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来
自公众号「
光刻人的世界
」，作者：
王丽萍，
谢谢。
摘要
：
极紫外光刻(EUVL)是半导体工业实现32～16nm技术节点的候选技术，而极紫外曝光光学系统是EUVL的核心部件，它主要由照明系统和微缩投影物镜组成。本文介绍了国内外现有的EUVL实验样机及其系统参数特性；总结了EUVL光学系统设计原则，分别综述了EUVL投影光学系统和照明光学系统的设计要求；描述了EUVL投影曝光系统及照明系统的设计方法；重点讨论了适用于22nm节点的EUVL非球面六镜投影光学系统，指出了改善EUVL照明均匀性的方法。
极紫外光刻(EUVL)是以波长为11～14nm的EUV射线为曝光光源的微电子光刻技术，适用于特征尺寸为32nm及更细线宽的集成电路的大批量生产。EUV光源的特点决定了EUVL必须采用镀有多层膜的反射光学元件。为满足光刻成像的质量要求，EUVL光学系统像差要控制在1nm以内。波像差需细致地分配到影响成像质量的每个细节因素之中，如反射镜基底、膜层厚度等等。由于元件工作面的中、高频粗糙度直接影响像面对比度和系统能量传输，元件的面形精度和粗糙度要达到深亚纳米量级。经过20年的发展，随着对波像差、元件面形粗糙度及多层膜厚度要求的改进和提高，EUVL的光学加工、装调及镀膜技术日趋成熟。光学元件面形误差及中、高频粗糙度加工精度达0.1nmrms的大口径EUVL元件已经集成到EUV光学系统中，EUV光学系统的波像差达到衍射极限。EUV光学技术的发展为与之有相似研究平台的科学领域，如空间光学、X射线显微镜、等离子体诊断等技术的进步提供了支持。本文详细介绍了现有EUVL实验样机及其光学系统的参数特性，总结了EUV光学系统设计原则，深入讨论了EUV投影曝光系统及照明系统设计方法。
随着极紫外投影光刻(EUVL)技术的不断进步，EUVL系统经历了可行性验证、关键技术评估、商业化生产3个发展阶段。根据不同阶段目标要求，该光学系统历经了一系列演变。
EUVL光学系统由照明系统和微缩投影光学系统组成，受其工作波段限制只能采用全反射式系统。而镀制了Mo/Si多层膜的反射元件，正入射时只能获得70%左右的反射率，因此，EUVL光学系统必须尽可能减少反射镜的个数。
微缩投影光学系统的设计指标体现了EUVL不同阶段的发展目标。考虑到扫描曝光时掩模和硅片位于系统同侧引起的硅片移动受限和光路内机械结构的遮拦等影响，光学系统设计宜采用少于8片的偶数片光学元件。
EUVL研究初期，日本NTT公司、美国LLNL以及美国(AT&T)公司采用非球面两镜曝光系统分别获得了100nm线宽/间距曝光条纹，论证了EUVL成为新一代光刻技术的可行性。此阶段的两镜系统设计有Schwarzschild、Offner及平场结构，其数值孔径(NA)取值接近0.1，后两者采用环形视场用于大视场、无遮拦、扫描曝光系统的初步研究。上述两镜系统均属于原理性实验装置，直到2000年，美国能源部下属的3个实验室开发出TS(EngineeringTestStand)原型机，EUVL向产业化迈进的技术路线才得到了验证。ETS实现了100nm分辨率全视场扫描曝光，真正奠定了EUVL向商业化发展的道路。该系统由4个反射镜组成，如图1所示，图中M1，M2，M4为非球面，M3为球面，镜面的面形精度达0.22nm，每个镜面均镀制有中心波长为13.4nm的Mo/Si多层反射膜。系统的NA为0.1，微缩比为4∶1，像方扫描视场为26mm×1.5mm的环形视场，成像分辨率<100nm，设计残差<0.25nmRMS值。装调后EUV干涉仪检测得到的系统波像差RMS值
达到1.2nm。
第一套ETS系统获得了100nm线宽/间距扫描曝光条纹，第二套Set2系统获得了60nm线宽/间距静态曝光条纹，如图2所示。
