超紫外線（Extreme Ultraviolet，EUV）光刻技術被認為是未來取代深紫外線（Deep Ultraviolet，DUV）且滿足摩爾定律的22納米及以下世代最可行的候選技術。由于激光激發的等離子體（Laser Produced Plasma，LPP）技術較易達到高功率超紫外線光源之需求，且具有較高的超紫外線發射效率和收集效率，是量產用超紫外線光源系統的最佳選擇。超紫外線光源系統未來技術研發藍圖提供了一份符合大規模生產的超紫外線光源系統的詳細進程表和針對22納米及以下一代制程的技術要求。 Benjamin Szu-Min Lin, Cymer Southeast Asia Ltd.; David Brandt, Nigel Farrar, Cymer Inc. 超紫外線光刻技術是被列在國際半導體技術藍圖（International Techonology Roadmap for Semiconductor，ITRS）中作為193納米浸潤式光刻技術之后可以在2013年滿足出32納米及以下世代最有前景的技術。然而，針對某些儲存組件量產時程，如NAND型閃存，則要求提早在2011年就需應用超紫外線光刻技術作為量產技術，甚至在2009年就需要此光刻技術作為早期研發之用。為了實現超紫外線光刻技術，首先需要投入眾多資源開發高功率和高可靠度的超紫外線光源，再者需要來解決超紫外線光阻劑性能問題, 如光阻敏感度（photosensitivity），線邊緣粗糙度（Line Edge Roughness，LER），以及線寬粗糙度（Line Width Roughness，LWR）等。目前超紫外線光阻的敏感性和光學穿透率使得超紫外線光源的可用頻寬超紫外線光阻劑性能訂在2 %以內。根據此超紫外線光源2 %可用頻寬和100wph產量產出的條件，超紫外線掃描式曝光機制造商訂出超紫外線光源在中間焦點（intermediate focus，IF）處輸出功率的早期規格應該要大于115瓦，（假設使用5 mJ/cm2敏感度之超紫外線光阻），或者大于180瓦（假設使用10 mJ/cm2敏感度之超紫外線光阻）。若超紫外線光阻的敏感性高于20 mJ/cm2，超紫外線光源的輸出功率則被要求高于200瓦。因此，可擴充輸出功率的超紫外線光源架構才可符合超紫外線光刻技術在技術生命演進周期中的使用需求。低功率放電激發等離子體（discharge-produced-plasma，DPP）超紫外線光源文獻上已可達到10瓦之中間焦點輸出功率，且預期將可擴展到30 – 50瓦之水平。但為能擴充到高于200瓦以上之中間焦點輸出功率，則激光激發的等離子體（Laser-produced-plasma，LPP）超紫外線光源更加有機會達成目標，且預計將在193納米浸潤式時代之后，提供必要的高功率超紫外線光源，以滿足大量生產時超紫外線掃描式曝光機生產集成電路之用。 圖1. 激光激發的等離子體超紫外線光源系統激光激發的等離子體超紫外線光源，是通過投射激光束至標靶元素，如氙氣，錫或鋰，以產生電子溫度高達幾十電子伏特的高度離子化等離子體，并輻射出13.5納米波長超紫外線。在離子激發和重組的過程中產生的高能超紫外線向四面八方輻射，隨即被一個垂直入射的鏡面集光器所反射，并集中到一個中間焦點，再從那里照射至光學掃描式曝光機的光學系統，并最終曝射在晶圓上。從激光能量轉換到超紫外線能量間的轉換效率是激光激發的等離子體超紫外線光源能否達成所需要的高輸出功率的重要關鍵。我們以前曾發表了幾種激光波長和標靶元素之組合對轉換效率和其他光源整合方面的調查研究1，但在這份報告中，主要將探討錫滴標靶和二氧化碳激光所組合的激光激發的等離子體超紫外線光源輸出功率的研發。并針對關鍵子系統技術的發展，如液態錫滴產生器，多層鍍膜鏡面式集光器，和碎片緩減機制，做了詳細的討論。最后，未來的激光激發的等離子體遠超紫外線光源研發藍圖，將指出應用在量產規模上的激光激發的等離子體遠超紫外線光源所應有的輸出功率目標和需求時程。 