美國(guó)官方報(bào)告：深度解析EUV光刻的現(xiàn)狀、需求和發(fā)展

2022 年，半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模約為 0.6 萬(wàn)億美元，商業(yè)分析師預(yù)計(jì)到 2030 年將翻一番 1.0 萬(wàn)億美元至 1.3 萬(wàn)億美元。半導(dǎo)體制造業(yè)的大幅增長(zhǎng)可以在光刻工藝中體現(xiàn)出。光刻是一種圖案化過(guò)程，將平面設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到晶圓基板的表面，創(chuàng)造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如晶體管和線互連。這是通過(guò)通過(guò)復(fù)雜的多步過(guò)程選擇性地將光敏聚合物或光刻膠暴露于特定波長(zhǎng)的光下來(lái)完成的。最近，光刻技術(shù)的進(jìn)步在生產(chǎn)最先進(jìn)的半導(dǎo)體方面創(chuàng)造了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，使人工智能（AI）、5G 電信和超級(jí)計(jì)算等最先進(jìn)的技術(shù)成為可能。因此，先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)會(huì)影響國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)繁榮。

如今最先進(jìn)的半導(dǎo)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(dǎo)體中構(gòu)建更小的單位特征。據(jù)報(bào)道，EUVL 系統(tǒng)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(chǎng)份額。到目前為止，ASML 已經(jīng)出貨了三種不同的 EUVL 系統(tǒng)型號(hào)，即 TwinscanNXE：3400B/C 和 NXE：3600D，NXE 系統(tǒng)的總出貨量從 2019 年第一季度的 31 臺(tái)增加到 2022 年最后一個(gè)季度的 181 臺(tái)。

本報(bào)告的組織方式如下。引言的其余部分包括 EUVL 的技術(shù)背景、EUVL 國(guó)際和國(guó)內(nèi)狀況的背景以及 NIST 和 CHIPS 研發(fā)計(jì)量計(jì)劃的概述。其中，第 2 節(jié)包含工作組會(huì)議中討論的 EUVL 技術(shù)狀況和需求。第 3 節(jié)概述了工作組會(huì)議的調(diào)查結(jié)果和關(guān)于前進(jìn)道路的建議，以此作為報(bào)告的結(jié)尾。

1.1EUV 光刻技術(shù)技術(shù)背景

EUVL 是制造下一代半導(dǎo)體芯片的關(guān)鍵一步。EUV 光是由高純度錫產(chǎn)生的高溫等離子體產(chǎn)生的。固體錫在一個(gè)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(chǎn)生超過(guò) 300 萬(wàn) 27μm 的液滴。一個(gè)脈沖 25kW 平均功率的二氧化碳激光器用兩個(gè)連續(xù)的脈沖照射一個(gè)錫液滴，以分別形成和電離液滴。最初，會(huì)產(chǎn)生數(shù)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(guò)間接閃爍-相機(jī)測(cè)量推斷 13.5nm 光的輸出功率和光束質(zhì)量。一種多層聚光鏡系統(tǒng)將光引導(dǎo)到感光區(qū)。聚光鏡系統(tǒng)通過(guò)持續(xù)流動(dòng)的氫氣體保護(hù)自己免受錫碎片的影響。每次曝光后，自動(dòng)晶片級(jí)將晶片的分辨率定位為≤0.25nm，每秒進(jìn)行 20,000 次循環(huán)檢查調(diào)整過(guò)程?？偟膩?lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)程需要許多不同的工程系統(tǒng)之間的精確協(xié)調(diào)。圖 1 是 ASMLEUVL 組件的照片。

圖 1.ASMLEUVL 組件。來(lái)源：ASML

1.2EUV 光刻技術(shù)的當(dāng)前和未來(lái)狀態(tài)

先進(jìn)半導(dǎo)體制造的增長(zhǎng)來(lái)自于美國(guó)、歐洲和亞洲國(guó)家的新的 EUV 制造設(shè)施。如前所述，目前唯一生產(chǎn) 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(guó)臺(tái)灣半導(dǎo)體制造公司（TSMC）和韓國(guó)三星等公司銷(xiāo)售 EUV 掃描儀組件。這些公司在他們的半導(dǎo)體制造設(shè)施中使用 EUV 掃描儀。EUVL 系統(tǒng)不僅僅是在荷蘭創(chuàng)建的，而是由全球開(kāi)發(fā)的許多模塊組成，然后運(yùn)到荷蘭的 ASML 總部進(jìn)行最終組裝和測(cè)試，然后交付給客戶(hù)。

從美國(guó)的角度來(lái)看，ASML 的 EUV 源的研究、開(kāi)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(jì)量、光束傳輸系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)激光器及其輔助設(shè)備。駐扎在圣地亞哥的源工作是 ASML 在 2012 年收購(gòu) Cymer，以推進(jìn) EUV 源技術(shù)的發(fā)展。此外，鑒于 EUVL 在半導(dǎo)體制造方面的優(yōu)勢(shì)，出口管制最近已經(jīng)保護(hù)了這項(xiàng)技術(shù)。具體來(lái)說(shuō)，在 2022 年 10 月，美國(guó)工業(yè)和安全局（BIS）發(fā)布了一項(xiàng)規(guī)則，87FR62186，其中包括極紫外光刻（b.2）在內(nèi)的技術(shù)進(jìn)行出口管制。

圖 2.ASML 的 EUV 光刻源組件的圖形。來(lái)源：ASML

ASML 指出，EUV 光刻技術(shù)的未來(lái)發(fā)展包括將數(shù)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(shù)，并導(dǎo)致解決更精細(xì)的幾何尺寸。這與公開(kāi)發(fā)布的 2022 年 IEEE 國(guó)際設(shè)備和系統(tǒng)路線圖（IRDS）路線圖相一致，需要到 2037 年繼續(xù)將晶體管擴(kuò)展到 0.5nm。新的 NA 平臺(tái)的目標(biāo)是提高晶圓和粒子狀態(tài)的速度，使實(shí)現(xiàn)幾何芯片縮放。高 na 系統(tǒng)預(yù)計(jì)將于 2023 年發(fā)貨給客戶(hù)，預(yù)計(jì)到 2025 年將全面投產(chǎn)。在 2023 年初，ASML 宣布他們已經(jīng)建立了兩個(gè)新的 EUV 功率記錄，每小時(shí)運(yùn)行 600WEUV 排放，符合高 naEXE：5200 劑量穩(wěn)定規(guī)格和 700W 開(kāi)環(huán)運(yùn)行。在實(shí)現(xiàn) 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(jì)量項(xiàng)目概述

