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在毫米级晶圆上，绘制纳米级图案（二）

  • 三星电子晶圆代工事业部的EUV单图案最小节距（Minimum Pitch Single Patterning）

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三星电子晶圆代工事业部在国际互连技术大会（IITC, International Interconnect Technology Conference）上发表了一篇主题为“EUV Minimum Pitch Single Patterning（EUV单图案最小节距）”的论文。我们为此特别准备了这篇博文，希望将论文内容和EUV（极紫光外刻）技术的特点分享给更多人。 1. 用更细的笔即可画出更细的线！ 在上一篇博文中，我们了解了光刻技术（Photolithography）所面临的阻碍，并在文章结尾处提到了如何从根本上解决光的性质带来的局限性，即缩短波长，因为不同的波长会带来不同程度的衍射现象。而短波长，能够缩小衍射的扩散角度，最终克服光刻工艺的局限性。如图[1]所示，正如想要画出细线就需要细毛笔一样，想要突破绘制的局限，用波长更短的光即可。
图[1] 波长 (Wavelength) 变短类似于画图的毛笔变细。
图[1] 波长 (Wavelength) 变短类似于画图的毛笔变细。
图[1] 波长 (Wavelength) 变短类似于画图的毛笔变细。
因此，如图[2]所示，为了绘制更小的图案，光刻工艺经历了绘制所用光的波长逐渐变短的发展历程。
图[2] 大体来说，光刻工艺使用的光从灯泡光照变为了激光。具体到激光，则是从利用 Kr（氪，Krypton）的 KrF （氟化氪）激光发展到利用 Ar（氩，Argon）的 ArF （氟化氩）激光来改变光源，达到缩短波长的目的。
图[2] 大体来说，光刻工艺使用的光从灯泡光照变为了激光。具体到激光，则是从利用 Kr（氪，Krypton）的 KrF （氟化氪）激光发展到利用 Ar（氩，Argon）的 ArF （氟化氩）激光来改变光源，达到缩短波长的目的。
图[2] 大体来说，光刻工艺使用的光从灯泡光照变为了激光。具体到激光，则是从利用 Kr（氪，Krypton）的 KrF （氟化氪）激光发展到利用 Ar（氩，Argon）的 ArF （氟化氩）激光来改变光源，达到缩短波长的目的。
然而，为了满足制作更小晶体管的需求，ArF (193 nm) 的波长也不够短。于是，EUV (极紫光，Extreme Ultra Violet) 应运而生了。 2. EUV (极紫光，Extreme Ultra Violet) 的出师表 为了打破波长的局限性，EUV 解决方案如同彗星一般登场！ EUV 最大的特点就是波长短。为了达到精密绘制的目的，我们需要短的波长，从而需要引入 EUV。 正如图[3]所示，我们使用的是波长极短的 EUV，只有 13.5 nm。
图[3] 将波长与我们所熟知物体的大小进行类比。先前使用的 ArF 是波长为 193 nm的一种 DUV (深紫外光，Deep UV)，而波长为 13.5 nm的 EUV 甚至比分子更小。
图[3] 将波长与我们所熟知物体的大小进行类比。先前使用的 ArF 是波长为 193 nm的一种 DUV (深紫外光，Deep UV)，而波长为 13.5 nm的 EUV 甚至比分子更小。
图[3] 将波长与我们所熟知物体的大小进行类比。先前使用的 ArF 是波长为 193 nm的一种 DUV (深紫外光，Deep UV)，而波长为 13.5 nm的 EUV 甚至比分子更小。
先前使用的 ArF 的波长为 193 nm，而 EVU 的波长仅为 13.5 nm，就波长的差异而言，EUV 本身可以说是一个巨大的变化。那么，光刻工艺在应用了这一巨大变化的主角 EUV 之后，又具备了什么特点呢？让我们来仔细了解一下。
A. 强大的等离子体发出的短波 在上方的图[3]中，可以看到组成彩虹颜色的光的范围。按照波长由长到短的顺序，依次罗列了能够烧伤人们皮肤的紫外线、可穿透肌肉的 X 射线，还有强大到能够杀死癌细胞的伽玛射线。我们也可由此看出，波长越短的光，所蕴含的能量就越大。而相应地，在发射更短波长的光时，需要的能量也通常会更多。做个类比，想要打出全垒打，棒球就要飞得更远、更快，那么挥舞棒球棒的力度也要更大。然而，先前用于发射 DUV 光的激光，不具备足够的能量，无法发出我们所需的短波。因此，如图[4]所示，EUV 使用了处于极高能量状态的等离子体（Plasma），即气体被分离为电子和离子的状态，是固体、液体、气体之外的另外一种物质状态，具有很高的能量。
图[4] 让 CO2 激光（Laser）与掉落的 Sn（锡）准确碰撞来产生等离子体，并使用镜子将等离子体生成的光集合起来，最终产生 EUV。
图[4] 让 CO2 激光（Laser）与掉落的 Sn（锡）准确碰撞来产生等离子体，并使用镜子将等离子体生成的光集合起来，最终产生 EUV。
图[4] 让 CO2 激光（Laser）与掉落的 Sn（锡）准确碰撞来产生等离子体，并使用镜子将等离子体生成的光集合起来，最终产生 EUV。
