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项目负责人或研究团队照片

项目负责人个人简介或研究团队介绍

项目负责人介绍:

林景全(1966-),男,教授,博士生导师,1999年于中科院长春光机所获博士学位,2000年中科院物理所博士后出站.2000-2016年先后在日本产业技术综合研究所,德国慕尼黑大学等单位从事研究工作.目前主持国家自然基金面上项目三项以及国际合作项目一项,国防973子课题一项以及其他省部级科研项目多项.以第一作者或通讯的身份在美国的应用物理快报(Appl.Phys.Lett.)等国外着名的学术杂志上发表论文五十余篇.获得日本专利两项.

研究团队介绍:

课题组所在的超快光学实验室,依托于长春理工大学理学院及长春理工大学国际纳米光子学研究中心,于2016年组建成立,2016年被评为吉林省高强度飞秒激光与物质相互作用优秀团队称号.现有教授2名,副教授1名,讲师1名.研究组内现有博士研究生9名,其中3名为外国留学生,硕士研究生20余名(图1为研究组成员的照片).近年来主要开展了极紫外光刻用激光等离子体光源,光电子光谱法对光刻掩膜进行缺欠在线检测,相干极紫外辐射,超快纳米尺度等离子体激元,飞秒激光材料表面功能微纳结构的制备,飞秒激光等离子体丝及应用,以及飞秒激光诱导击穿光谱以及等研究工作.

(项目负责人及研究团队介绍限一页)

文章编号

项目名称:激光等离子体极紫外光刻光源(二号)

项目成员:林景全*,孙长凯,窦银萍(四号)

项目承担单位:(长春理工大学理学院,吉林长春130022)(五号)

摘 要:研究并讨论了下一代光刻的核心技术之一一激光等离子体极紫外光刻光源.简要介绍了欧美和日本等国极紫外光刻技术的发展概况,分析了新兴的下一代13.5nm极紫外光刻光源的现状,特别讨论了国内外激光等离子体极紫外光刻光源的现状,指出目前其存在的主要问题是如何提高光源的转化效率和减少光源的碎屑,同时概述了6.5-6.7nm极紫外光刻光源的最新研究工作.最后,介绍了课题组近年来在极紫外光源和极紫外光刻掩模缺陷检测方面开展的研究工作.(小五号)

关 键 词:极紫外光刻,激光等离子体,转换效率,碎屑

中图分类号:TP394.1,TH691.9文献标识码:Adoi:10.3788/CO.20160601.

Laser-producedplaalightsourceforextremeultrioletlithography

LINJing-quan*,SUNChang-kai,DOUYin-ping

(CollegeofScience,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China)

*Correspondingauthor,E-mail:linjingquan@cust.edu.

Abstract:Laser-producedplaa(LPP)extremeultrioletlithography(EUVL)lightsourceisoneofthecoretechnologiesofnextgenerationlithography(NGL).Ithasbeensuccesullyappliedtosemiconductoroptoelectronicindustryandwillenergeticallypromoteintegratedchipintominiaturizationandintelligentialization.Inthispaper,abriefreviewisgiventothedevelopmentsituationoflithographytechnologyinEurope,AmericaandJapan.Beinganewlyarisenresearchdirection,thestatusofnextgeneration13.5nmEUVLsourceisanalyzed,andespeciallytheresearchonEUVLsourcebaseduponLPPathomeandabroadisdescribedandanalyzedindetail.ThelatestresearchstatusonEUVLsourceat6.7nmisalsopresented.

Keywords:EUVL,LPP,ConversionEfficiency(CE),Debris

1引言(四号)

极紫外光刻技术(ExtremeUltrioletLithography,EUVL)是深紫外光刻(DeepUltrioletlithography,DUVL)向更短波长的自然延伸,本质上与现有的光学光刻十分相似.芯片光刻技术经历了从最早由汞弧光灯发出的可见波段(436nm)和紫外波段(365nm),到准分子激光发出的深紫外波段(248nm)和(193nm)的发展过程.随着生产技术的提高和实际市场的需求,要求半导体芯片在更小的尺寸上集成越来越多的功能,人们通过各种手段来延长和扩展现有的深紫外光刻技术,目前,Intel公司采用液体浸润式技术已经成功的把193nm技术应用于特征尺寸22nm的晶圆生产.但是,深紫外波段的光刻技术从物理层面看已经发展到了极限.所以研究能够制造出更小工艺线宽的光刻技术已经迫在眉睫.