芯片研發(fā)計(jì)量項(xiàng)目和 NIST 博爾德實(shí)驗(yàn)室的 MarlaDowell 博士，在工作組會(huì)議上發(fā)表了一個(gè)受歡迎的主題演講。主題演講首先提醒與會(huì)者 NIST 的使命：促進(jìn)美國(guó)通過(guò)推進(jìn)測(cè)量科學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)，提高經(jīng)濟(jì)安全，提高我們的生活質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新和工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

它強(qiáng)調(diào)了 NIST 的核心能力，(1) 測(cè)量科學(xué)，(2) 嚴(yán)格的可追溯性，以及 (3) 標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)和使用。Dowell 在 NIST 提供了關(guān)于芯片研發(fā)計(jì)量項(xiàng)目細(xì)節(jié)、組織關(guān)系和國(guó)家研究機(jī)構(gòu)的背景。Dowell 強(qiáng)調(diào)需要工業(yè)和 NIST 聯(lián)合研究，以協(xié)同解決芯片面臨的微電子挑戰(zhàn)。他強(qiáng)調(diào) NIST 是一個(gè)非監(jiān)管性的實(shí)驗(yàn)室。因此，NIST 一直是一個(gè)值得信賴(lài)的專(zhuān)有信息合作伙伴；是中立的、客觀的；并通過(guò)傳播支持美國(guó)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的高質(zhì)量測(cè)量、數(shù)據(jù)和研究來(lái)促進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。具體來(lái)說(shuō)，在博爾德，NIST 有約 900 名員工和超過(guò) 500,000 平方英尺的實(shí)驗(yàn)室空間，包括六個(gè)領(lǐng)域，包括 (1) 先進(jìn)通信技術(shù)，(2) 量子科學(xué)與工程，(3) 時(shí)間和頻率計(jì)量 (4) 先進(jìn)材料表征 (5) 精確成像 (6) 激光和光電子。Dowell 隨后強(qiáng)調(diào)，NIST 在微電子領(lǐng)域有著悠久的目標(biāo)投資組合，涉及許多領(lǐng)域。

Dowell 后來(lái)談到了《美國(guó)芯片法案》。概述了美國(guó)基金芯片的戰(zhàn)略，包括它將如何支持三個(gè)不同的舉措：(1) 對(duì)前沿制造業(yè)的大規(guī)模投資。(2) 成熟芯片和先進(jìn)芯片、新技術(shù)和專(zhuān)業(yè)技術(shù)以及半導(dǎo)體行業(yè)供應(yīng)商的新制造能力。(3) 加強(qiáng)美國(guó)研發(fā)方面的領(lǐng)導(dǎo)能力。區(qū)分了 390 億美元的制造業(yè)激勵(lì)和 110 億美元的研發(fā)激勵(lì)，重點(diǎn)是研發(fā)基金和 NIST 測(cè)量科學(xué)部分撥款。Dowell 討論了如何通過(guò)七個(gè)確定的戰(zhàn)略機(jī)會(huì)，半導(dǎo)體制造業(yè)、學(xué)術(shù)界和政府的廣泛反饋，包括 EUVL 工作組會(huì)議。

通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（CTL）提供了一個(gè)材料計(jì)量的例子，在成為芯片研發(fā)計(jì)量項(xiàng)目主任之前，她曾擔(dān)任那里的部門(mén)主管，特別是 5G 材料的標(biāo)準(zhǔn)參考材料（SRMs）。她合著的 NISTSP1278 文件作為計(jì)量能力提高微電子組件和產(chǎn)品的安全性和來(lái)源的一個(gè)例子。

結(jié)束主題演講時(shí) Dowell 介紹了 NIST 出版物，該出版物提供了與芯片相關(guān)的計(jì)量機(jī)會(huì)。此外，2023 年 4 月 25 日上午，她的部門(mén)發(fā)布的一份文件概述了國(guó)家半導(dǎo)體技術(shù)中心的愿景和戰(zhàn)略，描述了未來(lái)行業(yè)和 NIST 之間的互動(dòng)如何發(fā)生。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院材料計(jì)量實(shí)驗(yàn)室（MML）代理主任 StephanieHooker 博士在工作組會(huì)議上發(fā)表主旨演講，歡迎與會(huì)者在下午會(huì)議前發(fā)言。Hooker 重申了 NIST 的任務(wù)，并強(qiáng)調(diào) NIST 最大的優(yōu)勢(shì)是它在世界一流的工程師和科學(xué)家中的聲譽(yù)。除了共享 NIST 的規(guī)模和能力外，重點(diǎn)還放在了 NIST 提供的測(cè)量服務(wù)上。測(cè)量服務(wù)包括超過(guò) 1100 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考材料（SRMs），大約 100 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)（SRD）產(chǎn)品，5 個(gè)質(zhì)量保證程序，以及大量的數(shù)據(jù)工具和注冊(cè)表。重點(diǎn)還強(qiáng)調(diào)了文件標(biāo)準(zhǔn)，以及 400 多名 NIST 技術(shù)人員如何參與 100 多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，并在許多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)中擔(dān)任領(lǐng)導(dǎo)職位。從而提高了美國(guó)在全球范圍內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)力。她的演講強(qiáng)調(diào)了 NIST 所參與并正在擴(kuò)展的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，包括人工智能（AI）、量子科學(xué)、先進(jìn)通信、先進(jìn)制造和生物經(jīng)濟(jì)。Hooker 在總結(jié)時(shí)介紹了一些已建立的參與領(lǐng)域和與 NIST 合作的方法，包括像本報(bào)告所關(guān)注的工作組會(huì)議、財(cái)團(tuán)、CRADAs 和 MTAs。

這兩個(gè)主題演講顯示了工作組成員和 NIST 領(lǐng)導(dǎo)層之間的凝聚力和參與。

EUVL 的技術(shù)方面

已經(jīng)詳細(xì)介紹了在工作組會(huì)議上提出和討論的 EUVL 的技術(shù)方面。以下是三個(gè)專(zhuān)門(mén)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(dāng)前狀態(tài)和需求（2.4）。這兩個(gè)組件都與 EUV 光相互作用。最后，介紹了 EUV 光如何作為一種計(jì)量工具來(lái)分析半導(dǎo)體制造過(guò)程中的組件（2.5）。EUV 光作為一種工具的計(jì)量方面與 Sec 中討論的輻射測(cè)量有直接的關(guān)系。這里討論的技術(shù)細(xì)節(jié)已經(jīng)公開(kāi)發(fā)布。然而，將工業(yè)和 NIST 研究的技術(shù)專(zhuān)長(zhǎng)和地位結(jié)合到一份報(bào)告中對(duì)理解技術(shù)景觀是有用的。已納入審查參考資料，以補(bǔ)充本報(bào)告中提供的技術(shù)細(xì)節(jié)。

