EUV光刻新方案，大幅降低成本！_风闻

**摘要：**本文讨论了一种具有简化照明系统的简单、低成本、高效率的双镜片物镜系统。与目前的六镜片极紫外投影物镜系统相比，极紫外光源的输出功率需求可降低 1/10。以每小时 100 片晶圆的处理速度计算，所需的 EUV 光源功率仅为 20 瓦。全新设计的投影物镜可实现 0.2 NA（20 毫米领域）和 0.3 NA（10 毫米领域），可组装成类似于 DUV 投影物镜系统的圆柱型装置，具有出色的机械稳定性，且更易于组装/维护。极紫外光通过位于衍射锥两侧的两个窄圆柱形反射镜引入掩膜版前方，提供平均法向照明，减少光刻掩膜三维效应。简化的照明系统提供对称的四极离轴照明，绕过了中心遮蔽，提高了空间分辨率，还实现了柯勒照明。理论分辨率极限为 24 纳米（20 毫米视场），图像缩小系数 x5，物像距离 (OID) 2000 毫米。使用曲面掩模后，物像距离高度可降低到（OID）1500 毫米，分辨率为 16 纳米（10 毫米视场）。它将适用于移动终端应用的小尺寸芯片生产以及最新的chiplet芯片技术。

1.引言在过去的几十年里，人们一直致力于超紫外光刻技术的广泛研发和大量投资。直径近 1 米的高精度多层反射镜和高功率 EUV 光源等关键部件已经研制成功。数值孔径（NA）为 0.33 的量产型光刻机目前已投入使用。然而，要使 EUV 光刻技术被广泛接受为大批量制造的可靠工具，它必须在经济上是可行的。因此，需要解决成本问题。虽然 摩尔定律依然适用，但必须记住，地球上的资源是有限的。因此，我们必须努力实现可持续发展目标。芯片行业在开发下一代产品时，应避免过度消耗电力和水资源。

本文旨在寻找一种具有成本效益的解决方案，利用现有技术在合理的时间范围内满足性能要求。因此，我们专注于内联双镜片配置的低数值孔径(low NA)光刻技术，如图 1 所示。这种方法有助于降低成本和节约用电。

图 1. 带有简化照明器的双镜片投影物镜系统。与目前的 EUV 光刻系统相比，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吸收 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当低。相比之下，本文提出的简化照明器的双镜投影仪使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 兆瓦降低到 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，从而降低了投资和维护成本，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 工具的扫描速度通常比光学扫描仪慢。然而，通过使用本文提出的系统，我们可以提高实际输出到晶圆的EUV功率，从而加快扫描速度，提高生产率。

投影镜的表面粗糙度会影响图像质量。为此，我们进行了大量技术研发，以实现超精密表面。特别是微米范围内的中频粗糙度会严重影响图像对比度，这与自然界中的雾现象相同。在同步辐射光源设备中，反射镜表面经常会出现碳污染，这也会导致图像对比度下降。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，以获得高对比度的图像并长期保持。

还应注意的是，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控制。在本文所研究的系统中，EUV 光源功率和 CO2 驱动激光器功率降低了 10 倍，从而消除了这一问题。

在较低的数值孔径 NA 值下，光学像差校正更容易，因为光线在轴线附近运行。只需要两个非球面反射镜就能覆盖相当宽的像场。光学仿真证实，NA 0.2将为2米高的物镜系统提供 20 毫米大小的像场。与浸没式光刻机 ArFi 相比，低 NA EUV的分辨率更高，因为它的波长更短，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：

其中 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况下确定：

其中k1在EUV和 ArFi 情况下分别等于0.36和0.27。使用这种低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。

另一个重要问题是焦深 (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：

这个等式告诉我们，低数值孔径总是能提供更大的焦深 DOF。有两种情况

在这两种情况下，我们都假设 k2 = 1。很明显，低数值孔径（low NA）极紫外光对于较大的 DOF 具有优势。此外，与在光罩上使用离轴照明的传统极紫外光刻物镜系统相比，内嵌式物镜不会因照明均匀化需求而在焦点周围出现极紫外光刻特有的图像变化。这就消除了光罩不平整造成的图像位置误差。因此，使用低 NA EUV 简化了对掩膜和晶片平整度以及焦点控制的要求。这也使曲面掩膜更容易实现，这将在后面的章节中讨论。

轴对称光学器件在轴线周围提供均匀的图像对比度，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，也没有与多层镀膜相关的相位变化。