光刻技术在半导体晶圆中可刻划出的最小线宽d可表示为d等于k/NA,其中为使用的波长,NA为光学系统的数值孔径,k是与生产工艺相关的技术常数.最直接有效缩短线宽工艺的手段就是减小光刻中的波长.目前,下一代光刻(Next-generationLithography,NGL)技术方案有以下几种:一种是使用更短深紫外波长的157nm,一种是使用极紫外波段的13.5nm,还有一种方案是使用X射线波段的0.4nm,甚至使用更短波长的电子或离子束激光.157nm的深紫外技术可以无缝衔接现有的193nm技术,但从它的波段位置看,若继续引入,则马上将面临再次升级的要求,因而发展前景不容乐观,而更短波段的X射线和原子,离子束激光技术有太多要解决的理论和技术难题,发展还很不成熟,所以从现阶段的技术成熟度来看,极紫13.5nm技术最有潜力接替现有193nm光刻技术,大幅度地提高芯片的生产工艺,推进特征尺寸进入10nm甚至更短[1].

极紫外光刻的概念形成起始于1988年.其后,美国,欧洲和日本等国家对其在基本理论,技术难点和投入工业生产等进行了多方面的研究工作.国际上着名的大公司(包括Intel,Cannon,Nikon,Hitachi,Samsung,Philip,AL和Cymer等),国立研究机构(如美国的LawrenceLivermore,LawrenceBerkeley,Sandia,日本的产综研,法国的CEA等)以及许多知名的大学都投入了相当的技术力量进行极紫外光刻技术的研究.美国起步阶段的极紫外光刻技术研究是在能源部的三个实验室,Sandia国家实验室(SNL),Livermore国家实验室(LLNL),Berkley国家实验室(LBNL),AT&,T公司和部分大学主导下进行的,到1997年,Intel公司成立了包括AMD,Motorola,Micron,Infineon和IBM的EUVLLC,并与由LBNL,LLNL和SNL组成的国家技术实验室(VNL)签订了EUVL联合研发协议(CRADA).目前美国共有超过50个单位,包括国立实验室,大学,公司,集成电路公司和协调机构参与了EUVL的研发工作.在欧洲,与EUVL相关的研究工作起步于1996年,主要项目有4个,约110个研究单位参与,其中比较重要的项目为MEDEA和MOREMOORE.日本的EUVL研究工作开始于1998年,并于2002年6月成立EUVL系统研究协会(EUVA),目的是加速日本公司的EUVL研发工作和有效地管理EUVL研发项目[2].

典型的极紫外光刻系统主要由极紫外光源,收集系统和投射系统几部分组成.由于极紫外光在介质中存在强烈吸收,使得原有的常规折射光学系统很难再应用于这个波段的光刻技术中,EUVL的光学系统整体必须采用反射式设计,且需安置到真空腔室里.收集系统主要由两种不同元素原子间隔叠放组成的多层膜反射镜构成.投射系统将收集到的极紫外光通过反射式的掩模携带要蚀刻的电路信息后,经过一系列缩放处理,最终投射到晶圆上进行生产.

世界各国经过了大量的研发工作后,在紫外光刻方面已经取得重要的工作进展.目前Intel,AL及Nikon公司都已分别研制出低产量的极紫外光刻演示样机.

极紫外光源作为极紫外光刻机的重要组成部分,到目前为止,已经被国内外众多研究机构进行了广泛的研究.

2光刻用激光等离子体极紫外光源

为了满足大规模工业生产的需要,对于极紫外光刻中光源部分的基本要求是:提供足够高的带内极紫外辐射功率,对收集系统少污染,以保证整个系统的长时间稳定输出[3].

目前,获得极紫外光源主要有三种途径:同步辐射源,放电等离子体(DischargedProducedPlaa,DPP)和激光等离子体(LaserProducedPlaa,LPP).同步辐射环可将产生的高强度极紫外带内辐射用于光刻技术,相比于DPP和LPP,同步辐射不需要周期性的替换关键部件或燃料靶材,对光学元件无碎屑(debris)污染问题,是一种优良的极紫外光源.但是本身庞大,复杂的装置,昂贵的造价成本,缺乏灵活性,限制了其应用到商业光刻生产上.