2.1 液滴發(fā)生器：極端下的熱物理性質(zhì)和建模

液滴發(fā)生器是 EUVL 掃描儀組件中的一個(gè)重要組成部分 (圖 3)。液滴發(fā)生器控制進(jìn)入 EUV 源腔的材料的大小、速度和重復(fù)速率，由二氧化碳激光器電離，產(chǎn)生 13.5nm 的 EUV 光。因此，由于故障影響所有下游部件停止運(yùn)行，EUV 光必須產(chǎn)生可靠的液滴。液滴的典型直徑為 27μm，行程為 80m/s，重復(fù)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(dǎo)致其被稱(chēng)為整個(gè) EUV 掃描儀組件的「心跳」。

錫是 EUVL 應(yīng)用中液滴發(fā)生器的工作液流體，當(dāng)電離成等離子體時(shí)產(chǎn)生 13.5 納米波長(zhǎng)的光。近幾十年來(lái)，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(yīng)用中激光生產(chǎn)等離子體的優(yōu)越材料。在半導(dǎo)體制造中，除了錫之外，沒(méi)有其他材料的公共路線圖，所以在基礎(chǔ)科學(xué)水平上理解這種材料的投資將在短期和長(zhǎng)期的未來(lái)產(chǎn)生影響。該行業(yè)對(duì)單一材料錫的定位，使其成為用于產(chǎn)生 EUV 光的復(fù)雜激光-物質(zhì)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(diǎn)（~232°C）以上。然后通過(guò)高純度氣體，通常是氮?dú)庀蛉萜鲀?nèi)液體的一側(cè)施加壓力，使熔融錫通過(guò)過(guò)濾器流到另一側(cè)的噴嘴。錫滴的噴射通常由壓電（PZT）晶體調(diào)節(jié)，從而產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。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(lái)源：ASML

液滴發(fā)生器在 2021 年取得了新的進(jìn)展，具有在線補(bǔ)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(tǒng)停機(jī)時(shí)間。使用這種新的液滴發(fā)器設(shè)計(jì)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超過(guò) 3000 個(gè)小時(shí)的連續(xù)運(yùn)行。

圖 4. 帶內(nèi)聯(lián)補(bǔ)充的錫液滴發(fā)生器原理圖。來(lái)源：Purvis 等人。

提高生產(chǎn)率有更高的 EUV 功率需要增加驅(qū)動(dòng)激光功率，每秒鐘就會(huì)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(jī)的壓力需要增加，這反過(guò)來(lái)又會(huì)產(chǎn)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(shí)現(xiàn)更高的 EUV 功率。來(lái)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的缺乏阻礙了創(chuàng)建液滴發(fā)生器的數(shù)值模擬的進(jìn)步?？茖W(xué)家和工程師描述的實(shí)踐包括從已發(fā)表的文獻(xiàn)中尋找最近的材料特性，并推斷粗略的估計(jì)。然后，他們依靠對(duì)整個(gè)系統(tǒng)在操作條件下的經(jīng)驗(yàn)觀察，來(lái)調(diào)整材料性能和操作參數(shù)之間的關(guān)系。一個(gè)行業(yè)演講者給出了一個(gè)例子，說(shuō)明打印頭設(shè)計(jì)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(jì)量資源，重點(diǎn)介紹了 NIST 合金數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)包含金屬（包括錫）實(shí)驗(yàn)熱物理特性的精選數(shù)據(jù)庫(kù)。目前，由于材料基因組倡議（MGI）的資助和熱力學(xué)研究中心（TRC）的監(jiān)督，整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)都是免費(fèi)的和對(duì)公眾開(kāi)放的。為了繼續(xù)開(kāi)發(fā)，可以將數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)換到 SRD，以便根據(jù) 2017 年通過(guò)的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)法更新法計(jì)算入維護(hù)成本。為美國(guó)工業(yè)提供公正和專(zhuān)業(yè)驗(yàn)證的材料性能數(shù)據(jù)的能力，可以在操作液滴發(fā)生器方面提供高效的設(shè)計(jì)見(jiàn)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(shì)在國(guó)際上得到了關(guān)注。

NIST 計(jì)量能力有效性的一個(gè)限制因素是實(shí)驗(yàn)中的差距適用于 EUVL 的液滴發(fā)生器的高壓下熔融錫的數(shù)據(jù)。材料液滴發(fā)生器中工作流體的特性決定了一種稱(chēng)為瑞利破裂的現(xiàn)象，該現(xiàn)象導(dǎo)致液滴形成并發(fā)生合并。這一現(xiàn)象在過(guò)去的 40 年里得到了廣泛的研究。瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院蘇黎世大學(xué)等人在 2011 年進(jìn)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(guān)系。2023 年發(fā)表的一篇文章顯示了研究領(lǐng)域的積極追求。

由于缺少熔融錫的參考數(shù)據(jù)，可以測(cè)量參考質(zhì)量數(shù)據(jù)以填充 NIST 合金數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)據(jù)庫(kù)的新儀器將很有價(jià)值。聲速（SoS）是一種特別有用的材料特性，因?yàn)樗梢耘c一個(gè)單一（T，p）點(diǎn)的密度和等壓熱容數(shù)據(jù)相結(jié)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(jīng)證明了制冷劑材料的 SoS 測(cè)量值。精確的 SoS 測(cè)量對(duì)于實(shí)現(xiàn)通過(guò)使用狀態(tài)方程（EoS）來(lái)建模材料的熱力學(xué)特性的最終目標(biāo)至關(guān)重要。在模擬的精度上使用不同的 EoS 已經(jīng)被證明對(duì)甚至是最簡(jiǎn)單的幾何圖形的精度有顯著的影響。

NIST 目前正在開(kāi)發(fā)一種儀器，用于測(cè)量在較高的壓力和溫度下的 SoS。SoS 儀器是 ElizabethRasmussen 博士的國(guó)家研究委員會(huì) (NRC) 金屬增材制造博士后獎(jiǎng)學(xué)金的一部分。2022 年 10 月，提交了一項(xiàng)關(guān)于該儀器設(shè)計(jì)和操作的美國(guó)專(zhuān)利。新的金屬 SoS 儀器是 NIST 現(xiàn)有儀器的擴(kuò)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(kāi)發(fā)中，需要額外的專(zhuān)門(mén)資源來(lái)進(jìn)行錫的測(cè)量。

