EUV光刻新方案，大幅降低成本！

本文討論了一種具有簡化照明系統的簡單、低成本、高效率的雙鏡片物鏡系統。與目前的六鏡片極紫外投影物鏡系統相比，極紫外光源的輸出功率需求可降低 1/10。以每小時 100 片晶圓的處理速度計算，所需的 EUV 光源功率僅為 20 瓦。全新設計的投影物鏡可實現 0.2 NA（20 毫米領域）和 0.3 NA（10 毫米領域），可組裝成類似於 DUV 投影物鏡系統的圓柱型裝置，具有出色的機械穩定性，且更易於組裝/維護。極紫外光通過位於衍射錐兩側的兩個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。簡化的照明系統提供對稱的四極離軸照明，繞過了中心遮蔽，提高了空間解析度，還實現了柯勒照明。理論解析度極限為 24 納米（20 毫米視場），圖像縮小係數 x5，物像距離 (OID) 2000 毫米。使用曲面掩模後，物像距離高度可降低到（OID）1500 毫米，解析度為 16 納米（10 毫米視場）。它將適用於移動終端應用的小尺寸晶片生產以及最新的chiplet晶片技術。

1. 引言

在過去的幾十年裡，人們一直致力於超紫外光刻技術的廣泛研發和大量投資。直徑近 1 米的高精度多層反射鏡和高功率 EUV 光源等關鍵部件已經研製成功。數值孔徑（NA）為 0.33 的量產型光刻機目前已投入使用。然而，要使 EUV 光刻技術被廣泛接受為大批次製造的可靠工具，它必須在經濟上是可行的。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，我們必須努力實現可持續發展目標。晶片行業在開發下一代產品時，應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，利用現有技術在合理的時間範圍內滿足性能要求。因此，我們專注於內聯雙鏡片組態的低數值孔徑(low NA)光刻技術，如圖 1 所示。這種方法有助於降低成本和節約用電。

EUV極紫外光刻的反射鏡在每次反射時會吸收 30% 以上的 EUV 功率。目前的曝光工具在投射物鏡系統有六個反射鏡，在照明鏡片系統中有四個反射鏡，因此從 EUV 源到晶片的功率傳輸相當低。相比之下，本文提出的簡化照明器的雙鏡投影儀使用兩個串聯的反射鏡，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 光刻系統的耗電量減少了 92%。這將使光刻機系統功耗從大約 1 兆瓦降低到 80 千瓦。此外，驅動雷射光源系統的冷卻水流量也將大大減少。中間聚焦時所需的極紫外光功率為 20 W，每台工具的吞吐量為每小時 100 個晶片。極紫外光源的設計得到簡化，從而降低了投資和維護成本，提高了可靠性。在這一功率水平下，可在照明系統靠近EUV collector採集器的焦點 (IF) 位置周圍安裝一個薄膜窗口，類似於掩膜上的薄膜，以防止電漿源產生碎片，從而保護昂貴的掩膜和反射鏡。由於 EUV 光源的弱點，現有 EUV 工具的掃描速度通常比光學掃描器慢。然而，通過使用本文提出的系統，我們可以提高實際輸出到晶圓的EUV功率，從而加快掃描速度，提高生產率。

投影鏡的表面粗糙度會影響影像品質。為此，我們進行了大量技術研發，以實現超精密表面。特別是微米範圍內的中頻粗糙度會嚴重影響圖像對比度，這與自然界中的霧現象相同。在同步輻射光源裝置中，反射鏡表面經常會出現碳污染，這也會導致圖像對比度下降。EUV 光刻系統的表面清潔度會好很多，但我們也要小心碳污染。建議減少物鏡系統中的反射鏡數量，以獲得高對比度的圖像並長期保持。

還應注意的是，EUV 光源的 CO2 雷射器通過光學器件傳輸的紅外光對晶片的加熱會影響套刻精度overlay控制。在本文所研究的系統中，EUV 光源功率和 CO2 驅動雷射器功率降低了 10 倍，從而消除了這一問題。

在較低的數值孔徑 NA 值下，光學像差校正更容易，因為光線在軸線附近運行。只需要兩個非球面反射鏡就能覆蓋相當寬的像場。光學模擬證實，NA 0.2將為2米高的物鏡系統提供 20 毫米大小的像場。與浸沒式光刻機 ArFi 相比，低 NA EUV的解析度更高，因為它的波長更短，僅為 13.5 納米，比 ArF 的 193納米短 15 倍。臨界尺寸或解析度由阿貝方程決定：

