美國官方報告：深度解析EUV光刻的現狀、需求和發(fā)展

2022 年，半導體市場規(guī)模約為 0.6 萬億美元，商業(yè)分析師預計到 2030 年將翻一番 1.0 萬億美元至 1.3 萬億美元。半導體制造業(yè)的大幅增長可以在光刻工藝中體現出。光刻是一種圖案化過程，將平面設計轉移到晶圓基板的表面，創(chuàng)造復雜的結構，如晶體管和線互連。這是通過通過復雜的多步過程選擇性地將光敏聚合物或光刻膠暴露于特定波長的光下來完成的。最近，光刻技術的進步在生產最先進的半導體方面創(chuàng)造了競爭優(yōu)勢，使人工智能（AI）、5G 電信和超級計算等最先進的技術成為可能。因此，先進的半導體技術會影響國家安全和經濟繁榮。

如今最先進的半導體光刻工藝使用 EUV 光源，特別是 13.5nm 的光源。EUV 光允許在半導體中構建更小的單位特征。據報道，EUVL 系統目前的成本為 1.5 億美元，并于 2019 年由 ASML 首次部署，后者保持著 100% 的市場份額。到目前為止，ASML 已經出貨了三種不同的 EUVL 系統型號，即 TwinscanNXE：3400B/C 和 NXE：3600D，NXE 系統的總出貨量從 2019 年第一季度的 31 臺增加到 2022 年最后一個季度的 181 臺。

本報告的組織方式如下。引言的其余部分包括 EUVL 的技術背景、EUVL 國際和國內狀況的背景以及 NIST 和 CHIPS 研發(fā)計量計劃的概述。其中，第 2 節(jié)包含工作組會議中討論的 EUVL 技術狀況和需求。第 3 節(jié)概述了工作組會議的調查結果和關于前進道路的建議，以此作為報告的結尾。

1.1EUV 光刻技術技術背景

EUVL 是制造下一代半導體芯片的關鍵一步。EUV 光是由高純度錫產生的高溫等離子體產生的。固體錫在一個液滴發(fā)生器儀器中熔化，該儀器在真空室中每分鐘持續(xù)產生超過 300 萬 27μm 的液滴。一個脈沖 25kW 平均功率的二氧化碳激光器用兩個連續(xù)的脈沖照射一個錫液滴，以分別形成和電離液滴。最初，會產生數千瓦的 EUV 光，但由于沿光路的吸收和散射損失，只有一小部分能成為光刻掩模。通過間接閃爍-相機測量推斷 13.5nm 光的輸出功率和光束質量。一種多層聚光鏡系統將光引導到感光區(qū)。聚光鏡系統通過持續(xù)流動的氫氣體保護自己免受錫碎片的影響。每次曝光后，自動晶片級將晶片的分辨率定位為≤0.25nm，每秒進行 20,000 次循環(huán)檢查調整過程?？偟膩碚f，這個過程需要許多不同的工程系統之間的精確協調。圖 1 是 ASMLEUVL 組件的照片。

圖 1.ASMLEUVL 組件。來源：ASML

1.2EUV 光刻技術的當前和未來狀態(tài)

先進半導體制造的增長來自于美國、歐洲和亞洲國家的新的 EUV 制造設施。如前所述，目前唯一生產 EUVL 掃描儀組件的公司是總部位于荷蘭的 ASML 公司。ASML 向英特爾、中國臺灣半導體制造公司（TSMC）和韓國三星等公司銷售 EUV 掃描儀組件。這些公司在他們的半導體制造設施中使用 EUV 掃描儀。EUVL 系統不僅僅是在荷蘭創(chuàng)建的，而是由全球開發(fā)的許多模塊組成，然后運到荷蘭的 ASML 總部進行最終組裝和測試，然后交付給客戶。

從美國的角度來看，ASML 的 EUV 源的研究、開發(fā)和制造駐扎在加州的圣地亞哥。EUVL 掃描儀組件的光源組件如圖 2 所示。需要注意的是，光源組件包括位于 EUVL 掃描儀組件中的源容器，以及制造地板下方的許多組件，包括激光計量、光束傳輸系統和驅動激光器及其輔助設備。駐扎在圣地亞哥的源工作是 ASML 在 2012 年收購 Cymer，以推進 EUV 源技術的發(fā)展。此外，鑒于 EUVL 在半導體制造方面的優(yōu)勢，出口管制最近已經保護了這項技術。具體來說，在 2022 年 10 月，美國工業(yè)和安全局（BIS）發(fā)布了一項規(guī)則，87FR62186，其中包括極紫外光刻（b.2）在內的技術進行出口管制。

圖 2.ASML 的 EUV 光刻源組件的圖形。來源：ASML

ASML 指出，EUV 光刻技術的未來發(fā)展包括將數值孔徑（NA）從 0.33 增加到 0.55（「高 NA」）。高 NA 可用于減少目前 0.33NA 所需的多模式步驟數，并導致解決更精細的幾何尺寸。這與公開發(fā)布的 2022 年 IEEE 國際設備和系統路線圖（IRDS）路線圖相一致，需要到 2037 年繼續(xù)將晶體管擴展到 0.5nm。新的 NA 平臺的目標是提高晶圓和粒子狀態(tài)的速度，使實現幾何芯片縮放。高 na 系統預計將于 2023 年發(fā)貨給客戶，預計到 2025 年將全面投產。在 2023 年初，ASML 宣布他們已經建立了兩個新的 EUV 功率記錄，每小時運行 600WEUV 排放，符合高 naEXE：5200 劑量穩(wěn)定規(guī)格和 700W 開環(huán)運行。在實現 EUV 大批量制造之前，600W 的演示比五年前交付的 250W 有所增加。