随着EUVL技术的发展及193nm浸液式光刻45nm节点的产业化技术的成熟，2000年后EUVL直接迈向32nm的技术节点。在此期间的关键任务是攻克实现32nm技术节点产业化的各项单元技术，如光学元件的制造、检测，掩模及抗蚀剂制造，真空系统及环境控制等，为商业化生产提供技术支持。Sematech、Nikon、Canon等公司均已成功研制了NA为0.3，微缩比为5∶1的小视场两镜曝光系统—MET、HINA、SFET见图3～6，为32nm技术节点商业化生产做出了技术积累与评估[11～16]。这些系统为掩模及抗蚀剂制造技术进一步发展提供了实验平台，亦可作为EUVL技术在生产条件下使用的测试平台，发现并解决量产过程中出现的问题。这是EUVL产业化过程中的关键阶段，各项技术在此阶段逐步走向成熟。2001年～2005年间，Sematech公司研制了4套MET，Nikon公司研制了3套HINA，在不断的技术改进过程中系统逐渐完善。MET光学系统由CarlZeiss公司提供，镜面的面形精度达0.21nm，像方曝光视场为0.2mm×0.6mm，装调后系统波像差RMS值达到0.7nm。Nikon公司的HINA的面型加工精度达到0.25nm[17]，HINA、SFET像方曝光视场均为0.3mm×0.5mm，装调后系统波像差RMS值达到0.9nm[18]。MET、HINA、SFET最终都获得了32nm线宽/间距曝光条纹，完成了32nm节点产业化技术评估。
2006年，ASML的两套Alpha样机ADT研制成功，分别交付美国CNSE与比利时IMEC。ADT是世界上第一台NA为0.25，可实现35nm线宽/间距分辨率、26mm×33mm全视场曝光的全功能EUV光刻设备，见图7。ADT的最初设计目标是为EUVL积累技术，因此，该设备的产量不高。投影光学系统系统包含6个反射镜，由CarlZeiss公司设计加工，镜面的面形精度达0.25nm，微缩比为4∶1，像方曝光视场为26mm×2mm的环形场，系统的成像分辨率<40nm，装调后EUV干涉仪检测得到的系统波像差RMS值达到1.1nm。2007年，ADT在80nm焦深范围内获得了32nm线宽/间距曝光条纹。目前ADT的研发目标是EUVL22nm及32nm技术节点的曝光光学系统3300B和3300C。
Nikon六镜系统EUV1(图8)的各视场波像差RMS均值达到0.4nm，获得了26nm节点(密线及单线)曝光图形。该系统环形曝光视场为26mm×2mm，微缩比为4∶1。图9为EUV1光学元件的低频、中频、高频粗糙度(Low-spatial-frequencyRoughness，LSFR;Mid-spatial-frequencyRoughness，MSFR;High-spatial-frequencyRoughness，HSFR)和功率谱密度(PowerSpectralDensity，PSD)，其系统反射元件的面形精度已达27pm。Canon公司六镜系统VSI仍处于研发阶段，两套系统都以实现EUVL的量产为目。
2008年，美国LBNL实验室设计了NA为0. 5的曝光系统MET2，为16～11 nm节点 EUVL技术研究做储备，设计分辨率为8nm的MET2将为大数值口径 EUVL系统研究提供帮助，促使半导体工业向新技术节点迈进。
今天,极紫外光刻已被认为是最有前景的光刻技术之一，其中，曝光光学系统性能直接决定着光刻图形质量。本文介绍了EUVL实验样机及其曝光系统设计，讨论了EUVL光学系统设计原则。对比分析了适用于22nm节点的EUVL非球面六镜投影光学系统，提出了改善EUVL照明均匀性的方法。
EUVL技术经过近20年的发展,在光学元件加工、系统检测、装调等关键单元技术方面均已逐步成熟。尽管随着技术的进步，未来的光刻技术将是多元化的，应用领域也会不断延深，但就占有率最大的半导体和微电子领域，极紫外光刻仍是最被期待的，有理由认为，EUVL很可能在22nm节点实现量产。
*本文节选于《中国光学与应用光学》第3卷 第5期
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