asml公司的EUV光刻設備的光源技術研究

周勇 孫宏

摘要：EUV光源是EUV光刻裝置的核心部件，直接決定了光刻之后半導體芯片的線寬和生產效率。本文對ASM公司的EUV光源技術，改進和反污染技術進行來梳理。

關鍵詞：EUV光源；光刻；ASML；激光等離子體源

多年來，集成電路技術的發展始終是隨著光學光刻技術的不斷創新所推進的。在摩爾定律的驅動下，光刻技術經歷了接觸/接近投影、掃描等倍投影、步進投影、縮小步進投影、步進掃描投影曝光方式的變革，曝光波長由436nm的h線向365nm的i線、繼而到248nm的KrF到193nm的ArF準分子光源，而實現光刻進步的直接方法，是降低使用光源的波長，使用 193nmArF光源的干法光刻機，結合浸沒式與光學鄰近效應矯正等技術，其極限工藝節點可達 28nm。到了 2010年后，制程工藝尺寸進化到 22nm，已經超越浸沒式 DUV極限，于是行業開始導入二次圖形曝光工藝，以間接方式來制作線路。對于使用浸沒式+二次圖形曝光的 ArF光刻機，工藝節點的極限是 10nm。在從 32/28nm節點邁進 22/20nm節點時，由于光刻精度不足，需使用二次曝光等技術來實現，設備與制作成本雙雙提高，晶體管的單位成本首次出現不降反升。而極紫外光刻（EUVL）設備的高精度能幫助廠商減少光刻的工藝步驟，實現 7nm以下的晶圓量產[1]。

目前能夠生產的EUVL的只有荷蘭阿斯麥（ASML）一家，2017年EUVL設備采用13nmEUV作為光源，實現 13納米的線寬，并且采用磁懸浮系統來加速掩模及工作臺，吞吐量可達每小時 125片晶圓，目前，ASML在EUVL領域處于壟斷地位。

1EUV光源

工業上對于EUV光源的基本要求是：足夠高的帶內極紫外輻射功率，對光學收集系統極低的污染以確保整個系統長時間穩定運行。獲得EUV輻射光源主要有三種途徑：同步輻射源、氣體放電等離子體（DPP）和激光等離子體光源（LPP）。

同步輻射源是通過在真空中磁場能夠使電子在環形加速器中做高速循環曲線運動，在沿運動軌道切線方向產生電磁波。這種方法產生的電磁波具有寬波段、高準直、高純凈、窄脈沖、高平行度、線偏振等優點，但同步輻射本身龐大、復雜的裝置，昂貴的造價成本，缺乏靈活性，限制了其應用到商業光刻設備上。

放電等離子體源是通過在高壓電極的陽極與陰極之間充入流體，當有強電流通過時會在其間形成環形磁場，這個磁場會壓縮并電離處于兩極之間的流體，從而形成等離子體，當等離子體電子溫度達到足夠高時就會產生EUV輻射。放電等離子體源可以獲得相當大強度的EUV輻射，但等離子體產生過程的同時會對電機產生熱負荷和腐蝕，造成關鍵元件部分的損壞，并伴隨大量的碎屑，污染系統，很難維持長時間的穩定工作，因此阻礙了其在EUV光刻中的應用。

激光等離子體源是使用脈沖激光照射靶材，使其產生高能量等離子體。相比于其它產生方式，激光等離子體源具有更好的可控性和穩定性，不僅能夠有效減少設備熱負荷，大幅度提高光源工作頻率，而且等離子體產生區域的空間穩定性和尺寸均可控，雖然同樣存在碎屑的污染問題，但較放電等離子體光源要清潔得多。而激光等離子體源本身體積小、亮度高并且可以通過選擇適當的燃料靶材和控制等離子體參數來實現極紫外等離子體光源輸出波長的調諧，因此，是13.5nmEUVL的較為理想的光源。