另外還需要提供輸運(yùn)性能數(shù)據(jù)（表面張力、粘度等）。在極端條件下熔融的錫。要滿(mǎn)足這一需要，就需要一種新的定制計(jì)量?jī)x器和相關(guān)資源。SoS 和運(yùn)輸性能儀器都將具有世界級(jí)的計(jì)量能力，因此需要專(zhuān)門(mén)的技能來(lái)執(zhí)行設(shè)計(jì)、制造和操作。

一旦收集到數(shù)據(jù)，將其在 EoS 中關(guān)聯(lián)起來(lái)是很有用的。這種傳播的一個(gè)例子是傳輸相關(guān)性或熱力學(xué) EoS。目前對(duì)錫的轉(zhuǎn)運(yùn)性質(zhì)有參考的相關(guān)性，但沒(méi)有參考的 EoS。錫傳輸特性的相關(guān)性與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差 5-10%，且僅在大氣壓下有效。這為先進(jìn)的計(jì)量學(xué)帶來(lái)了一個(gè)機(jī)會(huì)。NIST 擅長(zhǎng)通過(guò)制冷劑（參考流體性能）項(xiàng)目為制冷劑和天然氣材料創(chuàng)建參考相關(guān)性、EoS 和 SRD，這可以追溯到 20 世紀(jì) 90 年代。因此，可以對(duì)金屬進(jìn)行類(lèi)似的測(cè)量，特別是對(duì)錫，以及開(kāi)發(fā)成 SRD 的 EoS，以增強(qiáng)高保真模擬和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的 EUVL 開(kāi)發(fā)。這種開(kāi)發(fā)可能包括增加 EUV 發(fā)射和數(shù)字孿生創(chuàng)建，參考材料屬性、參考相關(guān)性和 EoS 將實(shí)現(xiàn)這些。SRD 或模型向美國(guó)工業(yè)的傳播可以通過(guò) NIST 既定的 SRD 計(jì)劃以受控的方式進(jìn)行，圖 6。

目前，沒(méi)有一個(gè)商業(yè)軟件系統(tǒng)能夠提供關(guān)于大氣壓以上液相金屬的準(zhǔn)確或預(yù)測(cè)性的模擬指導(dǎo)。這項(xiàng)計(jì)量工作受到了工作組的行業(yè)成員從數(shù)據(jù)用戶(hù)和模擬中數(shù)據(jù)管道的角度的熱切鼓勵(lì)。

圖 6. 液體錫材料的性質(zhì)如何幫助液滴發(fā)生器的流程，針對(duì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的 EUV 光刻技術(shù)的操作。

除了缺乏在極端溫度和壓力下的熱力學(xué)和輸運(yùn)特性外，部件的結(jié)構(gòu)和壓電數(shù)據(jù)也很有限。這限制了預(yù)測(cè)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(shè)計(jì)。關(guān)于如何新、高溫（>300°C) 壓電材料被認(rèn)為是當(dāng)前設(shè)置的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。一位成員提到并分享了 Tittmann 最近發(fā)表的一篇文章。此類(lèi)材料確實(shí)存在，但不易獲得且價(jià)格昂貴。因此，必須做出權(quán)衡。

金屬液滴發(fā)生器存在于純錫之外，幾十年來(lái)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(shí)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(rèn)識(shí)到這一領(lǐng)域的發(fā)展也可能影響其他關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域是有益的。

總之，強(qiáng)調(diào)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(jī)被明確，以及設(shè)計(jì)的進(jìn)步，使改進(jìn) EUV 芯片生產(chǎn)。在測(cè)量高壓下熔融錫的基本熱力學(xué)和輸運(yùn)特性方面的計(jì)量進(jìn)步，可以建立材料特性的參考相關(guān)性，并以 SRD 的形式傳播。將 SRD 集成到仿真軟件中，可以實(shí)現(xiàn)液滴發(fā)生器的數(shù)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(dāng)前設(shè)備的操作和對(duì)未來(lái)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，使高 NAEUV 掃描儀系統(tǒng)成為可能。

2.2 用于 EUV 生成的輻射測(cè)量

工業(yè) EUVL 工具主要涉及兩種類(lèi)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(chǎn)生的 13.5nm 光。前者由一種專(zhuān)門(mén)制造的二氧化碳激光器（λ=10.6μm）提供，以 50kHz 的重復(fù)頻率發(fā)射約 30kW（平均功率）。錫電離過(guò)程包括兩個(gè)快速連續(xù)的紅外激光脈沖：一個(gè)預(yù)脈沖使液滴從球體變平成一個(gè)圓盤(pán)，另一個(gè)高能量主脈沖，用于電離。紅外激光器的輸出對(duì)于發(fā)展未來(lái)的光刻工具至關(guān)重要，因?yàn)椤窫UV 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(shí)驗(yàn)室演示為 600W。雙脈沖系統(tǒng)如圖 7 所示。

圖 7. 圖顯示了在半導(dǎo)體制造過(guò)程中產(chǎn)生 EUV 光的雙脈沖系統(tǒng)的（上）空間視圖和（下）時(shí)間視圖。來(lái)源：ASML

NIST 目前支持紅外校準(zhǔn)，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(duì)光刻的微細(xì)加工行業(yè)提供校準(zhǔn)，但它僅在 193nm 和 248nm 波長(zhǎng)。在 EUV 波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)是可能的，但只有在明顯低于 EUVL 工具的功率（毫瓦）時(shí)才能產(chǎn)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(cè)器，或合適的客戶(hù)提供的探測(cè)器，可以作為傳輸標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。其他光學(xué)表征在 EUV 中進(jìn)行，包括濾波器傳輸和空間均勻性測(cè)試。計(jì)量研究的機(jī)會(huì)將是擴(kuò)展 NIST 校準(zhǔn)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(guān)的條件下。通過(guò)為關(guān)鍵工藝參數(shù)提供可追溯的計(jì)量學(xué)，這將對(duì)半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展產(chǎn)生直接影響。此外，長(zhǎng)期的影響將來(lái)自于未來(lái)的 EUV 儀器的開(kāi)發(fā)，通過(guò)提供高保真的數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證 EUV 生成的模擬。

