英文论文原文 CO2 / Sn LPP EUV Sources for device development and HVM
摘要
激光产生等离子体 (LPP) 系统已被开发为 EUV 扫描仪光源的主要方法，用于对 20nm 节点及以上的电路特征进行光学成像。本文回顾了 LPP 极紫外 (EUV) 源的开发进展和产品化状态，其性能目标是满足 ASML 的特定要求。我们介绍了在现场以 10W 标称功率运行的光源和在圣地亚哥以更高功率在 MOPA（主振荡器功率放大器）预脉冲模式下运行的光源的发电和集电极保护的最新结果。提供了半导体行业标准的可靠性和光源可用性数据。在这些会议中，我们展示了在高剂量控制功率下对 MOPA 预脉冲操作的验证结果：40 W 平均功率，闭环主动剂量控制满足剂量稳定性要求，55 W 平均功率，闭环主动剂量控制，以及早期集电极保护测试 40 亿次脉冲，而不会损失反射率。
关键词：EUV 源、EUV 光刻、激光等离子体、收集器、液滴发生器 1. 引言
EUV 光刻是下一代关键尺寸成像的领跑者，可取代 193 nm 浸没式光刻，用于 22 nm 节点以下的关键层图案化。领先的设备制造商于 2011 年交付了第一代 EUV 源，并于 2012 年将这些工具提升到试产线能力。EUV 源高达 250W 及以上的高功率能力的开发被认为是实现大批量 EUV 光刻的关键挑战之一，其他技术包括光刻胶和掩模。需要具有良好线边缘粗糙度 (LER) 和线宽粗糙度 (LWR) 的高灵敏度光刻胶来将所需的源功率保持在合理范围内。光刻胶灵敏度和通过 EUV 扫描仪的整体光学传输是得出 2% 可用带宽内 EUV 源功率要求的基础。 ASML 要求在中间焦点 (IF) 处使用 250W 的纯净 EUV 功率，以实现 > 100 wph 的扫描仪吞吐量，假设光刻胶灵敏度为 15 mJ/cm2。
LPP EUV 光刻光源通过将波长为 10.6 微米的 CO2 激光束聚焦到锡 (Sn) 液滴目标上，产生所需的 13.5 nm 辐射，从而产生高度电离的等离子体，电子温度为数十 eV1-4。这些离子各向同性地辐射 EUV 光子。光子由温控分级多层镀膜正入射镜（收集器）收集，并聚焦到中间点，从那里它们被传递到扫描仪光学器件，最终传递到晶圆。激光能量到 EUV 能量的高转换效率 (CE) 对于满足所需的功率水平至关重要。基于氢缓冲气体的碎片缓解技术保护收集器免受等离子体的影响。高能离子、快中性粒子和残留源元素粒子得到缓解，以保持收集镜的反射率，并使该组件具有较长的使用寿命。
总共建造了十个 HVM I 源并投入运行。目前，芯片制造商研发设施中安装了五个这样的源，用于曝光晶圆以进行设备生产；圣地亚哥的 Cymer 公司使用三个源进行升级开发；ASML 使用两个源继续开发扫描仪模块。包括功率和剂量稳定性在内的第一批源性能结果以及初步测试在一年前就已公布 5,6。收集器在现场的使用寿命现已超过 750 亿次脉冲，这主要归功于新涂层的开发和真空环境控制的改进。根据 SEMI E10 的定义，过去三个月中，源可用性平均 >65%。源可用性的提高主要归因于两个关键模块使用寿命的增加；即收集器和液滴发生器。Cymer 已部署服务团队，在安装源的所有地点（目前包括韩国、台湾、日本、美国和欧洲）每周 7 天、每天 24 小时支持源的运行。随着 HVM I (3100) 的工作现已完成，我们更加注重使用工厂中的源来开发和测试功率升级和可用性增强。通过添加主振荡器和预脉冲控件，所有三个源都已升级为 MOPA 预脉冲配置。
2. LPP 源系统
系统架构如图 1 中的比例图所示。源的三个主要子系统是驱动激光器、光束传输系统 (BTS) 和源容器。驱动激光器是一种 CO2 激光器，具有多级放大功能，可达到高达 ~40 kW 的所需功率水平。7-9 它以 ~50 kHz 的脉冲模式运行，由以 13.56 MHz 运行的发电机（未显示）进行射频 (RF) 泵浦。激光器通常与其 RF 发电机和水对水热交换器一起安装在子工厂中。激光束离开驱动激光器时会扩展，以降低 BTS 镜上的能量密度，并实现更高的 NA，从而将光束聚焦为小光斑。旋转镜用于允许光束通过格子板地板从子晶圆厂传播到晶圆厂，并具有必要的灵活性，以便将激光器相对于上方地板上的源容器（和扫描仪）定位。激光器和 BTS 完全封闭并互锁以满足 1 级激光要求。BTS 将光束传送到聚焦光学元件，在那里波长为 10.6 μm 的光被聚焦到由聚焦系统的数值孔径定义的最小光斑尺寸。会聚光束穿过收集器中的中央孔径，并在源容器的真空空间内撞击椭圆形收集器镜主焦点处的液滴。液滴发生器以 50 kHz 的重复率将直径约 30 μm 的液态锡液滴传送到相同位置；激光脉冲和液滴都经过控制和定时，以确保正确瞄准。激光脉冲将锡蒸发并加热成临界温度和密度的等离子云。等离子体发射的 EUV 光被收集起来，并通过多层镀膜的椭圆镜反射到 IF，然后穿过一个小孔进入装有照明光学器件的扫描仪体积。