DPP和LPP共同的特点是形成极高的温度环境,产生高温等离子体发射,从而辐射出高强度的极紫外光.因此两者可以使用相同的燃料靶材,只是在形成的手段上有所区别.DPP通过两个电极在高压下产生强烈的放电来产生高温高热的等离子体环境,而LPP则通过高功率的激光脉冲直接作用到靶材来产生高温等离子体环境,并向外发射极紫外辐射.其中,DPP方法可以获得相当强度的EUV辐射,增大放电电流的输入功率可以提高EUV的辐射输出,但等离子体在产生过程中会自然的对电极产生热负荷和腐蚀,造成关键元件部分的损坏,并伴随产生大量的碎屑,污染光学系统,很难维持长时间的稳定工作,到目前为止也没有找到很好的解决方案,因此阻碍了DPP在EUVL中的应用.LPP方法使用脉冲激光照射靶材,使其吸收高能量产生等离子体,相比DPP方式,光源具有更好的可控性和稳定性,不仅能够有效减少设备热负荷,提高光源工作频率,而且能直接控制等离子体产生区域的尺寸和空间稳定性.虽然LPP也存在碎屑的污染问题,但较DPP光源要清洁很多.LPP本身体积小,亮度高,可以通过选择适当的燃料靶材及控制等离子体参数来实现极紫外等离子体光源输出波长的调谐.由于其本身产生方式的灵活性,可在更大的立体角范围内收集EUV光,如图1所示,从而能更有效地利用产生的辐射,提高输出功率.从多年来的发展来看,LPP光源的巨大潜力不断被挖掘,最有希望能满足EUVL未来高量产的需求.

图1收集LPPEUV辐射示意图

Fig.1FrameworkofLPPEUVradiationcollected

图2是CYMER公司生产的以LPP为基础的极紫外光源工业样机[4].整个系统包括:激光器,光束传播系统(BeamTransportSystem,BTS)和光源放置器.作为驱动光源的激光器采用可以多级放大的CO2激光器,可提供高至40kW的输入功率.激光和BTS完全封闭到真空环境中.BTS使激光光束聚焦到靶材上,

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135;生稳定的高温,高密度的等离子体,其发出的EUV辐射经过多层膜反射镜组成的收集系统收集并送给下一级光刻系统.

图2CYMER公司生产LPP源[4]

Fig.2LPPsourceproducedbyCYMERpany[4]

为了保证光源产生的极紫外光能被有效的收集,减小在成像系统中的损耗,使光源产生的极紫外辐射最终被充分用于光刻,整个系统的反射元件必须具有非常高的发射率.目前,在中心波长13.5nm处,光谱带宽(Bandwidth,BW)2%内,可制作出反射率接近70%的Mo/Si组成的多层膜反射镜[5],如图3所示,Mo和Si原子按6.7nm周期厚度交替叠放,使13.5nm的极紫外光在其中产生相消干涉,从而形成很高的反射效率.这也是促使研究人员把13.5nm作为EUVL主要候选工作波长的原因之一,相应的激光等离子体光源研究工作大多都集中在该输出波长的附近[6].

图3Mo/Si多层膜示意图

Fig.3FrameworkofMo/Simultilayer

经过多年的不懈努力,研究人员对输出波长为13.5nm附近激光等离子体极紫外辐射的物理机制有了比较深入的理解,已经可以在EUVL整机系统光源收集的中间聚焦处获得接近100W的极紫外辐射强度[7][8]..伴随着EUVL中其它各项关键技术难题的不断解决,以LPP为工作模式的EUVL有望在几年内投入工业化量产[9].但是在EUVL投入工业化生产之前,几个关键技术问题还必须进一步解决好,这些关键问题主要集中在EUV光源的转化效率和光源碎屑两个方面.

EUV光源转化效率的进一步提高

为了满足基本的商业生产需求,同时有效的控制成本,实际的光刻生产需要保证每小时100片晶圆以上的生产率,这就要求极紫外光源在进入光刻系统的中间聚焦处的输出功率必须达到115W以上.有效提高EUV光源转化效率是实现这一功率要求的直接途径.EUV光源的转化效率(ConversionEfficiency,CE),对13.5nm光源而言,是指在输出中心波长为13.5nm,2%的带宽内,EUV输出能量与输入激光能量的比值.可以提供LPP光源产生13.5nm附近工作波长的燃料靶材有很多种,其中具有代表性的有氙(Xe),锂(Li),锡(Sn)等.目前为止的研究显示,Xe的极紫外转化效率最高为1.4%[10],Li作为类氢元素,最高CE为2%[11],而Sn产生的CE最高可达3%[12].因此Sn是目前获得13.5nmEUV最理想的光源靶材.Sn在13.5nm附近的极紫外辐射,主要由形成的等离子体中Sn高价离子的4p64dN-4p54dN+1~4p4dN-14f(1≤N≤6)密集跃迁产生的类连续跃迁阵列,即不可分辨跃迁阵列(UnresolvedTransitionArray,UTA)形成,极紫外辐射的带内部分主要由Sn8+~Sn13+的离子跃迁形成.