激光激發的等離子體超紫外線光源輸出功率研發進展 西盟科技在2006年第二季組裝了一個激光激發的等離子體研發系統，其中包括一個高功率且高頻率的二氧化碳激光，此二氧化碳激光配備有一個可以進行多階段放大功能之軸流式射頻泵浦MOPA裝置（axial-flow RF-pumped MOPA configuration）2。在安裝階段，二氧化碳激光輸出功率約當3千瓦（頻率30千赫茲）。在2006年第四季后期，我們對二氧化碳激光系統進行了升級，增加輸出功率到約7 千瓦（頻率50千赫茲）。二氧化碳激光脈沖經過放大，整形，并對焦后，進入激光激發的等離子體真空室。激光脈沖非常精準地擊射在由液態錫滴產生器所產生頻率為50千赫茲的液態錫滴上。具有高度激發物質的等離子體前導波在二氧化碳激光脈沖與液態錫滴作用的區域輻射出13.5納米光子（超紫外線）。專為13.5納米波長所設計的多層鍍膜反射鏡集光器（直徑大小為600mm）收集背向輻射光源，并將光源導向位于光源輸出端的中間焦點位置，以做為掃描式曝光機曝射晶圓之用。 西盟科技自從兩年前的原型系統開始3 ，就把激光激發的等離子體超紫外線光源研發重點放在不斷提高實質激光輸出功率上。 在2007年第四季藉由液態錫滴標靶在3%轉換效率下，達到100瓦爆發功率以及5瓦的超紫外線光源平均輸出功率。為了提高超紫外線光源平均輸出功率，如何降低在激光束傳遞組件和激光腔體的組成部分所產生的熱效應則為重要課題。在2008年第一季，超紫外線光源平均輸出功率成功增加到35瓦，但是系統運作時間只有2.5秒。在2008年第二季，由于改善熱效應，系統運作時間已可增加到1.5小時，且超紫外線光源平均輸出功率為25瓦。上述超紫外線光源平均輸出功率測量是在沒有集光器的情況下，測量等離子體功率，并假設600mm直徑的集光器在 50 %的平均反射率和90 %的穿透率下計算出的結果。然后在2008年第三季，在安裝有一個320mm直徑多層鍍膜反射鏡集光器情況下，多次達到系統運作時間超過8小時的運轉紀錄。在這些試驗中，在1ms爆發持續時間（burst duration）和8 %的工作周期（duty cycle）情況下，用遠程的熒光轉換器和CCD相機來做測量，測量爆發功率（burst power）結果接近50瓦。 激光激發的等離子體超紫外線光源系統的能力已提高至400ms爆發持續時間和80%的工作周期，這樣的表現已經可符合一般的掃描式曝光機運作需求。圖2（a）和圖2（b）顯示激光激發的等離子體超紫外線光源系統在400ms爆發持續時間和80 %的工作周期運轉時的系統表現。平均輸出功率約20瓦且維持18小時連續運行。在此時段中所累積的超紫外線劑量已超過1MJ，足夠進行大約 250片十二英寸晶圓曝光（假設曝光能量為10mJ/cm2） 。 圖2.（a）激光激發的等離子體超紫外線光源系統平均輸出功率約20瓦且維持18小時連續運行（b）累積的超紫外線劑量已超過1MJ，足夠進行大約250片十二英寸晶圓曝光(假設曝光能量為10mJ/cm2)。關鍵激光激發的等離子體超紫外線光源子系統技術發展 除了獲得較高的超紫外線光源平均輸出功率和更長的運轉時間外，穩定的激光激發的等離子體超紫外線光源系統仍需開發以下數個子系統技術，以提高系統的穩定性和可靠度。這幾個關鍵子系統為: 精確控制液態錫滴狀態的液態錫滴產生器，高反射率多層鍍膜反射鏡集光器和碎片緩減控制機制。這三個子系統研發現狀將介紹如下。 液態錫滴產生器 液態錫滴產生器的主要要求系在20 - 200千赫茲可控制范圍內產生均勻且穩定的錫滴，并提供高可靠度的長時間運轉。最近所研制的液態錫滴產生器相較以往的液態錫滴產生器因大幅的性能改進，更能滿足以上要求4。經由調整液態錫滴產生器的噴嘴參數（例如，施加壓力和驅動器驅動電壓），以及保持整體機械系統的穩定性，可以提供均勻且穩定的液態錫滴。 圖3（a）和圖3（b）分別顯示50μm直徑錫滴在50千赫茲頻率下精準時間掌控度和短期定位穩定性。錫滴周期的標準差是86ns（為錫滴周期20μs的 0.4 %）。短期錫滴定位的標準差0.5μm，且錫滴位置漂移量為7.3μm/min 。即使在測試了500個小時后，錫滴周期的標準差和短期錫滴定位的標準差一樣保持穩定。當錫滴直徑縮小到30μm時，錫滴周期和短期錫滴定位在控制上一樣可以達到系統要求。