1.3NIST 和芯片研發(fā)計量項目概述

芯片研發(fā)計量項目和 NIST 博爾德實驗室的 MarlaDowell 博士，在工作組會議上發(fā)表了一個受歡迎的主題演講。主題演講首先提醒與會者 NIST 的使命：促進美國通過推進測量科學、標準和技術，提高經濟安全，提高我們的生活質量，實現創(chuàng)新和工業(yè)競爭力。

它強調了 NIST 的核心能力，(1) 測量科學，(2) 嚴格的可追溯性，以及 (3) 標準的開發(fā)和使用。Dowell 在 NIST 提供了關于芯片研發(fā)計量項目細節(jié)、組織關系和國家研究機構的背景。Dowell 強調需要工業(yè)和 NIST 聯合研究，以協同解決芯片面臨的微電子挑戰(zhàn)。他強調 NIST 是一個非監(jiān)管性的實驗室。因此，NIST 一直是一個值得信賴的專有信息合作伙伴；是中立的、客觀的；并通過傳播支持美國創(chuàng)新和產業(yè)競爭力的高質量測量、數據和研究來促進關鍵技術的發(fā)展。具體來說，在博爾德，NIST 有約 900 名員工和超過 500,000 平方英尺的實驗室空間，包括六個領域，包括 (1) 先進通信技術，(2) 量子科學與工程，(3) 時間和頻率計量 (4) 先進材料表征 (5) 精確成像 (6) 激光和光電子。Dowell 隨后強調，NIST 在微電子領域有著悠久的目標投資組合，涉及許多領域。

Dowell 后來談到了《美國芯片法案》。概述了美國基金芯片的戰(zhàn)略，包括它將如何支持三個不同的舉措：(1) 對前沿制造業(yè)的大規(guī)模投資。(2) 成熟芯片和先進芯片、新技術和專業(yè)技術以及半導體行業(yè)供應商的新制造能力。(3) 加強美國研發(fā)方面的領導能力。區(qū)分了 390 億美元的制造業(yè)激勵和 110 億美元的研發(fā)激勵，重點是研發(fā)基金和 NIST 測量科學部分撥款。Dowell 討論了如何通過七個確定的戰(zhàn)略機會，半導體制造業(yè)、學術界和政府的廣泛反饋，包括 EUVL 工作組會議。

通信技術實驗室（CTL）提供了一個材料計量的例子，在成為芯片研發(fā)計量項目主任之前，她曾擔任那里的部門主管，特別是 5G 材料的標準參考材料（SRMs）。她合著的 NISTSP1278 文件作為計量能力提高微電子組件和產品的安全性和來源的一個例子。

結束主題演講時 Dowell 介紹了 NIST 出版物，該出版物提供了與芯片相關的計量機會。此外，2023 年 4 月 25 日上午，她的部門發(fā)布的一份文件概述了國家半導體技術中心的愿景和戰(zhàn)略，描述了未來行業(yè)和 NIST 之間的互動如何發(fā)生。

美國國家標準與技術研究院材料計量實驗室（MML）代理主任 StephanieHooker 博士在工作組會議上發(fā)表主旨演講，歡迎與會者在下午會議前發(fā)言。Hooker 重申了 NIST 的任務，并強調 NIST 最大的優(yōu)勢是它在世界一流的工程師和科學家中的聲譽。除了共享 NIST 的規(guī)模和能力外，重點還放在了 NIST 提供的測量服務上。測量服務包括超過 1100 個標準參考材料（SRMs），大約 100 個標準參考數據（SRD）產品，5 個質量保證程序，以及大量的數據工具和注冊表。重點還強調了文件標準，以及 400 多名 NIST 技術人員如何參與 100 多個標準委員會，并在許多國際標準機構中擔任領導職位。從而提高了美國在全球范圍內的競爭力。她的演講強調了 NIST 所參與并正在擴展的關鍵技術領域，包括人工智能（AI）、量子科學、先進通信、先進制造和生物經濟。Hooker 在總結時介紹了一些已建立的參與領域和與 NIST 合作的方法，包括像本報告所關注的工作組會議、財團、CRADAs 和 MTAs。

這兩個主題演講顯示了工作組成員和 NIST 領導層之間的凝聚力和參與。

EUVL 的技術方面

已經詳細介紹了在工作組會議上提出和討論的 EUVL 的技術方面。以下是三個專門討論 EUV 源模塊的部分（2.1-2.3）。然后，討論了與 EUV 光相互作用的組件的當前狀態(tài)和需求（2.4）。這兩個組件都與 EUV 光相互作用。最后，介紹了 EUV 光如何作為一種計量工具來分析半導體制造過程中的組件（2.5）。EUV 光作為一種工具的計量方面與 Sec 中討論的輻射測量有直接的關系。這里討論的技術細節(jié)已經公開發(fā)布。然而，將工業(yè)和 NIST 研究的技術專長和地位結合到一份報告中對理解技術景觀是有用的。已納入審查參考資料，以補充本報告中提供的技術細節(jié)。

2.1 液滴發(fā)生器：極端下的熱物理性質和建模

液滴發(fā)生器是 EUVL 掃描儀組件中的一個重要組成部分 (圖 3)。液滴發(fā)生器控制進入 EUV 源腔的材料的大小、速度和重復速率，由二氧化碳激光器電離，產生 13.5nm 的 EUV 光。因此，由于故障影響所有下游部件停止運行，EUV 光必須產生可靠的液滴。液滴的典型直徑為 27μm，行程為 80m/s，重復頻率為 50kHz。液滴發(fā)生器觸發(fā)二氧化碳激光脈沖的發(fā)射，導致其被稱為整個 EUV 掃描儀組件的「心跳」。

錫是 EUVL 應用中液滴發(fā)生器的工作液流體，當電離成等離子體時產生 13.5 納米波長的光。近幾十年來，研究人員研究了除錫以外的材料的可能性，如氙氣和鋰。安全性、成本和性能等因素已證明錫是 EUVL 制造應用中激光生產等離子體的優(yōu)越材料。在半導體制造中，除了錫之外，沒有其他材料的公共路線圖，所以在基礎科學水平上理解這種材料的投資將在短期和長期的未來產生影響。該行業(yè)對單一材料錫的定位，使其成為用于產生 EUV 光的復雜激光-物質相互作用所需的基本材料特性的理想選擇。