人们发现通过改变靶材形状[13-14]和入射激光的参数以及聚焦条件等方式都可以有效的提高EUV的转化效率.研究结果表明激光等离子体的极紫外光转化效率可通过采用靶的形式进行优化.传统的Sn实验靶材是平面的,这就会造成激光束聚焦中心周围低强度处产生较冷的稠密等离子体,由于它膨胀速度比中心热等离子体慢,会对中心EUV发射主导区域(EmissionDominantRegion,EDR)[15]产生的EUV辐射有较强的吸收,影响EUV辐射的转化效率.为了解决这一问题,2003年,T.Tomie等人[16]使用Sn的腔限形靶(如图4所示),结合双脉冲方式,在激光束入射的反方向对EUV进行收集,对13.7nm处的窄带EUV辐射获得了较高的CE,但这种方法又很大程度上限制了EUV的收集角度,使其很难应用于EUVL工业生产之中.

2005年,Y.Tao等人[17]采用200μm宽,15μm厚度的Sn条覆盖在厚1μm的碳氢薄膜上作为靶材(如图5所示),使激光脉冲聚焦后的中心部分照射Sn条,而强度较低的光斑边缘则照射到碳氢薄膜上,其产生的碳氢等离子体由于其质量小,膨胀速度快,有效地减小了对EDR区域发出EUV辐射的影响,相比于传统平面Sn靶材,EUV辐射的转化效率提高了1.4倍.2005年,Y.Shimada等人[12]将厚度为1μm的Sn涂在直径为微米量级的球形塑料靶材上,优化塑料靶材直径后,最终在直径为400μm靶材上,得到了最大3%的转化效率.

图4腔限型等离子体EUVL光源[16]

Fig.4EUVLlightsourcegenerationbycity-confinedplaa[16]

图5(a)为在块状靶材中冷等离子体横向膨胀示意图,(b)为用Sn条靶材限制膨胀示意图[17]

Fig.5Schematicillustrationof(a)thelaterallyexpandedcoldplaaintheslabtarget,and(b)theconfinementofplaaexpansionusingtheSnstripetarget[17]

同时,除了各种固体形式的靶材外,人们还尝试用液滴状的靶材来获得EUV辐射.2004年P.A.C.Jansson等人[18]通过喷射液体状的Sn靶材同激光作用产生等离子体,获得了2.5%EUV光转化效率.2016年,MasanoriKaku等人[19]尝试使用喷射液体SnO2靶材,如图6所示,并结合双脉冲入射机制也获得了较高的EUV光转化效率.

图6典型液滴靶实验装置原理图[19]

Fig.6Schematicdiagramofthetypicalexperimentalsetupusingdroplettarget[19]

除了与靶材的形状有关外,极紫外光源的转化效率可进一步通过改变激光参数,如激光波长[20],脉宽[21],入射光束聚焦情况[14-15]等条件进行优化.2007年,J.White等人[22]研究了不同激光波长对EUV转化效率的影响,在相同的能量条件下,分别使用CO2激光脉冲(波长为10.6μm)和Nd:YAG激光脉冲(波长为1064nm和355nm)在Sn靶中形成LPP产生EUV,发现使用CO2激光脉冲不仅产生的带内EUV相对强度较大,而且其最大CE是Nd:YAG激光脉冲LPPCE的2.2倍.2016年S.S.Harilal等人[23]研究了入射光束聚焦情况对EUVCE的影响,通过比较靶材上聚焦焦点时与最佳CE聚焦条件时的光斑尺寸,发现由于在焦点时激光脉冲与形成的等离子体之间不能充分的相互作用,导致CE在焦点前后形成双驼峰变化,焦点时比最佳CE聚焦条件时的CE值降低了近25%.同年,Kasperczuk等人解释了EUV转化效率随靶材上入射激光光束聚焦条件变化的原因,发现聚焦条件实质上影响了形成等离子体的状态,后续激光脉冲强度分布与已形成的等离子体的相互作用情况会最终影响实验结果.过高脉冲激光强度使得EDR区域温度过高,使大部分EUV发射来自稠密等离子区域中,而稠密区域中Sn等离子体有较大的不透明效应,导致在稠密等离子体区域中的EUV辐射不能有效的从等离子体中出射,降低了最终的CE.

光源碎屑的进一步有效减缓

LPP光源中,产生高温等离子体的同时会伴有一定数量的碎屑产生,其主要由高能离子,中性碎屑粒子,微粒团簇和熔融液滴组成[16].高能离子的速度约在106~107cm/s,中性原子碎屑稍慢于离子碎屑,速度最慢的是尺寸在微米量级以上的微粒团簇,速度在103cm/s左右[24].