絕對(duì)輻射測(cè)量法不僅對(duì)光刻工藝的開(kāi)發(fā)和儀器驗(yàn)收測(cè)試很重要，而且對(duì) EUV 光產(chǎn)生工藝的準(zhǔn)確定量也很重要。對(duì)這一過(guò)程的預(yù)測(cè)模擬已經(jīng)滯后于 EUV 工具本身的開(kāi)發(fā)。提高模型精度需要模型輸入和輸出的準(zhǔn)確實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在與工業(yè) EUV 光產(chǎn)生相關(guān)的條件下，開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)針對(duì)紅外激光器和 13.5nm 光的新的輻射計(jì)量工具將提供這些數(shù)據(jù)。

沒(méi)有工業(yè)合作，因?yàn)檫@里討論的工業(yè)光刻工具是唯一能夠產(chǎn)生這些探測(cè)器將被設(shè)計(jì)用來(lái)測(cè)量的光量的工具。鑒于與這些工具相關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)數(shù)量，政府和行業(yè)的代表進(jìn)行合作將很重要。工作組會(huì)議上的初步討論顯示，在沒(méi)有保密協(xié)議的保護(hù)下，該行業(yè)不愿討論相關(guān)細(xì)節(jié)。

2.3 等離子體物理和建模：光-物質(zhì)的相互作用

EUVL 利用 13.5nm 的光子來(lái)生產(chǎn)集成電路。這種光的主要來(lái)源是由強(qiáng)大的激光器產(chǎn)生的一種非常熱的錫等離子體。激光參數(shù)被調(diào)整，以產(chǎn)生錫離子，主要發(fā)射近 13.5nm(例子：Sn10+-Sn15+)。雖然大多數(shù)等離子體特性在許多實(shí)驗(yàn)中都得到了探索，但可靠和有效的理論支持對(duì)于開(kāi)發(fā)更好的錫等離子體源至關(guān)重要。關(guān)于等離子體物理學(xué)的討論包括在整個(gè)工作組會(huì)議上的幾次介紹，并已合并到報(bào)告的一個(gè)領(lǐng)域。本節(jié)重點(diǎn)討論等離子體物理學(xué)，目前的技術(shù)現(xiàn)狀，以及美國(guó)工業(yè)和 NIST 研究人員推進(jìn)該領(lǐng)域的需求。

對(duì)激光產(chǎn)生的錫等離子體的光發(fā)射的高級(jí)計(jì)算通常使用大規(guī)模碰撞輻射（CR）代碼進(jìn)行，這些代碼試圖解釋導(dǎo)致光子輻射的最重要的物理過(guò)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(fù)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(dòng)力學(xué)建?？赡茏兊帽匾?。

由于支持物質(zhì)相互作用的基本物理機(jī)制的信息有限，等離子體建模也受到限制。這可能會(huì)導(dǎo)致等離子體工程工作是漸進(jìn)式的，而不是變革性的，以支持大批量制造。過(guò)去，行業(yè)-政府實(shí)驗(yàn)室合作伙伴一直試圖了解并控制等離子體過(guò)程，并報(bào)告了他們的成功。業(yè)界仿真專(zhuān)家還指出，復(fù)雜的仿真如何涵蓋不同時(shí)間尺度的多個(gè)物理領(lǐng)域。

等離子建模在指導(dǎo)工程以提高 EUV 光的產(chǎn)生和效率方面的實(shí)用性存在懸而未決的問(wèn)題。例如，對(duì)帶外光子以及離子和電子的發(fā)射進(jìn)行建模可以提供預(yù)測(cè)見(jiàn)解，這將極大地提高芯片生產(chǎn)的效率。另一個(gè)感興趣的領(lǐng)域是 EUV 光刻膠的光子、電子和化學(xué)相互作用，這是 EUVL 行業(yè)正在進(jìn)行的研究興趣。因此，等離子體物理建模也適用于 EUV 光學(xué)元件。EUV 光學(xué)器件和材料涵蓋在以下部分介紹（2.4）。

在過(guò)去的三年里，EUVL 建模社區(qū)通過(guò)組織 EUVL 代碼比較研討會(huì)，啟動(dòng)了一個(gè)對(duì) CR 代碼的長(zhǎng)期驗(yàn)證和驗(yàn)證程序。這種方法是根據(jù) NIST 原子光譜小組組織了超過(guò) 25 年的一系列非局部熱力學(xué)平衡（NLTE）代碼比較研討會(huì)建模的。因此，NIST 的原子光譜組（ASG）被要求開(kāi)發(fā)一個(gè)新的 EUVL 數(shù)據(jù)庫(kù)和現(xiàn)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(jīng)在沒(méi)有直接財(cái)政支持的情況下成功完成，最近兩個(gè) EUVL 研討會(huì)的參與者使用數(shù)據(jù)庫(kù)和用戶(hù)界面來(lái)比較他們的軟件包。盡管如此，未來(lái)的研討會(huì)旨在分析需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)和用戶(hù)界面進(jìn)行廣泛修改的新物理參數(shù)。因此，需要穩(wěn)定的資金，表明長(zhǎng)期、多年的承諾來(lái)支持這一研究領(lǐng)域的發(fā)展。

NIST 研究人員報(bào)告的未來(lái)方向之一是主要基于多層反射鏡的可用性來(lái)研究更短的波長(zhǎng)方案。這將產(chǎn)生比在更高電離態(tài)（所謂的「超越 EUV」）下比錫重的元素產(chǎn)生的波長(zhǎng)更短的光子。不幸的是，更廣泛的研究界對(duì) 20+倍電離高 z 元素的光譜知識(shí)是不夠的。NISTASG 具有充分的實(shí)驗(yàn)和理論能力，為 EUVL 社區(qū)提供最準(zhǔn)確的信息未來(lái)等離子體源的光譜數(shù)據(jù)。為此，NIST 電子束離子阱（EBIT）不僅可以產(chǎn)生電荷高達(dá) 70+的離子，而且可以在這個(gè)光譜范圍內(nèi)記錄 EUV 和軟光譜中最精確和詳細(xì)的光譜。NISTASG 團(tuán)隊(duì)還使用最先進(jìn)的原子方法和代碼進(jìn)行高精度的大規(guī)模光譜計(jì)算。已證明的能力應(yīng)該滿(mǎn)足 EUVL 對(duì)未來(lái)等離子體源準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的需求。應(yīng)該指出的是，當(dāng)行業(yè)代表被告知 EUV 未來(lái)的資源來(lái)源時(shí)，他們表示，近期沒(méi)有公開(kāi)計(jì)劃使用錫以外的來(lái)源材料。