液滴發(fā)生器的工作原理是將固體高純錫（>99.999wt.%）裝入容器，并加熱到熔點（~232°C）以上。然后通過高純度氣體，通常是氮氣向容器內液體的一側施加壓力，使熔融錫通過過濾器流到另一側的噴嘴。錫滴的噴射通常由壓電（PZT）晶體調節(jié)，從而產生機械振動。第一代原理意圖 9 液滴發(fā)生器的照片如圖 3 所示，液滴位置穩(wěn)定性大約 1μm。

圖 3. 錫液滴發(fā)生器的示意圖（頂部）和照片（底部）。來源：ASML

液滴發(fā)生器在 2021 年取得了新的進展，具有在線補充能力，圖 4 在不中斷下游 EUV 掃描儀性能的情況下減少了系統停機時間。使用這種新的液滴發(fā)器設計，已經實現了超過 3000 個小時的連續(xù)運行。

圖 4. 帶內聯補充的錫液滴發(fā)生器原理圖。來源：Purvis 等人。

提高生產率有更高的 EUV 功率需要增加驅動激光功率，每秒鐘就會有更多的液滴。為了增加液滴的頻率，需要增加液滴 10 發(fā)電機的壓力需要增加，這反過來又會產生更大的液滴間距。這一概念性如圖 5 所示。

圖 5. 在不同工作壓力下的液滴發(fā)生器的空間域示意圖，以實現更高的 EUV 功率。來源：ASML

目前，在大氣壓力下，熔融金屬缺乏可靠的材料性能。這種標準數據的缺乏阻礙了創(chuàng)建液滴發(fā)生器的數值模擬的進步?？茖W家和工程師描述的實踐包括從已發(fā)表的文獻中尋找最近的材料特性，并推斷粗略的估計。然后，他們依靠對整個系統在操作條件下的經驗觀察，來調整材料性能和操作參數之間的關系。一個行業(yè)演講者給出了一個例子，說明打印頭設計需要平衡，確保工作流體（熔融金屬）處于足夠高的溫度以處于液相，但也不太高以熔化壓電元件。

介紹了目前 NIST 金屬材料性能計量資源，重點介紹了 NIST 合金數據庫，該數據庫是一個包含金屬（包括錫）實驗熱物理特性的精選數據庫。目前，由于材料基因組倡議（MGI）的資助和熱力學研究中心（TRC）的監(jiān)督，整個數據庫都是免費的和對公眾開放的。為了繼續(xù)開發(fā)，可以將數據庫轉換到 SRD，以便根據 2017 年通過的美國標準參考數據法更新法計算入維護成本。為美國工業(yè)提供公正和專業(yè)驗證的材料性能數據的能力，可以在操作液滴發(fā)生器方面提供高效的設計見解和創(chuàng)新。SRD 在材料性能方面的一份出版物表明，SRD 的優(yōu)勢在國際上得到了關注。

NIST 計量能力有效性的一個限制因素是實驗中的差距適用于 EUVL 的液滴發(fā)生器的高壓下熔融錫的數據。材料液滴發(fā)生器中工作流體的特性決定了一種稱為瑞利破裂的現象，該現象導致液滴形成并發(fā)生合并。這一現象在過去的 40 年里得到了廣泛的研究。瑞士聯邦理工學院蘇黎世大學等人在 2011 年進行的研究。證明了熔融錫液滴的直徑和速度的壓力在 4MPa 以下和 100kHz 以下的頻率之間的關系。2023 年發(fā)表的一篇文章顯示了研究領域的積極追求。

由于缺少熔融錫的參考數據，可以測量參考質量數據以填充 NIST 合金數據庫等數據庫的新儀器將很有價值。聲速（SoS）是一種特別有用的材料特性，因為它可以與一個單一（T，p）點的密度和等壓熱容數據相結合，從而可以獲得在任何溫度、壓力下的密度、等壓膨脹率和等壓熱容的額外熱物理特性。NIST 的研究人員已經證明了制冷劑材料的 SoS 測量值。精確的 SoS 測量對于實現通過使用狀態(tài)方程（EoS）來建模材料的熱力學特性的最終目標至關重要。在模擬的精度上使用不同的 EoS 已經被證明對甚至是最簡單的幾何圖形的精度有顯著的影響。

NIST 目前正在開發(fā)一種儀器，用于測量在較高的壓力和溫度下的 SoS。SoS 儀器是 ElizabethRasmussen 博士的國家研究委員會 (NRC) 金屬增材制造博士后獎學金的一部分。2022 年 10 月，提交了一項關于該儀器設計和操作的美國專利。新的金屬 SoS 儀器是 NIST 現有儀器的擴展，該儀器在較低的極端溫度和壓力下工作。新儀器目前正在開發(fā)中，需要額外的專門資源來進行錫的測量。

另外還需要提供輸運性能數據（表面張力、粘度等）。在極端條件下熔融的錫。要滿足這一需要，就需要一種新的定制計量儀器和相關資源。SoS 和運輸性能儀器都將具有世界級的計量能力，因此需要專門的技能來執(zhí)行設計、制造和操作。

一旦收集到數據，將其在 EoS 中關聯起來是很有用的。這種傳播的一個例子是傳輸相關性或熱力學 EoS。目前對錫的轉運性質有參考的相關性，但沒有參考的 EoS。錫傳輸特性的相關性與實驗數據相差 5-10%，且僅在大氣壓下有效。這為先進的計量學帶來了一個機會。NIST 擅長通過制冷劑（參考流體性能）項目為制冷劑和天然氣材料創(chuàng)建參考相關性、EoS 和 SRD，這可以追溯到 20 世紀 90 年代。因此，可以對金屬進行類似的測量，特別是對錫，以及開發(fā)成 SRD 的 EoS，以增強高保真模擬和實現數據驅動的 EUVL 開發(fā)。這種開發(fā)可能包括增加 EUV 發(fā)射和數字孿生創(chuàng)建，參考材料屬性、參考相關性和 EoS 將實現這些。SRD 或模型向美國工業(yè)的傳播可以通過 NIST 既定的 SRD 計劃以受控的方式進行，圖 6。