一方面,碎屑的产生会对光源的光学收集系统造成严重的损伤和影响,主要有两种因素:一是高能碎屑离子溅射撞击多层膜反射镜表面,造成对其结构的损坏,二是能量低的中性碎屑粒子溅射并附着在多层膜反射镜表面,额外的吸收极紫外辐射并加热多层膜,进一步损坏其结构.这些都会造成多层膜反射镜反射率的降低,从而影响光源长时间的稳定工作[16].另一方面,产生的中性粒子碎屑和低电离状态的离子碎屑会强烈的吸收光源产生的EUV辐射,从而限制了EUV光源的转化效率.大规模的工业化生产要求光刻光源在工作30000小时后,多层膜收集系统效率下降幅度应保持在10%以内,因此,有效减少LPP中碎屑的产生是EUVL技术投入商业化生产前必须解决的关键问题之一.

2005年,TakeshiHigashiguchi等人[25]研究发现Sn靶光源中高能离子碎屑能量主要分布在3keV~7keV区间,并利用法拉第杯(FaradayCup,FC)和静电能量分析仪(ElectrostaticEnergyAnalyzer,ESEA)对光源产生离子碎屑的角分布和不同价态离子碎屑的动能分布情况进行了系统的研究.2016年,D.Nakamura等人[26]使用激光诱导荧光(LaserInducedFluorescence,LIF)成像方法研究了Sn细丝靶LPP中原子碎屑的空间分布特性以及动力学特性,研究发现Sn中性原子碎屑的飞行速度接近1.5×106cm/s,在平行和垂直于Sn细丝靶的方向上,由于靶面的曲率变化使得Sn中性原子碎屑的速度分布有很大不同.

除了对碎屑本身的动力学性质进行研究之外,人们尝试使用多种方法来减缓光源的碎屑.人们发现填充缓冲气体和加载磁场等方法可以减缓碎屑的传播.2003年,Bollanti等人[27]用Kr气来控制钽LPP光源中的碎屑,结果显示缓冲气体显着地减少了到达多层膜反射镜表面的碎屑数量.2007年,S.S.Harilal等人[28]对使用磁场,环境缓冲气体及其联合作用对离子碎屑的影响作了较为系统的研究.发现缓冲气体可用来作为高能离子的缓和剂.相对其他气体对EUV辐射的吸收,氢,氦,和氩气在保证对13.5nmEUV输出影响较小的情况下[29],可使Sn离子碎屑的飞行距离大大缩短,加载磁场也可适当的减缓离子碎屑动能.人们还发现入射激光脉冲波长也会对EUV光源中的碎屑发射产生影响.2016年,A.Takahashi等人[30]对CO2(波长为10.6μm)和Nd:YAG的LPP(波长为1064nm)光源进行了对比研究,发现在相同激光能量下,CO2形成的LPP比Nd:YAGLPP产生的碎屑少3/4,但离子碎屑平均能量却高出3.7倍.人们也尝试采用改变靶材形状的方法来实现低碎屑.2006年,S.Namba等人[31]使用在空心塑料球上附着最优厚度Sn层的质量限制靶,来降低碎屑的产生,有效减少了Sn材料碎屑的形成.

此外,为了减小光源中碎屑的影响,人们还采用了双脉冲入射方案,通过选择适当强度的预脉冲,先与靶材相互作

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用产生低不透明度[32],低初始密度[33]的预等离子体,再通过主激光脉冲注入能量,既提高了EUV发射强度,又可以有效的减少碎屑的产生.2006年,Y.Tao和M.S.Tillack[34]使用双脉冲方案,使离子碎屑的动能减少了30多倍,中性碎屑粒子的能量也显着下降.双脉冲方法实质上是通过预脉冲与主脉冲组合产生的低浓度的预等离子体代替了高浓度靶材,从而有效减少过程中高能量碎屑粒子的产生.

国内关于EUVL光源方面的工作相关报道相对较少,据作者所知,中科院长春光机所应用光学国家重点实验室开展了气体靶,液体靶等形式的极紫外光源的研究[35],中科院上海光机所曾开展过锡固体靶激光等离子体极紫外光源的研究.另外,近期华中科技大学在国家重大科技专项的资助下开展了Sn液滴靶激光等离子体极紫外光源的研究[36],哈尔滨工业大学在国家自然基金重点项目的支持下开展了放电等离子体极紫外光源的工作[37]等.