總之，行業(yè)利益相關(guān)者希望對(duì)錫等離子體進(jìn)行建模，而 NIST 正在進(jìn)行的工作可以支持更多的努力，但將需要投資。此外，設(shè)計(jì)工程師和科學(xué)家將任何代碼集成到商業(yè)軟件中對(duì)優(yōu)化 EUV 芯片生產(chǎn)能力有價(jià)值。工作組會(huì)議上的討論是技術(shù)性的，但如何將任何此類(lèi)代碼與商業(yè)伙伴集成，以確保美國(guó)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(duì) EUVL 部件的負(fù)面影響，這將在（2.4.2）中進(jìn)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(gè)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(gè)關(guān)于大批量制造 (HVM) 需求的總體主題。具體來(lái)說(shuō)，HVM 的興趣主要集中在增加使用 EUVL 生產(chǎn)的芯片的產(chǎn)量和產(chǎn)量上。NIST 目前擁有的可能的計(jì)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(duì)半導(dǎo)體行業(yè)至關(guān)重要。所有器件元件和相關(guān)結(jié)構(gòu)（從場(chǎng)效應(yīng)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(jí)圖案。倫特規(guī)則指出，端子或互連的數(shù)量隨著邏輯塊或門(mén)的數(shù)量而增加。這與單元級(jí)別有關(guān)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)單元縮小時(shí)，與單元的連接需要也收縮。這個(gè)概念被證明在圖 8。

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

行業(yè)參與者強(qiáng)調(diào)，要利用新的電池架構(gòu)和新穎的器件材料，需要如何積極地縮小間距。會(huì)議還討論了如何實(shí)現(xiàn)新型單元結(jié)構(gòu)和材料的 HVM 是困難的，產(chǎn)量是一個(gè)主要問(wèn)題。例如，給定 1010 每個(gè)芯片的接觸點(diǎn)和一個(gè)模具的產(chǎn)量，Yd=

，至少占 99%。在系統(tǒng)中，一個(gè)第三代英特爾酷睿處理器（四核），包含 14.8 億個(gè)晶體管。如果有 99% 的良率，148 萬(wàn)個(gè)晶體管將會(huì)有缺陷——目標(biāo)是 99.99996% 的良率或 6Sigma（6A）。良率必須非常好，良率取決于過(guò)程控制和缺陷。如果良率足夠，制造 EUV 芯片的成本由生產(chǎn)率（吞吐量）決定。換句話(huà)說(shuō)，更好的音高分辨率是必要的，但對(duì)于 HVM 來(lái)說(shuō)還不夠。

影響良率的主要工藝變化是邊緣貼裝誤差 (EPE)。當(dāng)光刻膠線條圖案的邊緣和側(cè)壁顯示出意外的納米級(jí)不規(guī)則性時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。這些不規(guī)則性是隨機(jī)的，通俗地稱(chēng)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(huì)嚴(yán)重影響尺寸控制，并且隨機(jī) LER 波動(dòng)的幅度開(kāi)始與線路圖案公差競(jìng)爭(zhēng)。LER 的控制對(duì)于提高器件性能和制造產(chǎn)量至關(guān)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(xué)中的納米級(jí)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(wèn)題的新工具。

減少線/空間抗蝕劑校正中的錯(cuò)誤的策略之一是通過(guò)定向自組裝（DSA），因?yàn)樗梢孕迯?fù)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(gè)案例研究，針對(duì) 18nm 和 21nm 金屬間距的 EUV、DSA 和自對(duì)準(zhǔn)雙圖案化 (SADP) 的協(xié)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(tǒng)和隨機(jī)變異性的示例。來(lái)源：英特爾

總而言之，圍繞 EUV 光刻膠的關(guān)鍵點(diǎn)是：?jiǎn)卧叽缈s小需要新穎的工藝架構(gòu)、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(dǎo)體芯片成本主要受到生產(chǎn)率（吞吐量）的限制。成品率主要由導(dǎo)致邊緣放置錯(cuò)誤的隨機(jī)工藝變化決定。金屬氧化物抗蝕劑平臺(tái)在緊密間距表現(xiàn)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(tǒng)和隨機(jī)變化。

最后，行業(yè)參與者強(qiáng)調(diào)，當(dāng)前的每一個(gè)過(guò)程變化都需要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)性的探索，而 NIST 的計(jì)量能力和專(zhuān)業(yè)知識(shí)在這些活動(dòng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)過(guò)程變化的實(shí)驗(yàn)探測(cè)的四個(gè)主要子部分：

(1) 需要評(píng)估數(shù)千億個(gè)特征之間的過(guò)程變化，因此需要實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的高通量方法，可能像高諧波產(chǎn)生 (HHG) 設(shè)備，這將在第 2 節(jié)中討論（2.5.1）。

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

(3) 要在每個(gè)長(zhǎng)度尺度上探測(cè)工藝變化，并且越來(lái)越多地在 3-D 中探測(cè)。請(qǐng)注意，這可以使用原子探針斷層掃描（APT）技術(shù)來(lái)完成，這將在第 2 節(jié)中討論（2.5.3）。

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

當(dāng)被問(wèn)及前景和工業(yè)界對(duì)研究界的信息是什么時(shí)，NIST 提供了一個(gè)需求清單。對(duì)于光刻膠：(a) 具有更高量子數(shù)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(jī)缺陷的化學(xué)形態(tài) (d) 光刻膠浮渣緩解策略有機(jī)抗蝕劑 (e) 有機(jī)抗蝕劑的干式顯影技術(shù)。隨著 EUVL 制造業(yè)從低 NA 向高 NA 及更高 NA 過(guò)渡，這個(gè)需求特別重要，見(jiàn)圖 10。

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

對(duì)于校正，行業(yè)需求是：(a) 對(duì)粗糙度和缺陷進(jìn)行與節(jié)距無(wú)關(guān)的校正，以保留目標(biāo)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(lián)等)。

圖 11. 圖中顯示了 DSA 如何不保留目標(biāo)布局，因此需要對(duì)粗糙度和缺陷進(jìn)行與節(jié)距無(wú)關(guān)的校正。來(lái)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(shù)材料強(qiáng)烈吸收 13.5nm 輻射，因此使用 EUV 光進(jìn)行圖案化帶來(lái)了許多新的挑戰(zhàn)。由于強(qiáng)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(chǎn)生和引導(dǎo)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(gè)焦點(diǎn)處產(chǎn)生。在第二個(gè)或中間焦點(diǎn)處，等離子光被引導(dǎo)至曝光工具（圖 12）。整個(gè)收集區(qū)域的波長(zhǎng)匹配和紅外光譜過(guò)濾是多層收集鏡的關(guān)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(lái)源：:Versolanto

