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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2024-08-05 14:51
摘要
本文討論了一種具有簡(jiǎn)化照明系統(tǒng)的簡(jiǎn)單、低成本、高效率的雙鏡片物鏡系統(tǒng)。與目前的六鏡片極紫外投影物鏡系統(tǒng)相比，極紫外光源的輸出功率需求可降低 1/10。以每小時(shí) 100 片晶圓的處理速度計(jì)算，所需的 EUV 光源功率僅為 20 瓦。全新設(shè)計(jì)的投影物鏡可實(shí)現(xiàn) 0.2 NA（20 毫米領(lǐng)域）和 0.3 NA（10 毫米領(lǐng)域），可組裝成類似于 DUV 投影物鏡系統(tǒng)的圓柱型裝置，具有出色的機(jī)械穩(wěn)定性，且更易于組裝/維護(hù)。極紫外光通過位于衍射錐兩側(cè)的兩個(gè)窄圓柱形反射鏡引入掩膜版前方，提供平均法向照明，減少光刻掩膜三維效應(yīng)。簡(jiǎn)化的照明系統(tǒng)提供對(duì)稱的四極離軸照明，繞過了中心遮蔽，提高了空間分辨率，還實(shí)現(xiàn)了柯勒照明。理論分辨率極限為 24 納米（20 毫米視場(chǎng)），圖像縮小系數(shù) x5，物像距離 (OID) 2000 毫米。使用曲面掩模后，物像距離高度可降低到（OID）1500 毫米，分辨率為 16 納米（10 毫米視場(chǎng)）。它將適用于移動(dòng)終端應(yīng)用的小尺寸芯片生產(chǎn)以及最新的chiplet芯片技術(shù)。
1、引言
在過去的幾十年里，人們一直致力于超紫外光刻技術(shù)的廣泛研發(fā)和大量投資。直徑近 1 米的高精度多層反射鏡和高功率 EUV 光源等關(guān)鍵部件已經(jīng)研制成功。數(shù)值孔徑（NA）為 0.33 的量產(chǎn)型光刻機(jī)目前已投入使用。然而，要使 EUV 光刻技術(shù)被廣泛接受為大批量制造的可靠工具，它必須在經(jīng)濟(jì)上是可行的。因此，需要解決成本問題。雖然 摩爾定律依然適用，但必須記住，地球上的資源是有限的。因此，我們必須努力實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。芯片行業(yè)在開發(fā)下一代產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)避免過度消耗電力和水資源。
本文旨在尋找一種具有成本效益的解決方案，利用現(xiàn)有技術(shù)在合理的時(shí)間范圍內(nèi)滿足性能要求。因此，我們專注于內(nèi)聯(lián)雙鏡片配置的低數(shù)值孔徑(low NA)光刻技術(shù)，如圖 1 所示。這種方法有助于降低成本和節(jié)約用電。
圖 1. 帶有簡(jiǎn)化照明器的雙鏡片投影物鏡系統(tǒng)。與目前的 EUV 光刻系統(tǒng)相比，反射鏡的數(shù)量要少得多，因此可以大大提高功率傳輸。
EUV極紫外光刻的反射鏡在每次反射時(shí)會(huì)吸收 30% 以上的 EUV 功率。目前的曝光工具在投射物鏡系統(tǒng)有六個(gè)反射鏡，在照明鏡片系統(tǒng)中有四個(gè)反射鏡，因此從 EUV 源到晶片的功率傳輸相當(dāng)?shù)?。相比之下，本文提出的?jiǎn)化照明器的雙鏡投影儀使用兩個(gè)串聯(lián)的反射鏡，功率傳輸效率將大幅提高。