在第二代極紫外線光源系統中，錫滴直徑將減少至10μm。若假設85%的機臺利用率和90%的機臺可用時間，高頻率運轉條件下錫滴的總消耗量估計每系統每年用不到1公升錫滴。 圖3. 顯示50μm直徑錫滴在50千赫茲頻率下多層鍍層反射鏡集光器 在激光激發的等離子體超紫外線光源系統配置中，激光束通過多層鍍層反射鏡集光器中央開口，并聚焦在錫滴標靶上產生等離子體。背向輻射的超紫外光以接近垂直入射的角度打在橢圓形多層鍍層反射鏡集光器上，再反射至中間焦點5。在研發初期，一個較小的橢圓形多層鍍層反射鏡集光器（300毫米的光學直徑）被用來示范光線收集能力。 經過加工和超精細拋光之后，使用符合大面積集光器涂層之直流磁控濺射沉積工具和技術來制作這個小集光器鏡面表面涂層。高溫穩定的漸層表面涂層與特殊的界面設計，使得多層鍍膜在不同角度均可提供高紫外線反射率6。原子力顯微鏡測量結果可以確定此鏡面表面涂層的平滑度足以提供高反射率。圖4（a）表明在多層鍍膜完成后，原子力顯微鏡測量結果顯示在1.8μm x 1.9μm面積范圍內，高空間頻率粗糙度只有0.452nm。反射鏡的反射率曲線則是用同步輻射技術來測量（PTB，柏林）。圖4（b）顯示了在集光器表面不同位置之均勻的反射率曲線且最高反射率為57 %。 圖4 .（a）在多層鍍膜完成后，原子力顯微鏡測量結果顯示在1.8μm x 1.9μm面積范圍內，高空間頻率粗糙度只有0.452nm。（b）顯示了在集光器表面不同位置之均勻的反射率曲線且最高反射率為57 %。碎片緩減機制 激光激發的等離子體超紫外線光源中激光射擊錫滴標靶后，所產生可能撞擊集光器表面上的碎片共有以下三種形式：高能量的離子，中性原子和標靶材料微顆粒。高能量離子是三種碎片類型中最易造成集光器表面涂層受損，而中性原子和標靶材料微顆粒對集光器的損害是相當小的，因為大多數標靶材料朝遠離集光器表面的方向移動。具有數千電子伏特能量的高能量離子與集光器表面涂層相互作用的結果，會侵蝕多層鍍膜反射鏡集光器的表面涂層材料。目前所開發出的離子緩減技術可抑制離子流高達4個數量級，如圖 5（a）所示。當多層鍍膜之層數不太多時，深度剖面分析技術，例如二次離子質譜儀（SIMS） 是相當合適用來檢驗離子緩減技術的成效3。為了驗證離子緩減技術的效果，讓一個多層鍍膜反射鏡集光器（8組雙層鍍膜外加一個覆蓋層）先經過2小時的激光激發的等離子體光源照射（能量相當于輸出功率為60瓦，10 %的工作周期），照射后的樣品采用定性的二次離子質譜儀進行了深入分析。結果顯示在圖5（b），并沒有發現離子侵蝕。 圖5.(a)目前所開發出的離子緩減技術可抑制離子流高達到目的個數量級。(b)照射后的樣品采用定性的二次離子質譜議進入深入分析，并沒有發現離子侵蝕。未來的研發藍圖 激光激發的等離子體超紫外線光源的研發藍圖列于表1 。滿足小量試產掃描式曝光機之需要的激光激發的等離子體超紫外線光源系統預計在2009年推出。此產品紫外線光源輸出功率的目標是大于 100 瓦，并使用11千瓦二氧化碳激光與錫滴系統，以達到3.0 %的轉換效率。垂直入射集光器將采用收集角度5sr（600mm光學直徑）和具有超紫外線平均反射率接近60 %的涂層。因模糊，吸收，和碎片緩減技術造成的光學穿透度損失預計將低于20 % 。為了符合預期中間焦點輸出功率的要求，大規模生產第一代和大規模生產第二代激光激發的等離子體超紫外線光源將以19千瓦和> 20千瓦二氧化碳激光技術外加少許轉換效率的改善，預計分別可以在2010/Q1和2011/Q3推出適合大規模生產之第一代和第二代激光激發的等離子體超紫外線光源。結論 激光激發的等離子體已被證明是可行和具可擴展性，且可滿足掃描式曝光機制造商的需求的超紫外線光源技術。大于100瓦輸出功率的激光激發的等離子體超紫外線光源，預計在2009年將滿足小量試產掃描式曝光機的需要。適合大規模生產之第一代和第二代的激光激發的等離子體超紫外線光源系統預計將分別在2010/Q1和2011/Q3推出。 參考文獻 1. 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