3极紫外光刻—6.xnm极紫外光刻的光源研究

在图像产生,传输和变换的过程中,由于各种因素的影响,往往会使图像与被测物体或原始图像之间产生差异[13-19].这给从图像中提取各种信息造成了困难和不便.因此,在对图像测量之前要进行各种预处理,以降低噪声的干扰.常见的图像噪声包括光学成像及采样过程中常会出现的混叠噪声,插入噪声,抖动噪声,电子噪声等.而边缘的检测和提取往往对噪声比较敏感,因此需要在检测前对图像进行滤波降噪处理.随着13.5nmEUV光刻光源研究的逐渐成熟,世界上最大的光刻机生产商—荷兰的AL公司为代表的众多公司和研究机构又开始了新一轮更短工作波长,分辨率优于8nm的超极紫外光刻的研究工作(BeyondEUVL,BEUVL).在BEUVL的工作波长的选择上,以短于10nm可获得高反射率的多层膜元件为原则.从2016年开始,国际上开始了输出波长为6.xnm(6.5-6.7nm)的台式激光等离子体光源研究[38].目前,在6.7nm处已制备出反射率为46.2%的La/B4C多层膜[39],而且,这个波段工作的多层膜的反射率仍存在着较大的提升空间(其反射率的理论值可超过74%)[40].2016年,AkiraSasaki等人[41]通过等温膨胀模型理论计算了来自Tb高价离子的4d-4f跃迁产生的6.5nmEUV发射情况,结果获得比13.5nm处高一个数量级的EUV发射强度,并且与实验测量结果进行了比较,如图7所示.不难发现使用6.xnm波长会给极紫外光源应用带来更多的潜在优势:6.xnm的极紫外光相对于13.5nm而言,穿透能力大幅提高[42],带内EUV强度比13.5nm更强,可以通过采用更高气压环境气体阻止碎屑传播,使光源洁净度进一步提高.这些都激起了研究人员对6.xnm光刻光源的极大研究热情.

图7激光产生Tb等离子体的计算和测量比较(激光强度(5-8)×1011W/cm2,光斑直径:50μm)[41]

Fig.7Comparisonbetweencalculatedandmeasuredemissionspectraoflaser-producedTbplaa(laserintensity:(5-8)×1011W/cm2,spotdiameter:50μm)[41]

图8在相同的1.6×1012W/cm2激光强度(激光能量为320mJ/脉冲,光斑直径为50μm)下,激光波长分别为1064,532和355nm的EUV光谱[49]

Fig.8EUVspectraatlaserwelengthsof1064,532,and355nmforthesamelaserintensityof1.6×1012W/cm2(laserenergy:320mJperpulse,spotdiameter:50μm),respectively.[49]

2016年,TakamitsuOtsuka等人[50]通过在不同聚焦光斑尺寸和不同激光强度下比较Gd等离子体光谱特征来研究电子温度和等离子体流体动力学膨胀损耗对光源的影响.实验表明较大的聚焦光斑直径有效的抑制了等离子体动力学膨胀损失,从而可以提高EUV发射强度.

此外,人们也通过改变初始靶材密度方式,以减少自吸收的影响,研究其对提高6.7nmEUV转化效率的作用.

2016年,TakamitsuOtsuka等人[51]对比了采用纯固体Gd靶和低密度Gd2O3靶中产生6.7nmEUV辐射的情况,显示低密度靶由于减少了自吸收使带内EUV转化效率提高了近0.2%,说明在6.7nm光源中仍然需要降低等离子体的初始密度,以有效减少自吸收的影响.

2016年,该研究组又进一步对不同初始密度的Gd靶产生的6.7nmEUV转化效率进行了测量[52],如图9所示,得到在2%带宽内,初始密度为10%和30%的Gd靶CE接近,比传统纯Gd靶的CE增加了1.4倍.同时,实验还也表明通过双脉冲入射方案可使CE比单脉冲增加1.2倍.