目前，沒有一個商業(yè)軟件系統能夠提供關于大氣壓以上液相金屬的準確或預測性的模擬指導。這項計量工作受到了工作組的行業(yè)成員從數據用戶和模擬中數據管道的角度的熱切鼓勵。

圖 6. 液體錫材料的性質如何幫助液滴發(fā)生器的流程，針對數據驅動的 EUV 光刻技術的操作。

除了缺乏在極端溫度和壓力下的熱力學和輸運特性外，部件的結構和壓電數據也很有限。這限制了預測可能的材料不相容性的能力，從而限制了液滴發(fā)生器的設計。關于如何新、高溫（>300°C) 壓電材料被認為是當前設置的一個優(yōu)點。一位成員提到并分享了 Tittmann 最近發(fā)表的一篇文章。此類材料確實存在，但不易獲得且價格昂貴。因此，必須做出權衡。

金屬液滴發(fā)生器存在于純錫之外，幾十年來一直用于焊接和制造粉末，包括鉛、錫、銦、銅、銀和金的合金。令人驚訝的是，在基本材料屬性方面存在很大的知識差距。雖然在 EUVL 以外的液滴發(fā)生器的使用超出了工作組的范圍，但認識到這一領域的發(fā)展也可能影響其他關鍵技術領域是有益的。

總之，強調了 EUVL 掃描儀組件中液滴發(fā)生器的優(yōu)化。液滴連續(xù)、可靠、精確操作發(fā)電機被明確，以及設計的進步，使改進 EUV 芯片生產。在測量高壓下熔融錫的基本熱力學和輸運特性方面的計量進步，可以建立材料特性的參考相關性，并以 SRD 的形式傳播。將 SRD 集成到仿真軟件中，可以實現液滴發(fā)生器的數字雙元模擬。因此，能夠模擬液滴發(fā)生器的環(huán)境可以幫助當前設備的操作和對未來設計的創(chuàng)新，使高 NAEUV 掃描儀系統成為可能。

2.2 用于 EUV 生成的輻射測量

工業(yè) EUVL 工具主要涉及兩種類型的光：用于電離熔融錫（Sn）的脈沖、高功率紅外（IR）激光，以及用于光刻產生的 13.5nm 光。前者由一種專門制造的二氧化碳激光器（λ=10.6μm）提供，以 50kHz 的重復頻率發(fā)射約 30kW（平均功率）。錫電離過程包括兩個快速連續(xù)的紅外激光脈沖：一個預脈沖使液滴從球體變平成一個圓盤，另一個高能量主脈沖，用于電離。紅外激光器的輸出對于發(fā)展未來的光刻工具至關重要，因為「EUV 功率比例需要更高的二氧化碳激光功率」?！冈谀壳暗纳虡I(yè)光刻工具中，非相干 13.5nmEUV 光的最大輸出功率約為 250W，實驗室演示為 600W。雙脈沖系統如圖 7 所示。

圖 7. 圖顯示了在半導體制造過程中產生 EUV 光的雙脈沖系統的（上）空間視圖和（下）時間視圖。來源：ASML

NIST 目前支持紅外校準，但不支持商業(yè) EUVL 所需的功率和脈沖條件。雖然 NIST 目前為針對光刻的微細加工行業(yè)提供校準，但它僅在 193nm 和 248nm 波長。在 EUV 波長范圍內進行校準是可能的，但只有在明顯低于 EUVL 工具的功率（毫瓦）時才能產生。在這些降低的功率下，NIST 提供輻射硬化硅光電二極管和氧化鋁光電發(fā)射探測器，或合適的客戶提供的探測器，可以作為傳輸標準進行校準。其他光學表征在 EUV 中進行，包括濾波器傳輸和空間均勻性測試。計量研究的機會將是擴展 NIST 校準能力，以覆蓋輸入紅外激光，用于推斷中游功率的 EUV 閃爍體，以及直接最終輸出 EUV 光，所有這些都在與工業(yè) EUVL 相關的條件下。通過為關鍵工藝參數提供可追溯的計量學，這將對半導體制造工藝的發(fā)展產生直接影響。此外，長期的影響將來自于未來的 EUV 儀器的開發(fā)，通過提供高保真的數據來驗證 EUV 生成的模擬。

絕對輻射測量法不僅對光刻工藝的開發(fā)和儀器驗收測試很重要，而且對 EUV 光產生工藝的準確定量也很重要。對這一過程的預測模擬已經滯后于 EUV 工具本身的開發(fā)。提高模型精度需要模型輸入和輸出的準確實驗數據。在與工業(yè) EUV 光產生相關的條件下，開發(fā)專門針對紅外激光器和 13.5nm 光的新的輻射計量工具將提供這些數據。

沒有工業(yè)合作，因為這里討論的工業(yè)光刻工具是唯一能夠產生這些探測器將被設計用來測量的光量的工具。鑒于與這些工具相關的知識產權數量，政府和行業(yè)的代表進行合作將很重要。工作組會議上的初步討論顯示，在沒有保密協議的保護下，該行業(yè)不愿討論相關細節(jié)。

2.3 等離子體物理和建模：光-物質的相互作用

EUVL 利用 13.5nm 的光子來生產集成電路。這種光的主要來源是由強大的激光器產生的一種非常熱的錫等離子體。激光參數被調整，以產生錫離子，主要發(fā)射近 13.5nm(例子：Sn10+-Sn15+)。雖然大多數等離子體特性在許多實驗中都得到了探索，但可靠和有效的理論支持對于開發(fā)更好的錫等離子體源至關重要。關于等離子體物理學的討論包括在整個工作組會議上的幾次介紹，并已合并到報告的一個領域。本節(jié)重點討論等離子體物理學，目前的技術現狀，以及美國工業(yè)和 NIST 研究人員推進該領域的需求。