該方案的能量效率提高了 13 倍，使 EUV 光刻系統(tǒng)的耗電量減少了 92%。這將使光刻機(jī)系統(tǒng)功耗從大約 1 兆瓦降低到 80 千瓦。此外，驅(qū)動(dòng)激光光源系統(tǒng)的冷卻水流量也將大大減少。中間聚焦時(shí)所需的極紫外光功率為 20 W，每臺(tái)工具的吞吐量為每小時(shí) 100 個(gè)晶片。極紫外光源的設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化，從而降低了投資和維護(hù)成本，提高了可靠性。在這一功率水平下，可在照明系統(tǒng)靠近EUV collector采集器的焦點(diǎn) (IF) 位置周圍安裝一個(gè)薄膜窗口，類似于掩膜上的薄膜，以防止等離子源產(chǎn)生碎片，從而保護(hù)昂貴的掩膜和反射鏡。由于 EUV 光源的弱點(diǎn)，現(xiàn)有 EUV 工具的掃描速度通常比光學(xué)掃描儀慢。然而，通過使用本文提出的系統(tǒng)，我們可以提高實(shí)際輸出到晶圓的EUV功率，從而加快掃描速度，提高生產(chǎn)率。
投影鏡的表面粗糙度會(huì)影響圖像質(zhì)量。為此，我們進(jìn)行了大量技術(shù)研發(fā)，以實(shí)現(xiàn)超精密表面。特別是微米范圍內(nèi)的中頻粗糙度會(huì)嚴(yán)重影響圖像對(duì)比度，這與自然界中的霧現(xiàn)象相同。在同步輻射光源設(shè)備中，反射鏡表面經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)碳污染，這也會(huì)導(dǎo)致圖像對(duì)比度下降。EUV 光刻系統(tǒng)的表面清潔度會(huì)好很多，但我們也要小心碳污染。建議減少物鏡系統(tǒng)中的反射鏡數(shù)量，以獲得高對(duì)比度的圖像并長(zhǎng)期保持。
還應(yīng)注意的是，EUV 光源的 CO2 激光器通過光學(xué)器件傳輸?shù)募t外光對(duì)晶片的加熱會(huì)影響套刻精度overlay控制。在本文所研究的系統(tǒng)中，EUV 光源功率和 CO2 驅(qū)動(dòng)激光器功率降低了 10 倍，從而消除了這一問題。
在較低的數(shù)值孔徑 NA 值下，光學(xué)像差校正更容易，因?yàn)楣饩€在軸線附近運(yùn)行。只需要兩個(gè)非球面反射鏡就能覆蓋相當(dāng)寬的像場(chǎng)。光學(xué)仿真證實(shí)，NA 0.2將為2米高的物鏡系統(tǒng)提供 20 毫米大小的像場(chǎng)。與浸沒式光刻機(jī) ArFi 相比，低 NA EUV的分辨率更高，因?yàn)樗牟ㄩL(zhǎng)更短，僅為 13.5 納米，比 ArF 的 193納米短 15 倍。臨界尺寸或分辨率由阿貝方程決定：
其中 k1 代表工藝系數(shù)，λ 代表波長(zhǎng)，NA 代表數(shù)值孔徑?？臻g分辨率在兩種情況下確定：
其中k1在EUV和 ArFi 情況下分別等于0.36和0.27。使用這種低NA值EUV，有可能在24 nm半間距上實(shí)現(xiàn)單次成像圖案化。請(qǐng)參閱后面關(guān)于超紫外光中 k1 = 0.35 的章節(jié)。
另一個(gè)重要問題是焦深 (DOF)，其定義如下。
將公式 (2) 代入公式 43)，我們可以得出無量綱關(guān)系式：
這個(gè)等式告訴我們，低數(shù)值孔徑總是能提供更大的焦深 DOF。有兩種情況
在這兩種情況下，我們都假設(shè) k2 = 1。很明顯，低數(shù)值孔徑（low NA）極紫外光對(duì)于較大的 DOF 具有優(yōu)勢(shì)。此外，與在光罩上使用離軸照明的傳統(tǒng)極紫外光刻物鏡系統(tǒng)相比，內(nèi)嵌式物鏡不會(huì)因照明均勻化需求而在焦點(diǎn)周圍出現(xiàn)極紫外光刻特有的圖像變化。這就消除了光罩不平整造成的圖像位置誤差。因此，使用低 NA EUV 簡(jiǎn)化了對(duì)掩膜和晶片平整度以及焦點(diǎn)控制的要求。這也使曲面掩膜更容易實(shí)現(xiàn)，這將在后面的章節(jié)中討論。