图9初始浓度分别为10%,30%和100%的固体Gd靶材在相同激光强度为5.6×1012W/cm2(激光能量为400mJ/脉冲,光斑直径为30μm)的激光产生EUV光谱[52]

Fig.9LaserproducedEUVspectrafromtargetswithinitialdensitiesof10%,30%,and100%ofsolidGdforthesamelaserintensityof5.6×1012W/cm2(laserenergy:400mJperpulseandspotdiameter:30μm)[52]

目前为止的研究结果表明,激光强度在1011~1015W/cm2范围时,可得到Gd12+~Gd25+在6.7nm附近的强共振发射[48-52].而Gd12+~Gd25+产生的6.7nmEUV辐射,对入射激光的波长,脉冲宽度,聚焦条件,以及靶材的初始密度都存在依赖关系,这说明6.7nm的Gd靶等离子体光源中自吸收效应对光源的转化效率有很大影响,光源中形成的等离子体条件对6.7nm波长是光学厚的,发射光谱的转换效率(CE)同EUV辐射的自吸收是一个竞争的平衡过程.研究还表明产生有效的6.7nmEUV的Gd12+~Gd25+范围的离子态所对应的等离子体的电子温度在100eV左右[53],6.7nm最佳Gd等离子体的电子温度是在13.5nm处Sn等离子体最佳电子温度的3倍,基于Gd靶产生的Nd:YAGLPPEUV光源已经被证实是需要在高功率下运行[54],相比13.5nm,产生的高密度等离子体导致不透明效应增加,从而使共振强度减弱,限制了EUV源的输出.因此,对于6.xnm的EUV光源,如何有效降低自吸收,提高其在带内的转化效率,还是研究中的一个关键问题.同时,Gd等离子体光源产生的碎屑问题同样值得关注.

因此在未来的研究中,如何优化等离子体参数来平衡Gd离子体光源的自吸收与光发射能力之间的关系,进而获得6.xnm附近极紫外光的高转化效率,以及解决光源碎屑对周期性多层膜反射镜的污染,以达到工业量产所需要光源功率和长时间稳定工作的要求仍是这个方向研究的主要焦点问题,更多的研究将还在这些方面陆续展开.

4在极紫外光源和极紫外光刻掩膜缺陷检测等方面的研究工作

为了提高测量的精度,可在同一放大倍率下,对直径不同的圆的直径进行测量并分别计算出每一个像素所代表的长度然后求平均值作为在该放大倍率下的比例尺.近年来,本研究组的工作人员在极紫外光刻关键技术方面开展了一定的研究工作.在激光等离子体光源研究的方面,为了能够尽量满足未来工业化紫外光源的高工作重复频率,高单发EUV转化效率的要求,2016年,林景全与日本产业技术综合研究所合作[55]开展了粒子掺杂的液滴靶极紫外光源的研究.该方案采用水作为载体,包含氮化硼(BN)悬浮液滴的新型靶形式,克服了低碎屑的液体和气体靶材所存在的EUV转化效率不高的缺陷.实验优化了液滴靶的速度,振动频率等主要实验参数,使液滴靶光源EUV发射光强的稳定性从17.3%提高到4.1%(如图10所示),并产生稳定的4.86nm处EUV光辐射.

同时,为了进一步提高EUV光的转化效率,他们采用预激光脉冲汽化并干燥纳米粒子包含的水滴[56],使纳米粒子能够更有效地吸收主脉冲激光能量,即采用双激光脉冲的方式打靶(如图11所示).

图10液滴靶等离子体的EUV光辐射峰值强度随EUV光脉冲数的变化.(a)图是利用压电驱动器电源的外触发信号同步控制YAG激光脉冲时获得的结果,图(b)是利用检测液滴的He-Ne激光同步信号触发YAG激光时获得的结果[55]

Fig.10(a)ThemeasuredEUVemissionpeakvaluefromthewaterdropletplaersusthelasershotnumberbyusingaSyncOutsignalfromthepiezo-actuatorpowersupplytotriggertheYAGlaser.(b)ThemeasuredEUVemissionpeakvaluefromawaterplaersuslasershotnumberbyusingapulsedHe–NelasersignaltotriggertheYAGlaser.)[55].

图11基于爆炸汽化微粒子包含液滴靶的激光等离子体EUV光源装置示意图[56]

Fig.11Sketchofexperimentalset-upforlaserplaaEUVsourcebasedonaschemeofexplosivevaporizationofaparticle-includeddroplet[56]

实验结果表明双脉冲打靶条件下,BN粒子的EUV辐射强度比单脉冲的情况下高出2两倍以上,如图12所示.

为了能够尽量抑制激光等离子体光源中离子碎屑对极紫外多层膜收集镜的污染,孙英博和林景全等人[57]使开展了Sn靶激光等离子体光源的离子碎屑特性及其屏蔽方法的研究.他们用Nd:YAG激光脉冲聚焦到Sn靶,用飞行时间法测量了所产生的Sn离子碎屑的动能及其空间分布.如图13所示,在接近零点处由于光电效应产生一个快速峰,随后在约1.84μs处出现了一个Sn离子峰,其对应的动能约为1.8keV.在此之前约1.33μs时已开始出现离子信号,该处所对应的离子动能为最大动能约4.2keV.