为确保污染物不会进入扫描仪体积，中频保护模块环绕着光圈并抑制流动和扩散 10。源容器上的其他模块包括液滴捕集器（用于收集爆发之间未使用的液滴）和计量模块（用于测量 EUV 能量以及对液滴和等离子体进行成像）。源控制器根据扫描仪的命令打开和关闭脉冲爆发，持续时间可能长达数秒。使用 15 – 20 mJ/cm2 光刻胶，对 26 x 33 毫米场大小的全场曝光进行了相应的曝光时间测试。爆发开启时间与爆发间隔时间的比率定义了场间占空比。
3. MOPA 预脉冲开发结果
通过在驱动激光器的前端添加主脉冲和预脉冲振荡器，圣地亚哥的三个测试源已升级为 MOPA 预脉冲操作模式。还添加了隔离保护、光学开关、偏振控制和计量。 Prepulse 的控制需要一个新的高速 (100kHz) 电路板、算法和软件，以便将预脉冲和主脉冲之间的时间控制到所需的精度。最近的开发活动已经实现了几个里程碑，作为 40W 长期稳定运行性能验证的一部分。该源在多天内运行了数小时，并表现出可重复的稳定性能。图 2a 显示了在 8.5 小时的总运行时间内，在 6 次 1 小时运行中，中频下 40W 平均 EUV 功率。运行之间的关闭时间用于展示源的热循环和重新启动时的可重复性能。每次 1 小时运行的剂量稳定性都优于 <±0.2%，但第四次运行中的一个芯片除外，如图 2b 所示。垂直线表示这个坏芯片。但是，应该注意的是，这是低能量曝光，扫描仪可以识别位置并根据需要返回为该芯片添加能量。当不存在能量偏移时，固有基线剂量稳定性约为<±0.1%；它代表了以 50kHz 频率运行的源的固有能力。
如图 3a 所示，当时间尺度扩大时，可以看到突发间剂量稳定性。在这种情况下，光源以 2 秒芯片曝光运行，突发内占空比为 100%，突发间占空比为 92%。突发之间的关闭时间表示芯片之间的步进时间。图 3b 显示了典型的晶圆内芯片良率分布图。在此示例中，100% 的芯片良率达到良率。良率定义为剂量稳定性 <±0.5%，但典型性能要好得多，接近光源固有的基线稳定性。
由于 40W 下光源的稳定性显示出相当大的性能裕度，因此将目标功率增加到 55W 下测试光源，如图 4a 所示。55W 下 1 小时的运行仅使剂量稳定性略有降低，这与 40W 数据相比，55W 数据中表示能量偏移的垂直线数量增加有关。55W 下 1 小时运行的芯片产量确定为 97.5%。此前，在低重复率实验室实验中，MOPA Prepulse 光源的转换效率 (CE) 已显示接近 5%。图 4b 显示，在 MOPA Prepulse 中，全集成系统以 50kHz 的全重复率运行，CE >2%。未来将使用 CE 优化作为增加功率以满足路线图要求的途径之一。
4. 路线图
EUV 功率由输入 CO2 激光功率、转换效率 (CE) 和收集效率决定。已经估计了更高功率输出所需的这些参数值的增加，并在图 9 的路线图中显示了 3300 个光源。第一列显示了当前的高功率结果，这代表了我们的起点。清洁 EUV 功率的目标是 250W，主要通过扩大 CO2 功率和 CE 来实现。事实证明，LPP 是推动 EUV 光刻技术在技术生命周期内发展所需的可扩展架构。激光产生的等离子体源有望为 193 nm 后浸没式光刻时代集成电路生产所需的临界尺寸大批量制造 (HVM) 扫描仪提供必要的功率。
激光产生的等离子体已被证明是领先的光源技术，具有可扩展性，可满足 ASML 扫描仪的要求，并为光刻工具在其生命周期内发展所需的更高功率提供了途径。全球已建造并运行了 10 个 3100 光源。过去 3 个月，现场光源的可靠运行平均可用性 >65%。
MOPA 预脉冲技术已被证实是实现更高功率输出的途径。在 92% 占空比的长脉冲中，中间焦点的平均功率为 40W，这已在长时间运行中得到证实。已验证满足 <±0.2% 3σ 剂量稳定性目标的能力。还展示了在高占空比下 55W 运行的能力。具有 > 5 sr 光收集和高平均反射率的正入射收集镜正在批量生产，并且在现场显示出越来越长的使用寿命。 3300 个光源正在制造和发货，它们已开始集成到 3300 台扫描仪中。还将制造几个光源，用作 Cymer 和 ASML 的内部测试光源。