軸對(duì)稱光學(xué)器件在軸線周圍提供均勻的圖像對(duì)比度，簡(jiǎn)化了光源掩膜協(xié)同優(yōu)化 (SMO)。傳統(tǒng)的四極照明就足夠了。此外，AM2雙物鏡系統(tǒng)的最大反射角與表面法線的夾角僅為 5.5 度。這使得非對(duì)稱瞳孔光暈極小，沒有偏振依賴性，也沒有與多層鍍膜相關(guān)的相位變化。
在超紫外波長(zhǎng)下，必須考慮量子力學(xué)效應(yīng)，特別是較高的光子能量可能會(huì)降低圖案效果，這就是所謂的隨機(jī)效應(yīng)。光子能量的計(jì)算公式為
在這兩種情況下：
EUV 光子的能量是 ArF 的 14 倍，因此在吸收能量相同的情況下，光刻膠的光子電離事件要少 14 倍。由于隨機(jī)泊松分布，這導(dǎo)致更差的 LER（線邊緣粗糙度）。隨機(jī)現(xiàn)象造成的缺陷限制了光刻工藝穩(wěn)定性。我們必須記住，大規(guī)模生產(chǎn)邏輯電路所需的接觸故障率必須小于 3 x 10e-11。目前，許多研發(fā)團(tuán)隊(duì)正致力于了解相關(guān)機(jī)制，并提出了新型光刻膠材料來克服這些挑戰(zhàn)。不過，這些解決方案可能還需要一段時(shí)間才能問世。在此期間，建議使用 NA 值較低的投影物鏡，并采用較寬的線間距。成本更低的 EUV 光刻技術(shù)可能會(huì)使用多重圖案化技術(shù)實(shí)現(xiàn)更窄的線寬。同樣重要的是，雙鏡投影物鏡系統(tǒng)可以提供更多的光子，有助于減少統(tǒng)計(jì)隨機(jī)噪聲問題。
如圖1所示，雙鏡投影物鏡安裝在一個(gè)與紫外光刻透鏡類似的管子中。極高精度的反射鏡被封裝在管內(nèi)，形成一個(gè)整體，具有機(jī)械穩(wěn)定性、易于裝配、校準(zhǔn)和更換以及密封性好、防塵等優(yōu)點(diǎn)。因此，資本化投資和維護(hù)成本更低，可靠性更高。
2、像差校正光學(xué)器件
2.1雙鏡等半徑配置的像差校正
EUV 光刻技術(shù)需要僅使用反射鏡的平面場(chǎng)像散器。
Petzval 和規(guī)則是平場(chǎng)投影儀的核心原理。在雙鏡配置中
其中 R 是鏡面曲率。雙鏡投影物鏡的最基本配置應(yīng)由正負(fù)功率鏡面組成，具體來說就是半徑相同的凹面鏡和凸面鏡。這就是所謂的 “等半徑 ”配置，如圖 2 所示。當(dāng)兩個(gè)反射鏡之間的距離為 L = 0.86 R 時(shí)，副反射鏡 M2 上的物體（OBJ）會(huì)投射到第一反射鏡 M1 上的圖像（IMG）上，從而校正三階球面像差。
圖 2. 等半徑配置。
為了創(chuàng)建一個(gè)功能性投影儀，我們需要調(diào)整鏡面曲率，將頂點(diǎn)（OBJ 和 IMG）通過中心孔向外拉。這會(huì)破壞 Petzval-sum 規(guī)則，導(dǎo)致像差。必須引入非球面反射鏡來校正像差，但由于自由非球面參數(shù)數(shù)量有限（僅有兩個(gè)反射鏡可用），數(shù)值孔徑和視場(chǎng)大小受到限制。
等半徑結(jié)構(gòu)被命名為 MET：2008 年，R. M. Hudyma 和 R. Soufli 作為超紫外投影物鏡對(duì)其進(jìn)行了仔細(xì)研究。數(shù)值孔徑（NA）為 0.3 的 MET 是為了演示 30 納米半間距成像而設(shè)計(jì)的。其中一個(gè)設(shè)計(jì)假定了一個(gè)虛擬透射掩膜和一個(gè)內(nèi)嵌式投影物鏡，其配置與圖 1 類似，但照明必須通過虛擬透射掩膜提供。非球面反射鏡用于校正像差，產(chǎn)生的殘余均方根（rms）波前誤差為 0.027l。該投影儀結(jié)構(gòu)緊湊，物像距離（OID）為 276 毫米。然而，由于其視場(chǎng)僅限于 0.6 毫米 x 0.2 毫米，因此不適合用作光刻工具。
2004 年，MET 利用伯克利先進(jìn)光源的同步輻射裝置，演示了 30 納米等線空間印刷。這一成功表明雙鏡投影物鏡系統(tǒng)具有巨大的潛力。
2.2擴(kuò)大視野