图12BN粒子包含的液滴产生EUV峰值信号强度与主,预激光脉冲间延时间的关系.图中每个数据点是10发EUV光的平均值[56]

Fig.12DependenceofEUVpeaksignalintensityfromtheBNparticle-includeddropletondelaytimebetweenthepre/mainlaserpulses.Eachdatapointdisplayedinthisgure

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isaneragevalueoftenshotsofEUVemission[56]

图13与靶材法向成18°处由法拉第杯测量的典型Sn离子TOF分布[57]

Fig.13AtypicalTOFprofileoftinionsrecordedbyFaradaycupattheangleof18°withrespecttothetargetnormal[57].

同时,我们对Sn离子动能的角分布情况进行了研究.实验发现Sn离子动能满足cos0.8(θ)余弦分布规律(如图14所示).进一步分别用Ar,He作为缓冲气体来减缓离子碎屑的传播,发现压强分别为40mTorr的Ar和380mTorr的He缓冲气体可使到达多层膜位置的离子碎屑减少90%以上.

图14Sn离子能量角分布,0°代表靶材平面的法向[57]

Fig.14Energyangulardistributionoftinions.Here0°standorthenormaldirectionofaplanetarget[57]

除了对极紫外光源研究之外,本组与德国慕尼黑大学合作还开展了对极紫外光刻掩膜缺陷的相关研究工作.2007年,林景全等人[58]通过使用EUV光电辐射电子显微镜(EUV-PEEM)开展了EUVL掩膜位相缺陷的波长检测工作,如图15所示,与标准的PEEM的照明方式不同(标准PEEM的光入射角与样品表面的法线方向成约70°角),在该装置中EUV光束在与法向呈4°照射掩膜板样品.研究结果表明该方法可以得到35nm宽和4nm高位相缺陷的清楚图像,如图16所示.

图15EUV-PEEM的示意图[58]

Fig.15(Coloronline)TheschemeoftheEUV-PEEM[58].

2016年,林景全等人进一步采用"干涉衬度"机制光电发射电子显微镜对EUVL掩膜缺陷进行三维测量.清晰地获得光刻掩膜缺陷的图像,并准确地给出了极紫外光刻掩膜表面缺陷的三维尺度,如图17所示.

图1640层Mo/Si多层膜覆盖着的位相缺陷EUV图像.检测所用波长为13.5nm,其中最小的的位相缺陷尺寸为H等于4nm,W等于35nm(图中标为1者)[58]

Fig.16EUV-PEEMimageshowingapatternwithvariedlinewidthdefectsburiedunderneatha40bilayerMo/Simultilayer,detectedataninspectionwelengthof13.5nm.Thelinemarkedwith1isthe35nmwideand4nmhighdefect.[58]

图17在13.5nm处获得EUVL掩膜板缺陷的EUV-PEEM层析图像.图形右上侧为利用驻波方法测量掩膜缺陷高度的示意图.右下方为利用该方法分析对左侧实验结果的分析,对应的缺陷高度约为35nm

Fig.17"Tomographic"EUV-PEEMimageobtainedwithanEUVLmaskblankstackat13.5nm.Thecurveisaline-scanprofileeragedoverfivedifferentlinesscannedperpendicularlyacrossthefringes.Thediagramintheupperrightofthefigureillustratesonecaseofedgevariationofadefectusingtheapproachofstandingwefield.Thediagramintheunderrightoffigureillustratestheanalysisoftheleftexperimentalresult,thecorrespondingheightvariationofthedefectisestimatedtobe~35nm

5结束语

我们看到光刻技术的发展推动着半导体工业的迅猛发展.而半导体芯片产业技术和对应的光学光刻技术,在新的世纪里将是一个国家科学和技术实力的标志.由于社会生产和生活各个领域的强劲需求,必将促进整个世界半导体产业和光刻技术在新世纪中的蓬勃发展.相比前期,我国在该技术领域的沉寂,光刻技术向极紫外波段升级转化的过程,提供了我国难得的追赶国际水平和自身奋力发展的机遇.积极的借鉴和学习国外的先进技术,通过国内研究人员的不断努力,加之国家越来越强大的综合国力支持,希望我国的光刻技术和半导体信息产业能够循着扎实而稳健的道路快速的发展.

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4中国光学第卷

第期光学领域自然科学基金项目进展5

5

第x卷第x期

xxxx年x月

Vol.xNo.xxxx.xxxx

中国光学

ChineseOptics

第13卷第2期

2005年4月

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