其中 k1 代表工藝係數，λ 代表波長，NA 代表數值孔徑。空間解析度在兩種情況下確定：

其中k1在EUV和 ArFi 情況下分別等於0.36和0.27。使用這種低NA值EUV，有可能在24 nm半間距上實現單次成像圖案化。請參閱後面關於超紫外光中 k1 = 0.35 的章節。

另一個重要問題是焦深 (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係式：

這個等式告訴我們，低數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 k2 = 1。很明顯，低數值孔徑（low NA）極紫外光對於較大的 DOF 具有優勢。此外，與在光罩上使用離軸照明的傳統極紫外光刻物鏡系統相比，內嵌式物鏡不會因照明均勻化需求而在焦點周圍出現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 簡化了對掩膜和晶片平整度以及焦點控制的要求。這也使曲面掩膜更容易實現，這將在後面的章節中討論。

軸對稱光學器件在軸線周圍提供均勻的圖像對比度，簡化了光源掩膜協同最佳化 (SMO)。傳統的四極照明就足夠了。此外，AM2雙物鏡系統的最大反射角與表面法線的夾角僅為 5.5 度。這使得非對稱瞳孔光暈極小，沒有偏振依賴性，也沒有與多層鍍膜相關的相位變化。

在超紫外波長下，必須考慮量子力學效應，特別是較高的光子能量可能會降低圖案效果，這就是所謂的隨機效應。光子能量的計算公式為

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。由於隨機泊松分佈，這導致更差的 LER（線邊緣粗糙度）。隨機現象造成的缺陷限制了光刻工藝穩定性。我們必須記住，大規模生產邏輯電路所需的接觸故障率必須小於 3 x 10e-11。目前，許多研發團隊正致力於瞭解相關機制，並提出了新型光刻膠材料來克服這些挑戰。不過，這些解決方案可能還需要一段時間才能問世。在此期間，建議使用 NA 值較低的投影物鏡，並採用較寬的線間距。成本更低的 EUV 光刻技術可能會使用多重圖案化技術實現更窄的線寬。同樣重要的是，雙鏡投影物鏡系統可以提供更多的光子，有助於減少統計隨機噪聲問題。

如圖1所示，雙鏡投影物鏡安裝在一個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，形成一個整體，具有機械穩定性、易於裝配、校準和更換以及密封性好、防塵等優點。因此，資本化投資和維護成本更低，可靠性更高。

2. 像差校正光學器件

2.1 雙鏡等半徑組態的像差校正

EUV 光刻技術需要僅使用反射鏡的平面場像散器。

Petzval 和規則是平場投影儀的核心原理。在雙鏡組態中

其中 R 是鏡面曲率。雙鏡投影物鏡的最基本組態應由正負功率鏡面組成，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 ”組態，如圖 2 所示。當兩個反射鏡之間的距離為 L = 0.86 R 時，副反射鏡 M2 上的物體（OBJ）會投射到第一反射鏡 M1 上的圖像（IMG）上，從而校正三階球面像差。

為了建立一個功能性投影儀，我們需要調整鏡面曲率，將頂點（OBJ 和 IMG）通過中心孔向外拉。這會破壞 Petzval-sum 規則，導致像差。必須引入非球面反射鏡來校正像差，但由於自由非球面參數數量有限（僅有兩個反射鏡可用），數值孔徑和視場大小受到限制。

等半徑結構被命名為 MET：2008 年，R. M. Hudyma 和 R. Soufli 作為超紫外投影物鏡對其進行了仔細研究。數值孔徑（NA）為 0.3 的 MET 是為了演示 30 納米半間距成像而設計的。其中一個設計假定了一個虛擬透射掩膜和一個內嵌式投影物鏡，其組態與圖 1 類似，但照明必須通過虛擬透射掩膜提供。非球面反射鏡用於校正像差，產生的殘餘均方根（rms）波前誤差為 0.027l。該投影儀結構緊湊，物像距離（OID）為 276 毫米。然而，由於其視場僅限於 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具有巨大的潛力。

2.2 擴大視野

要擴大磁場尺寸，需要增加投影物鏡的長度。假設工具高度在實際半導體工廠可接受的最大尺寸範圍內：

要保持 Petzval-sum 規則，鏡面 M2 的位置必須足夠靠近晶片。假設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 表面之間的距離應大於 40-50 毫米。如下圖所示，兩個曲率非常接近（相差在 0.3% 以內）的鏡面可獲得更寬的視野。

