/80=0.25，符合哀求的值。

图 10. 从极紫外光源到掩膜的相空间分布。
(a) 等离子体的直径约为 100 微米，我们从中切割出 50 微米的宽度。
(b) 光源尺寸通过照明器放大 50 倍，以 2.5 毫米宽的线场形式传送到掩膜。
角发散被绝热缩小了1/50。
(c) 两个圆柱形反射镜和准直器之间的吸收割断了相位空间。
60% 的光子通量可以到达晶片。
虚线表示对照明。

在 y 方向上，照明装置将光扩展为 100 毫米宽的线宽，以覆盖掩膜的尺寸。
然而，这导致角度发散极小，无法知足所需的部分相关性。
为了增加 Y 方向的发散，可以在照明装置中引入 “波纹镜”。
波纹镜 "最初是由 Henry N. Chapman 和 Keith A. Nugent 于 1999 年为曲面扫描场引入的。
镜面具有周期性起伏，可以稠浊光芒，在不丢失大量光芒的情形下有效提高部分相关系数。

图 11 显示了焦平面的离轴四极照明模式，个中考虑了部分相关系数 σx = 0.25，σy = 0.2。
两个圆柱形反射镜的阴影是模糊的，部分照明光和衍射光可以通过，因此反射镜上该当有 10-15% 的余量来校正像差。

四个照明光点在瞳孔大小附近对称分布，与轴线成 45 度角。
可用分辨率由频率宽度决定，即 2NA cos(45) = 1.4NA。
因此，临界尺寸变为：

图 11. 焦平面的离轴四极照明模式。
将离轴角度取为知足 NA 的瞳孔大小，则频率跨度变为 1.4 NA。
圆柱形反射镜的阴影是模糊的，部分照明和衍射可以通过，因此反射镜上应保留 10-15% 的余量，即 NA 0.22 时的像差校正须要覆盖衍射。

本节先容了成像剖析的初步结果，解释了四极照明下中央遮挡和两个圆柱镜阴影的影响。
还须要进一步的优化事情来研究各种逻辑模式、两个圆柱形反射镜的间距以及部分相关和瞳孔添补系数。
这个问题与线扫描狭缝和中央孔丢失的光子有关，而这些光子丢失又会反响到所需的 EUV 光源功率上。
本提案中照明方案的灵巧性受到一定限定。
不过，我们在投影仪上有足够的 EUV 功率来优化（也包括瞳孔添补因子）各种逻辑图案的合理比拟度，这对我们的目的来说已经足够了。

菲涅尔数 F 定义为 F = a2 /Lλ，个中 a 是特色尺寸，L 是与物体的间隔，λ 是入射波长。
对付逻辑图案的 1 微米场，间隔掩膜表面只有 1 毫米，F = 0.07 <<1，因此衍射变成了弗劳恩霍夫机制，即我们可以用傅立叶变换来处理衍射。
对付纳米图案，F 总是非常小，处于夫琅和费状态。

如图 3 所示，衍射从 AM2 传播到 AM1，在 AM1 和 AM2 之间，来自不同场高的光芒在焦平面上交叉，产生掩膜图像的傅立叶图案。
如图 8 所示，三个圆圈表示轴和两个场边缘上的衍射锥。
与直径比较，位移量相对较小，因此我们用场中央的衍射来近似成像能力。
如图 8 所示，AM2 的中央遮挡率高于 AM1，因此我们估计 AM2 的遮挡率。

图 12 显示了 27 nm HP 半间距垂直线的 FFT 剖析。
从左到右依次为测试图案、焦平面衍射、与原点 0 次对齐的重叠衍射和背面 FFT 空中图像。
第二行为无遮挡（无孔）情形。
掩膜前的圆柱镜阻挡了部分衍射，而阴影并非全黑。
这是由于非零光源尺寸，即 50 nm -mrad 的相位空间（△x, △x'）（见图 10），使镜子的阴影模糊不清。

图 12. 27nm半间距HP 垂直线的 FFT 快速傅里叶剖析。
图像从左到右依次为测试图案、焦平面衍射、与原点 0 次对齐的重叠衍射以及背面 FFT 快速傅里叶空间像。
第二行为无遮挡（无孔）情形。

值得把稳的是，强烈的衍射形成了一个矩形，环绕着中央孔。
因此，射向中央孔的功率很小。
因此，在这种情形下，中央遮挡的影响相对较小。
这一点在水平线上不会改变。

图 13 显示了垂直线两侧的强度。
可以看出，比拟度并没有由于中心遮挡而减弱，反而略有增强。
这可以阐明如下。
孔洞中旗子暗记的丢失相称于增加了一个相位偏移 180 度的旗子暗记，其增强比拟度的办法类似于相位移掩膜。

图 13. 图案中部的强度曲线。

图 14 是 35 nm 交错打仗通孔的 FFT快速傅里叶剖析。
从左到右依次为测试图案、焦平面衍射、与原点 0 次对齐的重叠衍射和背面 FFT 空间像。
第二行为无遮挡（无孔）情形。
如图 15 所示，一定量的衍射能量进入孔洞，因此比拟度变低。
正如 Jo Finders 等人所谈论的那样，三极或六极离轴照明适用于分辨率更高、比拟度更好的成像。
然而，本文提出的系统是基于四极的照明，可能不是交错通孔阵列成像的最佳选择。
只管如此，该系统还是大略且经济可行的。

图 14. 35 nm 交错打仗通孔的 FFT 快速傅里叶剖析。
从左到右依次为测试图案、焦平面衍射、与原点 0 次对齐的重叠衍射和背面 FFT 空中图像。
第二行为无遮挡（无孔）情形。

图 15. 光斑中部的强度曲线

走窄线型路线。

作者建议尽快进行事理验证实验，有可能采取半比例模型，即 OID 1000 毫米、0.2 NA、10 毫米光场（带或不带曲面掩膜）。