對激光產生的錫等離子體的光發(fā)射的高級計算通常使用大規(guī)模碰撞輻射（CR）代碼進行，這些代碼試圖解釋導致光子輻射的最重要的物理過程。這些包括電子碰撞激發(fā)、去激發(fā)和電離、輻射、雙電子和三體復合以及自電離等等。此外，輻射傳輸和不透明度以及輻射流體動力學建?？赡茏兊帽匾?。

由于支持物質相互作用的基本物理機制的信息有限，等離子體建模也受到限制。這可能會導致等離子體工程工作是漸進式的，而不是變革性的，以支持大批量制造。過去，行業(yè)-政府實驗室合作伙伴一直試圖了解并控制等離子體過程，并報告了他們的成功。業(yè)界仿真專家還指出，復雜的仿真如何涵蓋不同時間尺度的多個物理領域。

等離子建模在指導工程以提高 EUV 光的產生和效率方面的實用性存在懸而未決的問題。例如，對帶外光子以及離子和電子的發(fā)射進行建模可以提供預測見解，這將極大地提高芯片生產的效率。另一個感興趣的領域是 EUV 光刻膠的光子、電子和化學相互作用，這是 EUVL 行業(yè)正在進行的研究興趣。因此，等離子體物理建模也適用于 EUV 光學元件。EUV 光學器件和材料涵蓋在以下部分介紹（2.4）。

在過去的三年里，EUVL 建模社區(qū)通過組織 EUVL 代碼比較研討會，啟動了一個對 CR 代碼的長期驗證和驗證程序。這種方法是根據 NIST 原子光譜小組組織了超過 25 年的一系列非局部熱力學平衡（NLTE）代碼比較研討會建模的。因此，NIST 的原子光譜組（ASG）被要求開發(fā)一個新的 EUVL 數據庫和現代比較工具，用于 EUVL 的 CR 代碼的智能比較。到目前為止，所描述的工作已經在沒有直接財政支持的情況下成功完成，最近兩個 EUVL 研討會的參與者使用數據庫和用戶界面來比較他們的軟件包。盡管如此，未來的研討會旨在分析需要對數據庫和用戶界面進行廣泛修改的新物理參數。因此，需要穩(wěn)定的資金，表明長期、多年的承諾來支持這一研究領域的發(fā)展。

NIST 研究人員報告的未來方向之一是主要基于多層反射鏡的可用性來研究更短的波長方案。這將產生比在更高電離態(tài)（所謂的「超越 EUV」）下比錫重的元素產生的波長更短的光子。不幸的是，更廣泛的研究界對 20+倍電離高 z 元素的光譜知識是不夠的。NISTASG 具有充分的實驗和理論能力，為 EUVL 社區(qū)提供最準確的信息未來等離子體源的光譜數據。為此，NIST 電子束離子阱（EBIT）不僅可以產生電荷高達 70+的離子，而且可以在這個光譜范圍內記錄 EUV 和軟光譜中最精確和詳細的光譜。NISTASG 團隊還使用最先進的原子方法和代碼進行高精度的大規(guī)模光譜計算。已證明的能力應該滿足 EUVL 對未來等離子體源準確數據的需求。應該指出的是，當行業(yè)代表被告知 EUV 未來的資源來源時，他們表示，近期沒有公開計劃使用錫以外的來源材料。

總之，行業(yè)利益相關者希望對錫等離子體進行建模，而 NIST 正在進行的工作可以支持更多的努力，但將需要投資。此外，設計工程師和科學家將任何代碼集成到商業(yè)軟件中對優(yōu)化 EUV 芯片生產能力有價值。工作組會議上的討論是技術性的，但如何將任何此類代碼與商業(yè)伙伴集成，以確保美國公司的利益。最后，建模等離子體和相互作用可以有助于減少碎片對 EUVL 部件的負面影響，這將在（2.4.2）中進行討論。

2.4 與 EUV 相互作用的成分的表征

本節(jié)涵蓋了與 EUV 光相互作用的 EUVL 掃描儀組件的兩個組件：(1) 光刻膠和 (2) 收集鏡。工作組的行業(yè)參與者提出了一個關于大批量制造 (HVM) 需求的總體主題。具體來說，HVM 的興趣主要集中在增加使用 EUVL 生產的芯片的產量和產量上。NIST 目前擁有的可能的計量解決方案將在第 2 節(jié)中介紹。

2.4.1. 光刻膠：聚合物特性描述

光刻膠處理對半導體行業(yè)至關重要。所有器件元件和相關結構（從場效應晶體管 (FET) 中的通道到器件之間的電氣互連）都需要光刻制造的納米級圖案。倫特規(guī)則指出，端子或互連的數量隨著邏輯塊或門的數量而增加。這與單元級別有關，當標準單元縮小時，與單元的連接需要也收縮。這個概念被證明在圖 8。

圖 8. 帶狀 FET 的單元尺寸縮小趨勢示例，其中單元寬度和單元高度縮小需要。來源：英特爾，Gstrein 等人。

行業(yè)參與者強調，要利用新的電池架構和新穎的器件材料，需要如何積極地縮小間距。會議還討論了如何實現新型單元結構和材料的 HVM 是困難的，產量是一個主要問題。例如，給定 1010 每個芯片的接觸點和一個模具的產量，Yd=

，至少占 99%。在系統中，一個第三代英特爾酷睿處理器（四核），包含 14.8 億個晶體管。如果有 99% 的良率，148 萬個晶體管將會有缺陷——目標是 99.99996% 的良率或 6Sigma（6A）。良率必須非常好，良率取決于過程控制和缺陷。如果良率足夠，制造 EUV 芯片的成本由生產率（吞吐量）決定。換句話說，更好的音高分辨率是必要的，但對于 HVM 來說還不夠。