要擴(kuò)大磁場(chǎng)尺寸，需要增加投影物鏡的長(zhǎng)度。假設(shè)工具高度在實(shí)際半導(dǎo)體工廠可接受的最大尺寸范圍內(nèi)：
要保持 Petzval-sum 規(guī)則，鏡面 M2 的位置必須足夠靠近晶片。假設(shè)透鏡與晶片之間的間隙大小與 ArF 浸透相同，建議晶片與 M2 鏡體之間的間隙應(yīng)為 5 毫米。為確保鏡體保持剛性，晶片與 M2 表面之間的距離應(yīng)大于 40-50 毫米。如下圖所示，兩個(gè)曲率非常接近（相差在 0.3% 以內(nèi)）的鏡面可獲得更寬的視野。
OpTaLix 模擬器預(yù)測(cè) NA = 0.2 時(shí)的視場(chǎng)為 20 毫米，涵蓋 100 毫米的全掩膜視場(chǎng)。圖像縮小系數(shù)為 1/5。我們還可以引入曲面掩膜，以消除殘留視場(chǎng)曲面誤差，從而縮短工具高度并減少波前誤差，這將在后面討論。
2.3雙鏡投影儀的實(shí)際設(shè)計(jì)
光學(xué)射線模擬結(jié)果如圖 3 所示，其中 AM1 和 AM2 為軸對(duì)稱非球面反射鏡。為了將光照導(dǎo)入投影物鏡，需要一個(gè)寬敞的空間來容納 AM1 鏡和掩膜之間的圓柱鏡。這導(dǎo)致放大系數(shù)為 x5，相當(dāng)于 MET，而不是標(biāo)準(zhǔn)放大系數(shù) x4。光罩掃描區(qū)域的尺寸為 100 毫米（20 毫米 x 5），與當(dāng)前光罩設(shè)計(jì)的 104 毫米（26 毫米 x 4）相匹配。NA 0.2 時(shí)的模擬結(jié)果匯總于表-1 和表-2。
圖 3. 圖 3 展示了 NA 值為 0.2、OID 物像距離為 2000 毫米的直列雙鏡投影儀的模擬結(jié)果。假定反射鏡具有 100% 反射率的完美表面，并且不存在瞳孔光柵化或光圈擋板。請(qǐng)注意，在實(shí)際光刻過程中，光的傳播方向是相反的。要在 OpTaLix 模擬器上建立遠(yuǎn)心條件，從晶圓一側(cè)開始光射線會(huì)更容易。
表 1. 雙鏡投影儀參數(shù)表。
表-2：非球面設(shè)計(jì)參數(shù)（OpTaLix 輸出）
模擬假設(shè)鏡面完美，反射率為 100%。實(shí)際上，鏡面是由多重反射層組成的，反射是由這些層之間的波干涉引起的，隨著反射角度的變化，會(huì)產(chǎn)生振幅和相位差。我們需要進(jìn)一步仔細(xì)模擬，包括多層反射層，這將導(dǎo)致非球面曲率的變化，盡管這種變化很小。實(shí)際上，我們需要用干涉儀在可見光波長(zhǎng)下測(cè)量反射鏡的質(zhì)量。
晶片側(cè)是遠(yuǎn)心的，但掩膜側(cè)不是。因此，主光線是傾斜的；在視場(chǎng)邊緣傾斜 1.6 度（~50 毫米/2000 毫米弧度）?？紤]到衍射錐的半角（NA/5= 0.04 弧度=2.4 度），掩膜邊緣多層反射層涂層的最大反射角為 4 度。該角度小于鉬/硅多層涂層的 12 度截止角，因此對(duì)比度損失最小。離焦仍會(huì)導(dǎo)致圖案偏移，100 nm 的晶片高度誤差會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)邊緣出現(xiàn) 3 nm 的偏移。這種偏移是可以接受的。
請(qǐng)注意，來自不同場(chǎng)的所有光線都在焦平面相交，形成代表傅立葉空間的衍射光斑。光線必須穿過兩面反射鏡上的中心孔，這就遮擋了衍射信號(hào)的中心部分。利用傅立葉分析法可分別估算焦平面中央遮擋的影響（見后文）。