OpTaLix 模擬器預測 NA = 0.2 時的視場為 20 毫米，涵蓋 100 毫米的全掩膜視場。圖像縮小係數為 1/5。我們還可以引入曲面掩膜，以消除殘留視場曲面誤差，從而縮短工具高度並減少波前誤差，這將在後面討論。

2.3 雙鏡投影儀的實際設計

光學射線模擬結果如圖 3 所示，其中 AM1 和 AM2 為軸對稱非球面反射鏡。為了將光照匯入投影物鏡，需要一個寬敞的空間來容納 AM1 鏡和掩膜之間的圓柱鏡。這導致放大係數為 x5，相當於 MET，而不是標準放大係數 x4。光罩掃描區域的尺寸為 100 毫米（20 毫米 x 5），與當前光罩設計的 104 毫米（26 毫米 x 4）相匹配。NA 0.2 時的模擬結果彙總於表-1 和表-2。

表 1. 雙鏡投影儀參數表。

表-2：非球面設計參數（OpTaLix 輸出）

模擬假設鏡面完美，反射率為 100%。實際上，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，會產生振幅和相位差。我們需要進一步仔細模擬，包括多層反射層，這將導致非球面曲率的變化，儘管這種變化很小。實際上，我們需要用干涉儀在可見光波長下測量反射鏡的質量。

晶片側是遠心的，但掩膜側不是。因此，主光線是傾斜的；在視場邊緣傾斜 1.6 度（~50 毫米/2000 毫米弧度）。考慮到衍射錐的半形（NA/5= 0.04 弧度=2.4 度），掩膜邊緣多層反射層塗層的最大反射角為 4 度。該角度小於鉬/硅多層塗層的 12 度截止角，因此對比度損失最小。離焦仍會導致圖案偏移，100 nm 的晶片高度誤差會導致場邊緣出現 3 nm 的偏移。這種偏移是可以接受的。

請注意，來自不同場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，這就遮擋了衍射訊號的中心部分。利用傅立葉分析法可分別估算焦平面中央遮擋的影響（見後文）。

圖 4 和圖 5 顯示了波前像差和光斑圖。光程差在小像高時誤差較小，但在像場邊緣，由於殘餘像差，光程差達到了 0.05倍波長的極限。由於 NA 值較低，在視場邊緣的 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。如果我們採用傾斜照明，高頻份量就會開始通過投影物鏡，解析度就會提高，但是會出現明顯像差。幸運的是，圖 4 中的光程差是軸對稱的（實際上是圓柱對稱的），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。還需要進一步的詳細研究。

2.4 曲面遮罩選項

由於反射鏡的數量有限，投影圖像並不是完全平坦和彎曲的。如圖 4 所示，最佳聚焦點隨視場高度的變化而變化，從而導致波前誤差。如果我們引入如圖 6 所示的曲面掩膜，就可以補償 y 場曲線。我們設計的掩膜曲率與 Petzval 場曲率相匹配，如下所示、

其中 Rcurve 是曲面掩膜的理論最佳半徑。實際上，OpTaLix 預測的球差補償半徑略小。

通過引入曲面掩模，增加了設計參數的自由度，即我們可以降低工具高度，也可以增加 AM2 鏡面的厚度。表 3 總結了使用曲面掩膜時的設計參數，這些參數能滿足Strehl ratio比大於 0.99 的要求。與光罩寬度相比，彎曲半徑大，彎曲量相對較小，光罩上不存在機械問題，橫向圖案偏移可以整合到圖案設計中。我們照常製作平面光罩，然後將光罩安裝在掃描器上設計有曲線的卡盤上時進行彎曲。需要與光罩開發人員和圖案設計人員進一步討論。

表 3：曲面光罩的設計參數。

2.5 失真

眾所周知，畸變會導致光刻機成像圖像模糊。在雙鏡式投影儀中，放大率隨軸向距離的增加而減小，從而導致特有的 “桶形 ”畸變，這可以用數學方法來描述：

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，由於徑向畸變，掩膜上一個點的線性掃描運動被投射為彎曲軌跡（虛線）。正如後面所討論的，我們使用了與中心分開的雙線場。由於較小的間隔會減少圖像塗抹，因此我們將間隔最小化為兩個在軸線上相切的掃描寬度。