此外，產(chǎn)生足夠數(shù)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(guò)程包括將圖案暴露在光刻膠上，光刻膠存儲(chǔ)圖案以進(jìn)行進(jìn)一步處理（見(jiàn) 2.4.1)。EUV 輻射引起光致膠的化學(xué)變化，從而產(chǎn)生揮發(fā)性化合物，這些化合物可能會(huì)通過(guò)真空系統(tǒng)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(wèn)題。行業(yè)成員指出，影響收集鏡的兩種主要碎片類(lèi)型是：(1) 直接來(lái)自等離子體的碎片，熱量和動(dòng)量轉(zhuǎn)移到周?chē)木彌_液 H2 氣體中；（2）在與任何表面碰撞之前，進(jìn)入收集器的錫通量，由 (I) 停止離子的擴(kuò)散，(Ii) 錫蒸氣和 (Iii) 錫微粒組成。

目前用于保護(hù)收集鏡免受碎片傷害的方法是通過(guò)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(yīng)形成了錫烷 (SnH4)，可以根據(jù)方程式中所示的反應(yīng)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(hù)收集鏡。此外，內(nèi)部硬件收集微粒。業(yè)界已對(duì)鏡子的清潔進(jìn)行了研究，以解決污染問(wèn)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(jìn)展，特別是 2021 年的使用壽命超過(guò) 6 個(gè)月。

即使在保護(hù) EUV 收集器鏡像方面有了實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，行業(yè)成員也表達(dá)了兩個(gè)需求。首先，了解「光子和等離子體物質(zhì)如何與 EUV 光源中的背景氣體、光學(xué)和等離子體表面相互作用」。限制的知識(shí)差距包括次級(jí)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(xué)和等離子體診斷。第二，了解「錫會(huì)發(fā)生什么以及如何對(duì)其進(jìn)行管理」。這里的知識(shí)差距包括錫污染、錫的氫自由基清洗、錫烷形成過(guò)程加上相關(guān)的熱和質(zhì)量傳遞和化學(xué)、小顆粒檢測(cè)。

2.5 EUV 作為一個(gè)分析工具

在工作組會(huì)議上，NIST 的研究人員討論了關(guān)于使用 EUV 作為分析工具來(lái)協(xié)助半導(dǎo)體制造業(yè)的三個(gè)主題。利用 EUV 光作為分析技術(shù)的三種方法分別是：(1) 高次諧波產(chǎn)生 (2) 同步加速器 (3) 原子探針層析成像。高諧波產(chǎn)生具有緊湊的占地面積，允許部署在研發(fā)和制造設(shè)施中，并連續(xù)訪問(wèn)深納米級(jí)微電子器件的尺寸、材料和動(dòng)態(tài)特性，這通常在同步加速器光源下進(jìn)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(jí)尺度元素圖的 3D 化學(xué)映射技術(shù)，可用于研究 EUV 光刻膠。

業(yè)界就這些工具在協(xié)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(huì)必須積極行動(dòng)，為滿(mǎn)足潛在合作者的 NDA 請(qǐng)求制定解決方案，同時(shí)滿(mǎn)足聯(lián)邦工作人員所生的獨(dú)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(jìn)一步推進(jìn)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(cè)量和計(jì)量技術(shù)。在 NIST，有一個(gè)正在進(jìn)行的項(xiàng)目，利用 EUV 的短波長(zhǎng)來(lái)探測(cè)在深納米級(jí)尺度上的微電子器件的尺寸、材料和動(dòng)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(lèi)激光）光源。寬帶光譜使人們能夠接觸到許多相關(guān)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(cè)量，如圖 13 所示。這樣的測(cè)量通常在同步加速器光源上進(jìn)行。然而，HHG 源的緊湊占地面積允許在研發(fā)和制造設(shè)施中部署并連續(xù)訪問(wèn)。圖 14 顯示了 NIST 物理材料實(shí)驗(yàn)室 (PML) 當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行的照片，該照片適合典型的實(shí)驗(yàn)室空間。

圖 13.NIST 高次諧波源的光子能量輸出譜及其在相關(guān)材料中幾個(gè)原子核心能級(jí)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(dòng)態(tài)測(cè)量自旋和熱輸運(yùn)。最最近的一項(xiàng)成功是開(kāi)發(fā)了與 EUV 脈沖同步的頻率梳發(fā)生器，其抖動(dòng)優(yōu)于兩皮秒。圖 15 演示了這個(gè)與 40GHz 信號(hào)的同步。這比在同步加速器上所能實(shí)現(xiàn)的大約要好一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且允許我們?cè)谖㈦娮釉O(shè)備的工作頻率下進(jìn)行測(cè)量。這使得能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量功能器件內(nèi)部和外部的熱流和自旋傳輸。

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

最后，光的相干性使得無(wú)透鏡成像技術(shù)成為可能，如相干衍射成像、疊層照相術(shù)和全息術(shù)，可在 EUV 波長(zhǎng)下提供空間分辨率。此功能將使 NIST 能夠直接對(duì)功能設(shè)備進(jìn)行成像，雖然這項(xiàng)工作沒(méi)有在 NIST 完成，但圖 16 顯示了將疊層照相術(shù)與反射測(cè)量法相結(jié)合以橫向空間分辨率測(cè)量硅中的摻雜劑分布的結(jié)果。這種方法可以對(duì)微電子學(xué)中的界面和摻雜劑分布進(jìn)行非破壞性評(píng)估。

圖 16. 使用組合反射測(cè)量和疊層描記技術(shù)對(duì)摻雜劑分布進(jìn)行 3D 納米級(jí)表征的示例。來(lái)源：Tanksalvala 等人

在工作組會(huì)議上，業(yè)界提到分析晶圓中的半導(dǎo)體元件來(lái)識(shí)別缺陷是如何有用的。具體來(lái)說(shuō)，Golani 等人展示了如何使用模擬將光結(jié)構(gòu)相互作用模擬與光學(xué)模擬分開(kāi)系統(tǒng)仿真，在后處理中執(zhí)行后者，使得許多光學(xué)配置能夠在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行測(cè)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(gè)強(qiáng)大的數(shù)字孿生。