圖 4 和圖 5 顯示了波前像差和光斑圖。光程差在小像高時(shí)誤差較小，但在像場(chǎng)邊緣，由于殘余像差，光程差達(dá)到了 0.05倍波長(zhǎng)的極限。由于 NA 值較低，在視場(chǎng)邊緣的 Strehl 比值仍然很高（0.991）。我們必須注意，Strehl 比值是在沒有中心遮擋和同軸照明的情況下估算的。如果我們采用傾斜照明，高頻分量就會(huì)開始通過投影物鏡，分辨率就會(huì)提高，但是會(huì)出現(xiàn)明顯像差。幸運(yùn)的是，圖 4 中的光程差是軸對(duì)稱的（實(shí)際上是圓柱對(duì)稱的），來自最窄圖案的一階布拉格衍射（見圖 12）與離軸四重照明之間的相位差變小，這意味著它能有效減少像差。還需要進(jìn)一步的詳細(xì)研究。
圖 4. 圖中顯示了光束高度沿線的光程差，垂直刻度為 0.05倍紫外光波長(zhǎng)（0.05*13.5 納米）。在掃描場(chǎng)邊緣（y = 10 毫米），Strehl 比高達(dá) 0.991，導(dǎo)致 NA 0.2 的衍射極限光斑。
圖 5. 晶片上的光斑圖。模擬的輸出是掩膜上的光斑，根據(jù)該光斑可估算出晶圓一側(cè)的光斑，同時(shí)考慮到 1/5 的圖像縮小系數(shù)。
2.4曲面遮罩選項(xiàng)
由于反射鏡的數(shù)量有限，投影圖像并不是完全平坦和彎曲的。如圖 4 所示，最佳聚焦點(diǎn)隨視場(chǎng)高度的變化而變化，從而導(dǎo)致波前誤差。如果我們引入如圖 6 所示的曲面掩膜，就可以補(bǔ)償 y 場(chǎng)曲線。我們?cè)O(shè)計(jì)的掩膜曲率與 Petzval 場(chǎng)曲率相匹配，如下所示、
其中 Rcurve 是曲面掩膜的理論最佳半徑。實(shí)際上，OpTaLix 預(yù)測(cè)的球差補(bǔ)償半徑略小。
通過引入曲面掩模，增加了設(shè)計(jì)參數(shù)的自由度，即我們可以降低工具高度，也可以增加 AM2 鏡面的厚度。表 3 總結(jié)了使用曲面掩膜時(shí)的設(shè)計(jì)參數(shù)，這些參數(shù)能滿足Strehl ratio比大于 0.99 的要求。與光罩寬度相比，彎曲半徑大，彎曲量相對(duì)較小，光罩上不存在機(jī)械問題，橫向圖案偏移可以集成到圖案設(shè)計(jì)中。我們照常制作平面光罩，然后將光罩安裝在掃描儀上設(shè)計(jì)有曲線的卡盤上時(shí)進(jìn)行彎曲。需要與光罩開發(fā)人員和圖案設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步討論。
圖 6. 補(bǔ)償 Y 場(chǎng)曲線的曲面光罩概念。
表 3：曲面光罩的設(shè)計(jì)參數(shù)。
2.5失真
眾所周知，畸變會(huì)導(dǎo)致光刻機(jī)成像圖像模糊。在雙鏡式投影儀中，放大率隨軸向距離的增加而減小，從而導(dǎo)致特有的 “桶形 ”畸變，這可以用數(shù)學(xué)方法來描述：
畸變 Cd 的單位是%。r 是理想的軸向位置，r'是畸變位置。如圖 7 所示，由于徑向畸變，掩膜上一個(gè)點(diǎn)的線性掃描運(yùn)動(dòng)被投射為彎曲軌跡（虛線）。正如后面所討論的，我們使用了與中心分開的雙線場(chǎng)。由于較小的間隔會(huì)減少圖像涂抹，因此我們將間隔最小化為兩個(gè)在軸線上相切的掃描寬度。
如圖 7 所示，畸變效應(yīng)將 A 點(diǎn)移至 A'點(diǎn)，邊緣上的 B 點(diǎn)移至 B'點(diǎn)。根據(jù) A'和 B'之間的高度差，我們可以得出晶片上的涂抹偏移。使用公式 (13a)、(13b)，其中 m 是圖像放大系數(shù) m = 5。當(dāng)我們?cè)谘谀ど鲜褂?w = 2.5 mm、y0 = 50 mm 時(shí)，晶片上的涂抹寬度變?yōu)?9 nm。在中央部分，彎曲軌跡與掃描運(yùn)動(dòng)更加平行，均方根值大約變?yōu)槿种唬? nm。這將是生成 24 nm 半間距特征尺寸時(shí)可接受的水平。
圖 7. 掃描移動(dòng)過程中徑向變形導(dǎo)致的圖像模糊。
3、中心遮蔽