如圖 7 所示，畸變效應將 A 點移至 A'點，邊緣上的 B 點移至 B'點。根據 A'和 B'之間的高度差，我們可以得出晶片上的塗抹偏移。使用公式 (13a)、(13b)，其中 m 是圖像放大係數 m = 5。當我們在掩膜上使用 w = 2.5 mm、y0 = 50 mm 時，晶片上的塗抹寬度變為 9 nm。在中央部分，彎曲軌跡與掃描運動更加平行，均方根值大約變為三分之一：3 nm。這將是生成 24 nm 半間距特徵尺寸時可接受的水平。

3. 中心遮蔽

雙鏡聯機投影物鏡的設計不可避免地會出現因反射鏡上的中心光束孔而產生的遮蔽問題。關鍵問題是如何消除 “禁止成像間距”。僅靠投影機設計不可能完全避免這一問題，但我們可以切實減少對投影圖案的影響。要解決這個問題，有三種策略：

(1) 儘可能縮小光束孔。

(2) 最佳化離軸照明。

(3) 最佳化部分相干係數。

圖 8 顯示了中心光束孔。在本文中，為了區分遮蔽係數和部分相干係數，我們使用希臘大寫字母作為遮蔽係數，小寫字母作為部分相干係數。

中心孔的設計是為了通過 NA 值為 0.2 的光束，光束邊緣周圍有 2 毫米的間隙。AM1 的遮擋通常小於 AM2，因此我們只討論 AM2。

如圖 8 所示，歸一化孔尺寸（遮蔽係數）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。我們在晶片附近製作了 AM2 副反射鏡，以保持 Petzval-sum 規則。這一決定也有助於減小光束孔的大小。

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佈，如圖 12 所示。如果水平和垂直方向上的四倍光斑（0-階衍射）的間距大於遮擋物的尺寸，則衍射不會被遮擋孔遮擋。在目前的設計中，顯然滿足以下條件。

在交錯接觸通孔的特殊情況下，衍射圖樣應具有 60 度的旋轉對稱性，因此仍有機會在被遮擋區域進入禁止間距區間。我們可以通過部分相干源來挽救部分遮擋點。由於部分相干因子大於遮蔽率，即 σx = 0.25 > Σx = 0.13，衍射光斑的擴散寬度將大於中心孔寬度，因此損失的衍射光斑將得到挽救，如圖 12 和圖 14 所示。

還需要進一步研究，包括利用計算光刻技術進行源掩模最佳化 (SMO) 和光學鄰近校正 (OPC)。

為了避開中心遮擋並提高空間解析度，EUV 光通過位於衍射光錐兩側的兩個窄圓柱形反射鏡引入掩膜前方。這提供了均勻化照明光場，減少了掩膜三維效應。簡化的照明系統提供了對稱的四極離軸照明，繞過了中心遮擋，提高了空間解析度，還實現了柯勒照明。為避免圓柱鏡的阻擋衍射，引入了雙線場概念。技術細節目前正在設計階段，不久的將來將在另一篇論文中介紹。

4. 部分相干光源

如果使用點光源照明，靠近邊緣的頻率成分會被光圈急劇切斷（硬邊緣切割），這通常會在圖像上造成刀口衍射效應。為避免這一問題，光學光刻通常使用部分相干光源。

部分相干係數的定義如下。

在點光源的情況下，σ=0。

在傳統的紫外光刻中，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，因此部分相干光會彌補孔洞問題。

我們將分別討論 x 和 y 方向的光源大小。首先討論 x 方向。掃描場的寬度很窄：2.5 毫米寬，因此極紫外電漿體光源的自然角散佈滿足所需的角散佈。如圖 10 所示，我們假定 x 方向上每個分段鏡的收集角為 1 弧度。錫電漿體的直徑約為 100 um，我們從中切割出 50 um 寬的電漿體，然後通過照明器放大 50 倍，以 2.5 mm 寬線場的形式傳送到掩膜。由於相空間面積通過線性光學得以保持 (與粒子加速器中的發射守恆定律相同），角發散被絕熱地減少了 1/50，因此掩膜上的角散佈變為 20 mrad。與入口瞳孔直徑 2 x NA/m= 2 x 0.2/5 = 80 mrad 相比，部分相干因子變為 σx=20/80=0.25，符合要求的值。