2.ASML公司的EUV光源

ASML公司的EUV光刻設備采用的光源主要是放電等離子體源和激光等離子源；并在提高放電區的流體、降低放電元件的熱危險、提高光源輸出功率、減少光源中存在的碎片、提高光譜純度等方便做了改進。

1999年ASML提出了放電等離子體源的方案，如圖1所示，輻射源包括陽極110和陰極120，其中陰極具有中空環形腔，具有圍繞輻射源的中心軸的環形孔123，沿陽極和陰極之間的中心軸供應工作流體，氣化的流體通過主噴射噴嘴163到達陽極和陰極之間的間隙，陽極和陰極之間高壓放電，電離并壓縮流體形成EUV等離子體。通過設置噴嘴，增加工作流體的密度和光源的重復頻率。

為了克服放電元件過熱的問題，ASML公司提出設置多個放電元件，每個放電元件只工作很短的時間，交替工作，避免過熱的危險，同時為提高轉換效率，將輻射源設置為低感應系數，并運行在自觸發的狀態。

在提高輸出功率方面，ASML公司提出設置聚焦鏡，將激光光束聚焦到等離子體產生位置，提高等離子體的轉化效率；通過將多個輻射源的輸出疊加來提高總的輸出功率。還提出了通過提高激光器的輸出功率來提高EUV光源的輸出功率，如在激光器中設置放大器，對其輸出功率進行放大，并設置光學元件限定通過放大器的輻射的發散束路徑；將多個光纖激光器布置在光軸中，激光器發射的輻射指向光軸，并最終聚焦在輻射的共同焦點上，提高激光的總功率。

如何盡量減少光源中的污染物也是ASML公司的EUV光源的重要技術方向，主要采用施加電場捕獲碎片、箔阱捕捉碎片顆粒、采用氣體減緩裝置引導碎片、采用磁場引導碎片離開收集器、采用氫根流清潔收集器反射鏡。施加電場捕獲碎片污染物，電壓源連接到污染物屏障，在這樣的電極與輻射源LA之間產生所需電場，去除由輻射源產生的污染物。具有箔俘獲的激光產生的等離子輻射系統，包括NI收集器（NI=法線入射）和箔俘獲，輻射源包括激光產生的等離子體源，NI收集器使輻射兩次通過箔俘獲，防止碎片污染物通過。通過設置氣體供給系統，產生第一氣流將產生的碎片熱能化，設置多個氣體歧管，被放置在靠近收集器反射鏡的位置處，將被熱能化的碎片朝向等離子體引導，避免沉積到收集器反射鏡；通過設置磁場發生器產生磁場強度梯度的磁場，以將碎片引導離開輻射收集器。通過將氫根流提供到收集器反射鏡上，設置清潔裝置用于提供氫根流，用于清潔收集器反射鏡的污染物。

不管采用何種方式的EUV光源，都會產生多種波長的輻射激光輸出，而通常需要的是EUV波段的輻射源，而其他波長的輻射則需要通過濾波片濾除。ASML公司主要采用光譜純度濾光片技術來實現，如衍射格柵的衍射濾光片，多層膜結構的濾光片，具有多個孔的濾光片，具有網格狀微孔結構的濾光片，設置多個孔，并將孔的內壁側表面相對于襯底的前表面的法線是傾斜的。

3.總結

ASML公司在EUV光源的研究涉及到了多個方面，提高光源功率、減少碎片污染物、提高光譜純度等，目前實用化，用于線寬13納米的的半導體芯片量產，并相關方面進一步研究，ASML有望于2024年實現線寬8nm的EUVL設備的量產。ASML在EUV光刻設備方面已然處于壟斷地位，國內雖然自上世紀九十年代起便開始關注并發展 EUV 技術，但是到目前為止，還無法掌握其的核心技術，面對壟斷，實現EUV高端光刻機國產化勢在必行。

作者簡介：

周勇，1981年5月，男，江蘇泰興人，博士，助理研究員，研究方向為全固態激光器，激光加工技術，微納結構的光學性質。