雙鏡聯(lián)機(jī)投影物鏡的設(shè)計(jì)不可避免地會(huì)出現(xiàn)因反射鏡上的中心光束孔而產(chǎn)生的遮蔽問題。關(guān)鍵問題是如何消除 “禁止成像間距”。僅靠投影機(jī)設(shè)計(jì)不可能完全避免這一問題，但我們可以切實(shí)減少對(duì)投影圖案的影響。要解決這個(gè)問題，有三種策略：
(1) 盡可能縮小光束孔。
(2) 優(yōu)化離軸照明。
(3) 優(yōu)化部分相干系數(shù)。
圖 8 顯示了中心光束孔。在本文中，為了區(qū)分遮蔽系數(shù)和部分相干系數(shù)，我們使用希臘大寫字母作為遮蔽系數(shù)，小寫字母作為部分相干系數(shù)。
中心孔的設(shè)計(jì)是為了通過 NA 值為 0.2 的光束，光束邊緣周圍有 2 毫米的間隙。AM1 的遮擋通常小于 AM2，因此我們只討論 AM2。
如圖 8 所示，歸一化孔尺寸（遮蔽系數(shù)）為 Σ =1 表示衍射錐（反射鏡直徑）。NA 值較低，因此光束孔和水平模糊度較小。我們?cè)诰浇谱髁?AM2 副反射鏡，以保持 Petzval-sum 規(guī)則。這一決定也有助于減小光束孔的大小。
我們引入了四極照明，可以繞過中心遮擋。邏輯圖案主要由垂直線和水平線組成，其衍射沿水平軸和垂直軸分布，如圖 12 所示。如果水平和垂直方向上的四倍光斑（0-階衍射）的間距大于遮擋物的尺寸，則衍射不會(huì)被遮擋孔遮擋。在目前的設(shè)計(jì)中，顯然滿足以下條件。
在交錯(cuò)接觸通孔的特殊情況下，衍射圖樣應(yīng)具有 60 度的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，因此仍有機(jī)會(huì)在被遮擋區(qū)域進(jìn)入禁止間距區(qū)間。我們可以通過部分相干源來挽救部分遮擋點(diǎn)。由于部分相干因子大于遮蔽率，即 σx = 0.25 > Σx = 0.13，衍射光斑的擴(kuò)散寬度將大于中心孔寬度，因此損失的衍射光斑將得到挽救，如圖 12 和圖 14 所示。
還需要進(jìn)一步研究，包括利用計(jì)算光刻技術(shù)進(jìn)行源掩模優(yōu)化 (SMO) 和光學(xué)鄰近校正 (OPC)。
圖 8. 主鏡和副鏡上的光束遮擋。光束孔的設(shè)計(jì)符合 NA 0.2 的光束邊緣，光束周圍有 2 毫米的間隙。三個(gè)圓圈表示軸和兩個(gè)場(chǎng)邊緣的衍射錐。
為了避開中心遮擋并提高空間分辨率，EUV 光通過位于衍射光錐兩側(cè)的兩個(gè)窄圓柱形反射鏡引入掩膜前方。這提供了均勻化照明光場(chǎng)，減少了掩膜三維效應(yīng)。簡(jiǎn)化的照明系統(tǒng)提供了對(duì)稱的四極離軸照明，繞過了中心遮擋，提高了空間分辨率，還實(shí)現(xiàn)了柯勒照明。為避免圓柱鏡的阻擋衍射，引入了雙線場(chǎng)概念。技術(shù)細(xì)節(jié)目前正在設(shè)計(jì)階段，不久的將來將在另一篇論文中介紹。
圖 9. 光罩的照明由兩個(gè)圓柱形反射鏡提供。
4、部分相干光源
如果使用點(diǎn)光源照明，靠近邊緣的頻率成分會(huì)被光圈急劇切斷（硬邊緣切割），這通常會(huì)在圖像上造成刀口衍射效應(yīng)。為避免這一問題，光學(xué)光刻通常使用部分相干光源。
部分相干系數(shù)的定義如下。
在點(diǎn)光源的情況下，σ=0。
在傳統(tǒng)的紫外光刻中，四極照明通常使用 0.2 的部分相干照明因子，EUV 最好也使用相同的值。值得注意的是，部分照明也會(huì)減緩中心遮蔽的影響。如圖 8 所示，X 方向上的遮擋物大小為Σx=0.13，因此部分相干光會(huì)彌補(bǔ)孔洞問題。