影響良率的主要工藝變化是邊緣貼裝誤差 (EPE)。當光刻膠線條圖案的邊緣和側壁顯示出意外的納米級不規(guī)則性時，就會發(fā)生這種情況。這些不規(guī)則性是隨機的，通俗地稱為線邊緣粗糙度 (LER) 工件。隨著器件尺寸持續(xù)縮小，LER 偽影可能會嚴重影響尺寸控制，并且隨機 LER 波動的幅度開始與線路圖案公差競爭。LER 的控制對于提高器件性能和制造產量至關重要。LER 可以由加工流中的許多因素引起，包括光刻和蝕刻步驟中的誤差，以及光刻膠化學中的納米級變化。因此，EUVL 行業(yè)需要更好地理解 LER 的原因，以及緩解這些問題的新工具。

減少線/空間抗蝕劑校正中的錯誤的策略之一是通過定向自組裝（DSA），因為它可以修復小于間距的缺陷。圖 9 中顯示了 EUV+DSA 工作原理。工作組的一名行業(yè)成員提供了一個案例研究，針對 18nm 和 21nm 金屬間距的 EUV、DSA 和自對準雙圖案化 (SADP) 的協同組合。

圖 9. 除了 EUV 光刻膠外，使用定向自組裝 (DSA) 如何改善系統和隨機變異性的示例。來源：英特爾

總而言之，圍繞 EUV 光刻膠的關鍵點是：單元尺寸縮小需要新穎的工藝架構、新穎的器件材料以及將互連間距縮小到 12nm 的間距。如果芯片良率足夠高，EUVL 半導體芯片成本主要受到生產率（吞吐量）的限制。成品率主要由導致邊緣放置錯誤的隨機工藝變化決定。金屬氧化物抗蝕劑平臺在緊密間距表現出令人印象深刻的分辨率和缺陷性能，而 DSA 從根本上改善了光阻劑的系統和隨機變化。

最后，行業(yè)參與者強調，當前的每一個過程變化都需要經過實驗性的探索，而 NIST 的計量能力和專業(yè)知識在這些活動中發(fā)揮著關鍵作用。具體來說，對過程變化的實驗探測的四個主要子部分：

(1) 需要評估數千億個特征之間的過程變化，因此需要實驗室規(guī)模的高通量方法，可能像高諧波產生 (HHG) 設備，這將在第 2 節(jié)中討論（2.5.1）。

(2) 抗蝕劑中隨機缺陷的化學形成是一種可以在同步加速器源中進行的不可或缺的工具，這將在第 2 節(jié)中進行討論（2.5.2）。

(3) 要在每個長度尺度上探測工藝變化，并且越來越多地在 3-D 中探測。請注意，這可以使用原子探針斷層掃描（APT）技術來完成，這將在第 2 節(jié)中討論（2.5.3）。

(4) 在這些小長度尺度上，表面和界面占主導地位，因此不存在尖銳界面之類的東西。

當被問及前景和工業(yè)界對研究界的信息是什么時，NIST 提供了一個需求清單。對于光刻膠：(a) 具有更高量子數的新型光刻膠 (b) 光刻膠/底層特征和缺陷形成的起源 (c)MOx 光刻膠中隨機缺陷的化學形態(tài) (d) 光刻膠浮渣緩解策略有機抗蝕劑 (e) 有機抗蝕劑的干式顯影技術。隨著 EUVL 制造業(yè)從低 NA 向高 NA 及更高 NA 過渡，這個需求特別重要，見圖 10。

圖 10. 該圖顯示了隨著 EUVL 制造中的數值孔徑 (NA) 從低 NA 過渡到高 NA 甚至更高，如何需要新的光致抗蝕劑。來源：英特爾

對于校正，行業(yè)需求是：(a) 對粗糙度和缺陷進行與節(jié)距無關的校正，以保留目標布局，如圖所示圖 11，(b) 新 DSA 分子與高氣材料，具有高選擇性干蝕刻和選擇性滲透，(c)3-ton-A-B-C 嵌段共聚物，(d) 功能嵌段共聚物和刷子 (光圖案化、可交聯等)。

圖 11. 圖中顯示了 DSA 如何不保留目標布局，因此需要對粗糙度和缺陷進行與節(jié)距無關的校正。來源：英特爾

2.4.2.EUV 收集鏡：錫離子、蒸汽和粒子表征

由于大多數材料強烈吸收 13.5nm 輻射，因此使用 EUV 光進行圖案化帶來了許多新的挑戰(zhàn)。由于強烈的材料相互作用，這需要使用鏡子而不是透鏡在真空中產生和引導光。初始的等離子集光鏡是凹面和橢圓體，等離子體在第一個焦點處產生。在第二個或中間焦點處，等離子光被引導至曝光工具（圖 12）。整個收集區(qū)域的波長匹配和紅外光譜過濾是多層收集鏡的關鍵特性。

圖 12. 近垂直入射多層反射鏡收集的 EUV 概念示意圖。來源：:Versolanto

此外，產生足夠數量的 EUV 輻射是極其困難的，因此必須努力確保鏡子具有盡可能最高的反射率和空間均勻性。此外，多層鏡的反射率必須在光刻工具的操作期間保持較高。光刻過程包括將圖案暴露在光刻膠上，光刻膠存儲圖案以進行進一步處理（見 2.4.1)。EUV 輻射引起光致膠的化學變化，從而產生揮發(fā)性化合物，這些化合物可能會通過真空系統遷移并吸附到表面上。雖然光刻膠可以影響鏡面表面，但這并不是收集鏡面的主要問題。行業(yè)成員指出，影響收集鏡的兩種主要碎片類型是：(1) 直接來自等離子體的碎片，熱量和動量轉移到周圍的緩沖液 H2 氣體中；（2）在與任何表面碰撞之前，進入收集器的錫通量，由 (I) 停止離子的擴散，(Ii) 錫蒸氣和 (Iii) 錫微粒組成。