在超紫外波长下，必须考虑量子力学效应，特别是较高的光子能量可能会降低图案效果，这就是所谓的随机效应。光子能量的计算公式为

在这两种情况下：

EUV 光子的能量是 ArF 的 14 倍，因此在吸收能量相同的情况下，光刻胶的光子电离事件要少 14 倍。由于随机泊松分布，这导致更差的 LER（线边缘粗糙度）。随机现象造成的缺陷限制了光刻工艺稳定性。我们必须记住，大规模生产逻辑电路所需的接触故障率必须小于 3 x 10e-11。目前，许多研发团队正致力于了解相关机制，并提出了新型光刻胶材料来克服这些挑战。不过，这些解决方案可能还需要一段时间才能问世。在此期间，建议使用 NA 值较低的投影物镜，并采用较宽的线间距。成本更低的 EUV 光刻技术可能会使用多重图案化技术实现更窄的线宽。同样重要的是，双镜投影物镜系统可以提供更多的光子，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，具有机械稳定性、易于装配、校准和更换以及密封性好、防尘等优点。因此，资本化投资和维护成本更低，可靠性更高。

2.像差校正光学器件2.1 双镜等半径配置的像差校正

EUV 光刻技术需要仅使用反射镜的平面场像散器。

Petzval 和规则是平场投影仪的核心原理。在双镜配置中

其中 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，具体来说就是半径相同的凹面镜和凸面镜。这就是所谓的 “等半径 ”配置，如图 2 所示。当两个反射镜之间的距离为 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，我们需要调整镜面曲率，将顶点（OBJ 和 IMG）通过中心孔向外拉。这会破坏 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制。

等半径结构被命名为 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。其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提供。非球面反射镜用于校正像差，产生的残余均方根（rms）波前误差为 0.027l。该投影仪结构紧凑，物像距离（OID）为 276 毫米。然而，由于其视场仅限于 0.6 毫米 x 0.2 毫米，因此不适合用作光刻工具。

2004 年，MET 利用伯克利先进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，需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受的最大尺寸范围内：

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 表面之间的距离应大于 40-50 毫米。如下图所示，两个曲率非常接近（相差在 0.3% 以内）的镜面可获得更宽的视野。

OpTaLix 模拟器预测 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，以消除残留视场曲面误差，从而缩短工具高度并减少波前误差，这将在后面讨论。

2.3 双镜投影仪的实际设计

光学射线模拟结果如图 3 所示，其中 AM1 和 AM2 为轴对称非球面反射镜。为了将光照导入投影物镜，需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，相当于 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 时的模拟结果汇总于表-1 和表-2。

图 3. 图 3 展示了 NA 值为 0.2、OID 物像距离为 2000 毫米的直列双镜投影仪的模拟结果。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。请注意，在实际光刻过程中，光的传播方向是相反的。要在 OpTaLix 模拟器上建立远心条件，从晶圆一侧开始光射线会更容易。

表 1. 双镜投影仪参数表。

表-2：非球面设计参数（OpTaLix 输出）

模拟假设镜面完美，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，随着反射角度的变化，会产生振幅和相位差。我们需要进一步仔细模拟，包括多层反射层，这将导致非球面曲率的变化，尽管这种变化很小。实际上，我们需要用干涉仪在可见光波长下测量反射镜的质量。

晶片侧是远心的，但掩膜侧不是。因此，主光线是倾斜的；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，因此对比度损失最小。离焦仍会导致图案偏移，100 nm 的晶片高度误差会导致场边缘出现 3 nm 的偏移。这种偏移是可以接受的。

请注意，来自不同场的所有光线都在焦平面相交，形成代表傅立叶空间的衍射光斑。光线必须穿过两面反射镜上的中心孔，这就遮挡了衍射信号的中心部分。利用傅立叶分析法可分别估算焦平面中央遮挡的影响（见后文）。

图 4 和图 5 显示了波前像差和光斑图。光程差在小像高时误差较小，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 比值仍然很高（0.991）。我们必须注意，Strehl 比值是在没有中心遮挡和同轴照明的情况下估算的。如果我们采用倾斜照明，高频分量就会开始通过投影物镜，分辨率就会提高，但是会出现明显像差。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。还需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（0.05*13.5 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。模拟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，投影图像并不是完全平坦和弯曲的。如图 4 所示，最佳聚焦点随视场高度的变化而变化，从而导致波前误差。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、

其中 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，即我们可以降低工具高度，也可以增加 AM2 镜面的厚度。表 3 总结了使用曲面掩膜时的设计参数，这些参数能满足Strehl ratio比大于 0.99 的要求。与光罩宽度相比，弯曲半径大，弯曲量相对较小，光罩上不存在机械问题，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弯曲。需要与光罩开发人员和图案设计人员进一步讨论。

图 6. 补偿 Y 场曲线的曲面光罩概念。

表 3：曲面光罩的设计参数。

2.5 失真

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，放大率随轴向距离的增加而减小，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 是理想的轴向位置，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弯曲轨迹（虚线）。正如后面所讨论的，我们使用了与中心分开的双线场。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。使用公式 (13a)、(13b)，其中 m 是图像放大系数 m = 5。当我们在掩膜上使用 w = 2.5 mm、y0 = 50 mm 时，晶片上的涂抹宽度变为 9 nm。在中央部分，弯曲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。这将是生成 24 nm 半间距特征尺寸时可接受的水平。