我們將分別討論 x 和 y 方向的光源大小。首先討論 x 方向。掃描場(chǎng)的寬度很窄：2.5 毫米寬，因此極紫外等離子體光源的自然角散布滿足所需的角散布。如圖 10 所示，我們假定 x 方向上每個(gè)分段鏡的收集角為 1 弧度。錫等離子體的直徑約為 100 um，我們從中切割出 50 um 寬的等離子體，然后通過照明器放大 50 倍，以 2.5 mm 寬線場(chǎng)的形式傳送到掩膜。由于相空間面積通過線性光學(xué)得以保持 (與粒子加速器中的發(fā)射守恒定律相同），角發(fā)散被絕熱地減少了 1/50，因此掩膜上的角散布變?yōu)?20 mrad。與入口瞳孔直徑 2 x NA/m= 2 x 0.2/5 = 80 mrad 相比，部分相干因子變?yōu)?σx=20/80=0.25，符合要求的值。
圖 10. 從極紫外光源到掩膜的相空間分布。(a) 等離子體的直徑約為 100 微米，我們從中切割出 50 微米的寬度。(b) 光源尺寸通過照明器放大 50 倍，以 2.5 毫米寬的線場(chǎng)形式傳送到掩膜。角發(fā)散被絕熱縮小了1/50。(c) 兩個(gè)圓柱形反射鏡和準(zhǔn)直器之間的接收切斷了相位空間。60% 的光子通量可以到達(dá)晶片。虛線表示對(duì)照明。
在 y 方向上，照明裝置將光擴(kuò)展為 100 毫米寬的線寬，以覆蓋掩膜的尺寸。然而，這導(dǎo)致角度發(fā)散極小，無法滿足所需的部分相干性。為了增加 Y 方向的發(fā)散，可以在照明裝置中引入 “波紋鏡”。波紋鏡 "最初是由 Henry N. Chapman 和 Keith A. Nugent 于 1999 年為曲面掃描場(chǎng)引入的。鏡面具有周期性起伏，可以混合光線，在不損失大量光線的情況下有效提高部分相干系數(shù)。
圖 11 顯示了焦平面的離軸四極照明模式，其中考慮了部分相干系數(shù) σx = 0.25，σy = 0.2。兩個(gè)圓柱形反射鏡的陰影是模糊的，部分照明光和衍射光可以通過，因此反射鏡上應(yīng)該有 10-15% 的余量來校正像差。
四個(gè)照明光點(diǎn)在瞳孔大小附近對(duì)稱分布，與軸線成 45 度角?？捎梅直媛视深l率寬度決定，即 2NA cos(45) = 1.4NA。因此，臨界尺寸變?yōu)椋?/span>
圖 11. 焦平面的離軸四極照明模式。將離軸角度取為滿足 NA 的瞳孔大小，則頻率跨度變?yōu)?1.4 NA。圓柱形反射鏡的陰影是模糊的，部分照明和衍射可以通過，因此反射鏡上應(yīng)保留 10-15% 的余量，即 NA 0.22 時(shí)的像差校正需要覆蓋衍射。
5、四極照明下的成像能力
本節(jié)介紹了成像分析的初步結(jié)果，說明了四極照明下中心遮擋和兩個(gè)圓柱鏡陰影的影響。還需要進(jìn)一步的優(yōu)化工作來研究各種邏輯模式、兩個(gè)圓柱形反射鏡的間距以及部分相干和瞳孔填充系數(shù)。這個(gè)問題與線掃描狹縫和中心孔損失的光子有關(guān)，而這些光子損失又會(huì)反映到所需的 EUV 光源功率上。本提案中照明方案的靈活性受到一定限制。不過，我們?cè)谕队皟x上有足夠的 EUV 功率來優(yōu)化（也包括瞳孔填充因子）各種邏輯圖案的合理對(duì)比度，這對(duì)我們的目的來說已經(jīng)足夠了。
菲涅爾數(shù) F 定義為 F = a2 /Lλ，其中 a 是特征尺寸，L 是與物體的距離，λ 是入射波長(zhǎng)。對(duì)于邏輯圖案的 1 微米場(chǎng)，距離掩膜表面只有 1 毫米，F(xiàn) = 0.07 <<1，因此衍射變成了弗勞恩霍夫機(jī)制，即我們可以用傅立葉變換來處理衍射。對(duì)于納米圖案，F(xiàn) 總是非常小，處于夫瑯和費(fèi)狀態(tài)。
如圖 3 所示，衍射從 AM2 傳播到 AM1，在 AM1 和 AM2 之間，來自不同場(chǎng)高的光線在焦平面上交叉，產(chǎn)生掩膜圖像的傅立葉圖案。如圖 8 所示，三個(gè)圓圈表示軸和兩個(gè)場(chǎng)邊緣上的衍射錐。與直徑相比，位移量相對(duì)較小，因此我們用場(chǎng)中心的衍射來近似成像能力。如圖 8 所示，AM2 的中心遮擋率高于 AM1，因此我們估計(jì) AM2 的遮擋率。