2.5.2. 同步加速器：NIST SURF III

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

當(dāng)帶電粒子以彎曲的路徑移動(dòng)時(shí)，就會(huì)發(fā)出同步輻射。由于大多數(shù)加速器使用磁場(chǎng)來(lái)彎曲粒子的軌跡，同步輻射也被稱(chēng)為磁軔致輻射。發(fā)射的光譜是從微波（驅(qū)動(dòng)射頻場(chǎng)的諧波）到 x 射線光譜區(qū)域的寬帶，輻射是垂直準(zhǔn)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(duì)于軌道平面的角度Ψ0, 到切點(diǎn) d 的距離、垂直角度Δψ和水平角度Δθ，則可以計(jì)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(guò)來(lái)，NIST 的紫外線輻射小組將 SURF III 作為輻射測(cè)量和研究的穩(wěn)定光源。SURF 覆蓋了從遠(yuǎn)紅外到軟 X 射線的波長(zhǎng)范圍。表 1 顯示了 NIST SURF III 的當(dāng)前功能和未來(lái)計(jì)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(shè)施可能是有利的，因?yàn)樗梢造`活地測(cè)試許多參數(shù)，以協(xié)助 EUVL 行業(yè)實(shí)現(xiàn) HVM 目標(biāo)，如本報(bào)告前面部分所述（2.2 和 2.4.2)。需要注意的是，某些波長(zhǎng)的系統(tǒng)的定義和術(shù)語(yǔ)重疊且可能不一致，因此應(yīng)參考 ISO21348 標(biāo)準(zhǔn)作為一般指導(dǎo)方針。

在工作組會(huì)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(shí)鏡面污染的研究實(shí)例。自 2000 年以來(lái)，NIST 一直是研究 EUVL 光學(xué)污染的領(lǐng)先中心，并已經(jīng)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(xué)部門(mén)對(duì)半導(dǎo)體制造應(yīng)用進(jìn)行了類(lèi)似的研究。NIST 目前在兩條束線（束線 1 和束線 8）上有三個(gè)設(shè)施，專(zhuān)門(mén)用于光學(xué)污染的各個(gè)方面。研究污染的能力直接涉及到本報(bào)告前面延長(zhǎng)收集器反射鏡壽命的重要性的討論相關(guān)（見(jiàn) 2.4.2)。應(yīng)該支持將需要繼續(xù)和發(fā)展目前的設(shè)施，以支持半導(dǎo)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(xué)映射技術(shù)。圖 18 給出了 APT 操作的示意圖，關(guān)于 APT 的進(jìn)一步背景信息，讀者可以參考最近關(guān)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(lái)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(shù)和大多數(shù)元素的電離能。因此，這些儀器可能通過(guò)對(duì)所研究樣品的大量加熱來(lái)工作。事實(shí)上，對(duì)于有機(jī)材料的分析，來(lái)自 NUV 儀器的數(shù)據(jù)往往是復(fù)雜的，顯示出有問(wèn)題的碎片模式，在現(xiàn)場(chǎng)蒸發(fā)過(guò)程中的聚合證據(jù)，并不能直接解釋成原子尺度的結(jié)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(chǎn)生更小的、可直接解釋的物質(zhì)碎片模式。NIST 方法是將 EUVAPT 應(yīng)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(dǎo)致光刻不規(guī)則性（包括 LER）隨機(jī)性質(zhì)的納米級(jí)成分波動(dòng)。因此，EUVAPT 是在研究與光刻膠加工和組成化學(xué)相關(guān)的隨機(jī)事件方面的一個(gè)關(guān)鍵的計(jì)量學(xué)進(jìn)展（見(jiàn) 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(tǒng)的 NUV 和 DUVAPT 儀器之間的結(jié)果進(jìn)行比較。

調(diào)查結(jié)果和建議

工作組會(huì)議的技術(shù)結(jié)論包含在每個(gè)子項(xiàng)目的末尾第 2 節(jié)中的部分。實(shí)驗(yàn)提取的關(guān)鍵屬性將促進(jìn)建模和仿真技術(shù)，推動(dòng)半導(dǎo)體的高產(chǎn)量，吞吐量和規(guī)模。NIST 擁有獨(dú)特的 EUVL 實(shí)驗(yàn)計(jì)量技能集和理論仿真程序。因此，工作組會(huì)議的行業(yè)與會(huì)者鼓勵(lì)資助 NIST 提議的創(chuàng)建儀器或使用現(xiàn)有儀器向美國(guó)行業(yè)提供超準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的工作。NIST 的科學(xué)家不應(yīng)該只是工業(yè)設(shè)計(jì)工程師，而應(yīng)該通過(guò)合作，應(yīng)該將他們的領(lǐng)域知識(shí)與對(duì) EUVL 的見(jiàn)解相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)互惠互利的結(jié)果反過(guò)來(lái)，知識(shí)轉(zhuǎn)讓必須與資助的使命相一致。工業(yè)有辦法支持國(guó)內(nèi)利益，但 NIST 的科學(xué)和管理領(lǐng)導(dǎo)者必須了解如何相應(yīng)地調(diào)整任何新創(chuàng)建的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。應(yīng)考慮已建立的受控傳播方法，如 CRADA、SRD 和 SRM。

從項(xiàng)目角度來(lái)看，工作組會(huì)議強(qiáng)調(diào)了 EUVL 的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)格局如何導(dǎo)致需要保密協(xié)議 (NDAs) 才能與 NIST 研究人員進(jìn)行深入的技術(shù)對(duì)話(huà)。因此，所有工作組會(huì)議與會(huì)者建議簡(jiǎn)化 NIST 研究人員和行業(yè)之間的 NDA 流程，從項(xiàng)目啟動(dòng)開(kāi)始，周轉(zhuǎn)時(shí)間不到 2 個(gè)月。應(yīng)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(huì)議中可以看出，面對(duì)面互動(dòng)的價(jià)值就產(chǎn)生了富有成效的對(duì)話(huà)和可采取行動(dòng)的下一步步驟。未來(lái)利益攸關(guān)方的互動(dòng)可以從工作組會(huì)議到研討會(huì)過(guò)渡到轉(zhuǎn)變到研討會(huì)到財(cái)團(tuán)。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(shí)以上）也會(huì)增加。因此，將未來(lái)的活動(dòng)安排在經(jīng)常參加的專(zhuān)業(yè)會(huì)議上，例如 SPIE 或美國(guó)光學(xué)協(xié)會(huì) (OSA) 的會(huì)議，可以幫助減輕成本和精力。