在 y 方向上，照明裝置將光擴展為 100 毫米寬的線寬，以覆蓋掩膜的尺寸。然而，這導致角度發散極小，無法滿足所需的部分相乾性。為了增加 Y 方向的發散，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 於 1999 年為曲面掃描場引入的。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係數。

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係數 σx = 0.25，σy = 0.2。兩個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，因此反射鏡上應該有 10-15% 的余量來校正像差。

四個照明光點在瞳孔大小附近對稱分佈，與軸線成 45 度角。可用解析度由頻率寬度決定，即 2NA cos(45) = 1.4NA。因此，臨界尺寸變為：

5. 四極照明下的成像能力

本節介紹了成像分析的初步結果，說明了四極照明下中心遮擋和兩個圓柱鏡陰影的影響。還需要進一步的最佳化工作來研究各種邏輯模式、兩個圓柱形反射鏡的間距以及部分相干和瞳孔填充係數。這個問題與線掃描狹縫和中心孔損失的光子有關，而這些光子損失又會反映到所需的 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，我們在投影儀上有足夠的 EUV 功率來最佳化（也包括瞳孔填充因子）各種邏輯圖案的合理對比度，這對我們的目的來說已經足夠了。

菲涅爾數 F 定義為 F = a2 /Lλ，其中 a 是特徵尺寸，L 是與物體的距離，λ 是入射波長。對於邏輯圖案的 1 微米場，距離掩膜表面只有 1 毫米，F = 0.07 <<1，因此衍射變成了弗勞恩霍夫機制，即我們可以用傅立葉變換來處理衍射。對於納米圖案，F 總是非常小，處於夫琅和費狀態。

如圖 3 所示，衍射從 AM2 傳播到 AM1，在 AM1 和 AM2 之間，來自不同場高的光線在焦平面上交叉，產生掩膜圖像的傅立葉圖案。如圖 8 所示，三個圓圈表示軸和兩個場邊緣上的衍射錐。與直徑相比，位移量相對較小，因此我們用場中心的衍射來近似成像能力。如圖 8 所示，AM2 的中心遮擋率高於 AM1，因此我們估計 AM2 的遮擋率。

圖 12 顯示了 27 nm HP 半間距垂直線的 FFT 分析。從左到右依次為測試圖案、焦平面衍射、與原點 0 次對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，而陰影並非全黑。這是由於非零光源尺寸，即 50 nm -mrad 的相位空間（△x, △x'）（見圖 10），使鏡子的陰影模糊不清。

值得注意的是，強烈的衍射形成了一個矩形，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較小。這一點在水平線上不會改變。

圖 13 顯示了垂直線兩側的強度。可以看出，對比度並沒有因為中央遮擋而減弱，反而略有增強。這可以解釋如下。孔洞中訊號的損失相當於增加了一個相位偏移 180 度的訊號，其增強對比度的方式類似於相位移掩膜。

圖 14 是 35 nm 交錯接觸通孔的 FFT快速傅里葉分析。從左到右依次為測試圖案、焦平面衍射、與原點 0 次對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入孔洞，因此對比度變低。正如 Jo Finders 等人所討論的那樣，三極或六極離軸照明適用於解析度更高、對比度更好的成像。然而，本文提出的系統是基於四極的照明，可能不是交錯通孔陣列成像的最佳選擇。儘管如此，該系統還是簡單且經濟可行的。

6. 總結和評論

• 本文研究的全新 EUV 光刻技術的主要特點是
• 低功耗 ，預期達到< 1/10的現有EUV光刻裝置功耗（將目前EUV光刻系統的 1 兆瓦的功耗降至 100 千瓦）
• EUV 光源硬體更簡單，成本更低，使用壽命更長。
• 簡單的雙鏡投影物鏡降低了投資成本，使設計更加可靠。
• 更易於維護。

走窄線型路線。

• 能夠以 24 nm HP半間距（0.2NA，20 mm 光場）的單次成像能力進行多重圖案化是一種合理的策略。需要注意的是，光刻工藝成本會更低。
• 0.3 NA（16 nm HP，10 mm 光場）可通過曲面掩膜實現。10 毫米 x 26 毫米的光場尺寸適合移動應用。
• 與 “chiplet ”設計完美結合。

作者建議盡快進行原理驗證實驗，有可能採用半比例模型，即 OID 1000 毫米、0.2 NA、10 毫米光場（帶或不帶曲面掩膜）。 (半導體行業觀察)