圖 12 顯示了 27 nm HP 半間距垂直線的 FFT 分析。從左到右依次為測(cè)試圖案、焦平面衍射、與原點(diǎn) 0 次對(duì)齊的重疊衍射和背面 FFT 空中圖像。第二行為無遮擋（無孔）情況。掩膜前的圓柱鏡阻擋了部分衍射，而陰影并非全黑。這是由于非零光源尺寸，即 50 nm -mrad 的相位空間（△x, △x'）（見圖 10），使鏡子的陰影模糊不清。
圖 12. 27nm半間距HP 垂直線的 FFT 快速傅里葉分析。圖像從左到右依次為測(cè)試圖案、焦平面衍射、與原點(diǎn) 0 次對(duì)齊的重疊衍射以及背面 FFT 快速傅里葉空間像。第二行為無遮擋（無孔）情況。
值得注意的是，強(qiáng)烈的衍射形成了一個(gè)矩形，圍繞著中心孔。因此，射向中心孔的功率很小。因此，在這種情況下，中心遮擋的影響相對(duì)較小。這一點(diǎn)在水平線上不會(huì)改變。
圖 13 顯示了垂直線兩側(cè)的強(qiáng)度?？梢钥闯?，對(duì)比度并沒有因?yàn)橹醒胝趽醵鴾p弱，反而略有增強(qiáng)。這可以解釋如下。孔洞中信號(hào)的損失相當(dāng)于增加了一個(gè)相位偏移 180 度的信號(hào)，其增強(qiáng)對(duì)比度的方式類似于相位移掩膜。
圖 13. 圖案中部的強(qiáng)度曲線。
圖 14 是 35 nm 交錯(cuò)接觸通孔的 FFT快速傅里葉分析。從左到右依次為測(cè)試圖案、焦平面衍射、與原點(diǎn) 0 次對(duì)齊的重疊衍射和背面 FFT 空間像。第二行為無遮擋（無孔）情況。如圖 15 所示，一定量的衍射能量進(jìn)入孔洞，因此對(duì)比度變低。正如 Jo Finders 等人所討論的那樣，三極或六極離軸照明適用于分辨率更高、對(duì)比度更好的成像。然而，本文提出的系統(tǒng)是基于四極的照明，可能不是交錯(cuò)通孔陣列成像的最佳選擇。盡管如此，該系統(tǒng)還是簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)可行的。
圖 14. 35 nm 交錯(cuò)接觸通孔的 FFT 快速傅里葉分析。從左到右依次為測(cè)試圖案、焦平面衍射、與原點(diǎn) 0 次對(duì)齊的重疊衍射和背面 FFT 空中圖像。第二行為無遮擋（無孔）情況。
圖 15. 光斑中部的強(qiáng)度曲線
6、總結(jié)和評(píng)論
本文研究的全新 EUV 光刻技術(shù)的主要特點(diǎn)是
低功耗 ，預(yù)期達(dá)到< 1/10的現(xiàn)有EUV光刻設(shè)備功耗（將目前EUV光刻系統(tǒng)的 1 兆瓦的功耗降至 100 千瓦）
EUV 光源硬件更簡(jiǎn)單，成本更低，使用壽命更長(zhǎng)。
簡(jiǎn)單的雙鏡投影物鏡降低了投資成本，使設(shè)計(jì)更加可靠。
更易于維護(hù)。
走窄線型路線。
能夠以 24 nm HP半間距（0.2NA，20 mm 光場(chǎng)）的單次成像能力進(jìn)行多重圖案化是一種合理的策略。需要注意的是，光刻工藝成本會(huì)更低。
0.3 NA（16 nm HP，10 mm 光場(chǎng)）可通過曲面掩膜實(shí)現(xiàn)。10 毫米 x 26 毫米的光場(chǎng)尺寸適合移動(dòng)應(yīng)用。
與 “chiplet ”設(shè)計(jì)完美結(jié)合。
作者建議盡快進(jìn)行原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，有可能采用半比例模型，即 OID 1000 毫米、0.2 NA、10 毫米光場(chǎng)（帶或不帶曲面掩膜）。
來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察
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