目前用于保護收集鏡免受碎片傷害的方法是通過氫氣流。約 100Pa 的氫氣緩沖氣體引起離子減速。氫氣從收集器流出，這降低了原子錫在收集器上的沉積速率。氫自由基與錫的反應形成了錫烷 (SnH4)，可以根據方程式中所示的反應被抽走。

在帶有真空泵的容器中發(fā)生的抽氣作用可以去除熱氣體和錫蒸汽，這也有助于保護收集鏡。此外，內部硬件收集微粒。業(yè)界已對鏡子的清潔進行了研究，以解決污染問題。業(yè)界為提高收集器反射鏡的使用壽命所做的努力已取得進展，特別是 2021 年的使用壽命超過 6 個月。

即使在保護 EUV 收集器鏡像方面有了實質性的改進，行業(yè)成員也表達了兩個需求。首先，了解「光子和等離子體物質如何與 EUV 光源中的背景氣體、光學和等離子體表面相互作用」。限制的知識差距包括次級等離子體及其相互作用、傳輸和光譜、等離子體輻射壁物理化學和等離子體診斷。第二，了解「錫會發(fā)生什么以及如何對其進行管理」。這里的知識差距包括錫污染、錫的氫自由基清洗、錫烷形成過程加上相關的熱和質量傳遞和化學、小顆粒檢測。

2.5 EUV 作為一個分析工具

在工作組會議上，NIST 的研究人員討論了關于使用 EUV 作為分析工具來協助半導體制造業(yè)的三個主題。利用 EUV 光作為分析技術的三種方法分別是：(1) 高次諧波產生 (2) 同步加速器 (3) 原子探針層析成像。高諧波產生具有緊湊的占地面積，允許部署在研發(fā)和制造設施中，并連續(xù)訪問深納米級微電子器件的尺寸、材料和動態(tài)特性，這通常在同步加速器光源下進行。同步加速器光源允許研究 EUVL 的許多方面，并具有研究收集鏡退化的附加功能。原子探針層析成像是唯一能夠提供元素周期表上任何元素的亞納米同位素分辨原子級尺度元素圖的 3D 化學映射技術，可用于研究 EUV 光刻膠。

業(yè)界就這些工具在協助 EUVL 制造方面的潛在用途提供了寶貴的反饋。NIST 法律委員會必須積極行動，為滿足潛在合作者的 NDA 請求制定解決方案，同時滿足聯邦工作人員所生的獨特法律和行政要求，明確禁止自己或組織遵守任何外部合同。

2.5.1. 高諧波 (HHG)

隨著 EUVL 將光刻特性進一步推進到深納米尺度的體系中，微電子行業(yè)正在呼吁采用新的測量和計量技術。在 NIST，有一個正在進行的項目，利用 EUV 的短波長來探測在深納米級尺度上的微電子器件的尺寸、材料和動態(tài)特性。NIST 的高諧波發(fā)生 (HHG) 光源是寬帶（跨越 20-100eV 光子能量）、超快（20 飛秒脈沖）和相干（類激光）光源。寬帶光譜使人們能夠接觸到許多相關材料中的原子核心躍遷，用于微電子顯示元件和特定層的測量，如圖 13 所示。這樣的測量通常在同步加速器光源上進行。然而，HHG 源的緊湊占地面積允許在研發(fā)和制造設施中部署并連續(xù)訪問。圖 14 顯示了 NIST 物理材料實驗室 (PML) 當前系統運行的照片，該照片適合典型的實驗室空間。

圖 13.NIST 高次諧波源的光子能量輸出譜及其在相關材料中幾個原子核心能級躍遷的位置。

圖 14. 位于 NIST 的 HHG 源及其所附儀器的照片

短脈沖寬度使動態(tài)測量自旋和熱輸運。最最近的一項成功是開發(fā)了與 EUV 脈沖同步的頻率梳發(fā)生器，其抖動優(yōu)于兩皮秒。圖 15 演示了這個與 40GHz 信號的同步。這比在同步加速器上所能實現的大約要好一個數量級，并且允許我們在微電子設備的工作頻率下進行測量。這使得能夠實時測量功能器件內部和外部的熱流和自旋傳輸。

圖 15. 采樣示波器上的 40GHz 信號。觸發(fā)脈沖（紅色）來自高次諧波系統中使用的脈沖，直接顯示了高次諧波和 40GHz 信號的同步。

最后，光的相干性使得無透鏡成像技術成為可能，如相干衍射成像、疊層照相術和全息術，可在 EUV 波長下提供空間分辨率。此功能將使 NIST 能夠直接對功能設備進行成像，雖然這項工作沒有在 NIST 完成，但圖 16 顯示了將疊層照相術與反射測量法相結合以橫向空間分辨率測量硅中的摻雜劑分布的結果。這種方法可以對微電子學中的界面和摻雜劑分布進行非破壞性評估。

圖 16. 使用組合反射測量和疊層描記技術對摻雜劑分布進行 3D 納米級表征的示例。來源：Tanksalvala 等人

在工作組會議上，業(yè)界提到分析晶圓中的半導體元件來識別缺陷是如何有用的。具體來說，Golani 等人展示了如何使用模擬將光結構相互作用模擬與光學模擬分開系統仿真，在后處理中執(zhí)行后者，使得許多光學配置能夠在相對較短的時間內進行測試。Golani 等人的模擬使用 Ansys 商業(yè)求解器完成，并顯示了使用一個強大的數字孿生。

2.5.2. 同步加速器：NIST SURF III

除了 NIST 用于分析半導體元件的實驗室規(guī)模 EUV 光之外，Steve Grantham 博士在工作組會議上還介紹了 NIST 同步加速器紫外線輻射設施 (SURF III) 的大量資源。

當帶電粒子以彎曲的路徑移動時，就會發(fā)出同步輻射。由于大多數加速器使用磁場來彎曲粒子的軌跡，同步輻射也被稱為磁軔致輻射。發(fā)射的光譜是從微波（驅動射頻場的諧波）到 x 射線光譜區(qū)域的寬帶，輻射是垂直準直和偏振的。如果已知電子能量 E，彎曲半徑ρ，電子電流 IB，相對于軌道平面的角度Ψ0, 到切點 d 的距離、垂直角度Δψ和水平角度Δθ，則可以計算出同步輻射輸出。SURF 的輸出功率如圖所示。

圖 17.SURF 在 416MeV、380MeV、331MeV、284MeV、234MeV、183MeV、134MeV 和 78MeV 處射的同步輻射光譜與 3000K 黑體和氘燈的比較。

反過來，NIST 的紫外線輻射小組將 SURF III 作為輻射測量和研究的穩(wěn)定光源。SURF 覆蓋了從遠紅外到軟 X 射線的波長范圍。表 1 顯示了 NIST SURF III 的當前功能和未來計劃的概要。同步加速器光源不適用于大批量制造 (HVM) 環(huán)境中的 EUV 光源。盡管如此，同步加速器設施可能是有利的，因為它可以靈活地測試許多參數，以協助 EUVL 行業(yè)實現 HVM 目標，如本報告前面部分所述（2.2 和 2.4.2)。需要注意的是，某些波長的系統的定義和術語重疊且可能不一致，因此應參考 ISO21348 標準作為一般指導方針。

在工作組會議上，給出了在存在污染物和/或清潔物的情況下，用 EUV 輻射照明時鏡面污染的研究實例。自 2000 年以來，NIST 一直是研究 EUVL 光學污染的領先中心，并已經研究了衛(wèi)星中常用的濾波器的降解情況。最近，NIST 傳感器科學部門對半導體制造應用進行了類似的研究。NIST 目前在兩條束線（束線 1 和束線 8）上有三個設施，專門用于光學污染的各個方面。研究污染的能力直接涉及到本報告前面延長收集器反射鏡壽命的重要性的討論相關（見 2.4.2)。應該支持將需要繼續(xù)和發(fā)展目前的設施，以支持半導體行業(yè)的下一代 EUVL 制造。

2.5.3 原子探針斷層掃描（APT）

原子探針斷層掃描（APT）是唯一一種能夠在元素周期表上提供任何元素的亞納米同位素分辨原子尺度元素映射的 3D 化學映射技術。圖 18 給出了 APT 操作的示意圖，關于 APT 的進一步背景信息，讀者可以參考最近關于該主題的綜述。

圖 18. 位于科羅拉多州博爾德市 NIST 的原子探針斷層掃描 (APT)（上）APT 操作示意圖（下）照片。來源：NIST

商用 APT 儀器采用近紫外（NUV：3.5eV）或深紫外（DUV：4.8eV）激光輻射，低于許多材料的功函數和大多數元素的電離能。因此，這些儀器可能通過對所研究樣品的大量加熱來工作。事實上，對于有機材料的分析，來自 NUV 儀器的數據往往是復雜的，顯示出有問題的碎片模式，在現場蒸發(fā)過程中的聚合證據，并不能直接解釋成原子尺度的結果。相比之下，EUV（20-90eV）輻射具有足夠的能量，足以電離樣品表面的原子和分子，從而有可能產生更小的、可直接解釋的物質碎片模式。NIST 方法是將 EUVAPT 應用于薄膜光刻膠的研究，以尋找可能有助于光刻不以尋找可能導致光刻不規(guī)則性（包括 LER）隨機性質的納米級成分波動。因此，EUVAPT 是在研究與光刻膠加工和組成化學相關的隨機事件方面的一個關鍵的計量學進展（見 2.4.1). 值得注意的是，這種方法以及前面第 2 節(jié)（2.3）中討論，將 EUVAPT 與傳統的 NUV 和 DUVAPT 儀器之間的結果進行比較。

調查結果和建議

工作組會議的技術結論包含在每個子項目的末尾第 2 節(jié)中的部分。實驗提取的關鍵屬性將促進建模和仿真技術，推動半導體的高產量，吞吐量和規(guī)模。NIST 擁有獨特的 EUVL 實驗計量技能集和理論仿真程序。因此，工作組會議的行業(yè)與會者鼓勵資助 NIST 提議的創(chuàng)建儀器或使用現有儀器向美國行業(yè)提供超準確數據的工作。NIST 的科學家不應該只是工業(yè)設計工程師，而應該通過合作，應該將他們的領域知識與對 EUVL 的見解相結合，以實現互惠互利的結果反過來，知識轉讓必須與資助的使命相一致。工業(yè)有辦法支持國內利益，但 NIST 的科學和管理領導者必須了解如何相應地調整任何新創(chuàng)建的競爭優(yōu)勢。應考慮已建立的受控傳播方法，如 CRADA、SRD 和 SRM。

從項目角度來看，工作組會議強調了 EUVL 的國際競爭格局如何導致需要保密協議 (NDAs) 才能與 NIST 研究人員進行深入的技術對話。因此，所有工作組會議與會者建議簡化 NIST 研究人員和行業(yè)之間的 NDA 流程，從項目啟動開始，周轉時間不到 2 個月。應教育 NIST 的工作人員和管理人員了解 NDA 流程，以正確執(zhí)行步驟。

最后，從這次工作組會議中可以看出，面對面互動的價值就產生了富有成效的對話和可采取行動的下一步步驟。未來利益攸關方的互動可以從工作組會議到研討會過渡到轉變到研討會到財團。隨著程序性的增加，成本（10,000 美元-100,000 美元以上）和工作量（40-200 小時以上）也會增加。因此，將未來的活動安排在經常參加的專業(yè)會議上，例如 SPIE 或美國光學協會 (OSA) 的會議，可以幫助減輕成本和精力。