如图[4]所示，产生 EUV 必须使用一种特制的工具：集合光的镜子！ 镜子，不仅可用来产生 EUV，更是使用 EUV 的整个工艺流程中不可或缺的重要因素。下面就让我们来了解一下 EUV 技术中的核心要素：镜子。 B. 反射光学 - 使用镜子而非放大镜 光的特点是波长越短，就越容易被其它物质吸收。EUV 的波长极短，甚至能被大气吸收。而为防止这种情况出现，EUV 设备（使用了 EUV 的光刻工艺设备）在工序开始前，先将内部进行了真空处理。在操作 EUV 工艺时使用镜子，也是为了减少光被吸收的类似情况：假如让波长极短的 EUV 通过透镜，则会被透镜大量吸收。因此，通过用镜子替代先前的透镜，让光进行反射而非透射，则可以减少吸收量。只有极大降低吸收量从而让光像图[5]一样安全地到达光刻胶，才能进行完整的绘制。
图[5] 直到 DUV，光刻技术都一直在使用透镜，而 EUV 波长较短，使用透镜会加大吸收率。为改善这一问题，我们使用了吸收率相对较低的反射模式，即通过镜子来实现。
图[5] 直到 DUV，光刻技术都一直在使用透镜，而 EUV 波长较短，使用透镜会加大吸收率。为改善这一问题，我们使用了吸收率相对较低的反射模式，即通过镜子来实现。
图[5] 直到 DUV，光刻技术都一直在使用透镜，而 EUV 波长较短，使用透镜会加大吸收率。为改善这一问题，我们使用了吸收率相对较低的反射模式，即通过镜子来实现。
讲到这里，大家可能会产生一个疑问。用来透射光的掩膜怎么办？ 利用 EUV 的光刻工艺中所用的掩膜同样是运用反射原理制成的。如图[6]所示，将原本(a)形式，遮挡和透射光的掩膜，换成像 (b) 形式，反射和吸收光的掩膜。
图[6] 为了尽可能降低吸收率，EUV 掩膜使用了 Mo（钼）和 Si（硅）多层叠加结构的反射镜，并通过充当保护膜角色的保护层（Protection）来保护镜子。不应出现反射现象的区域，则使用吸收层（Absorber）（TaN）来吸收光。
图[6] 为了尽可能降低吸收率，EUV 掩膜使用了 Mo（钼）和 Si（硅）多层叠加结构的反射镜，并通过充当保护膜角色的保护层（Protection）来保护镜子。不应出现反射现象的区域，则使用吸收层（Absorber）（TaN）来吸收光。
图[6] 为了尽可能降低吸收率，EUV 掩膜使用了 Mo（钼）和 Si（硅）多层叠加结构的反射镜，并通过充当保护膜角色的保护层（Protection）来保护镜子。不应出现反射现象的区域，则使用吸收层（Absorber）（TaN）来吸收光。
通过图[7]，可以直观地了解以上关于 EUV 光刻工艺的解释。
图[7] 展示了 EUV 光刻工艺的整个曝光（向晶片上照射光的）过程。
图[7] 展示了 EUV 光刻工艺的整个曝光（向晶片上照射光的）过程。
图[7] 展示了 EUV 光刻工艺的整个曝光（向晶片上照射光的）过程。
下面再对 EUV 和 ArF 进行简单的比较，对比内容如图[8]所示。
图[8] ArF 光刻工艺利用激光产生光，并使用透镜（Lens）和透射型(Transmittive)掩膜。EUV 则与之不同，它利用等离子体产生光，并使用镜子 (Mirror) 和反射型(Reflective)掩膜。
图[8] ArF 光刻工艺利用激光产生光，并使用透镜（Lens）和透射型(Transmittive)掩膜。EUV 则与之不同，它利用等离子体产生光，并使用镜子 (Mirror) 和反射型(Reflective)掩膜。
图[8] ArF 光刻工艺利用激光产生光，并使用透镜（Lens）和透射型(Transmittive)掩膜。EUV 则与之不同，它利用等离子体产生光，并使用镜子 (Mirror) 和反射型(Reflective)掩膜。
如图[8]所示，EUV 光刻工艺与先前的工艺完全不同，可以画出之前无法画出的更小图案。然而， EUV 的优势，并不仅仅在于能够画出更小的图案。
3. 画出以前难以实现的图案，省去反复绘制的麻烦，一次搞定！ 在前面的第一章博文中，我们介绍到，为了打破波长的局限性，一个图案不得不分成几次进行绘制。这就是 MPT (多重图案技术，Multiple Patterning Technology)。MPT 技术虽然具有绘制小图案的优势，但如图[9](a)所示，它的缺点是需要多个掩膜，而且需要进行多次工序操作。然而使用波长较短的 EUV 时，就可以像图[9](b)一样，仅通过一个掩膜和一次工序，便绘制出图案。
图[9] 使用四个相同掩膜进行绘制的 ArF 和仅使用一个掩膜进行绘制的 EUV。
图[9] 使用四个相同掩膜进行绘制的 ArF 和仅使用一个掩膜进行绘制的 EUV。
图[9] 使用四个相同掩膜进行绘制的 ArF 和仅使用一个掩膜进行绘制的 EUV。
这种改进具有时间、良率和费用上的优势。
A. 时间 - 缩短了工序时间 在获取结果的过程中，如果步骤增多，相应地，耗时也会变长。举个简单的例子来说明，图[9]的(a)工厂做出一个面包需要四个小时，(b)工厂做一个面包则只需要一个小时。这是因为步骤的精简大大提升了工序的速度。 B. 良率 - 降低污染，提高良率 多个步骤，就意味着相应存在多次污染的可能。比如白色黏土，反复揉捏，就容易变脏。在半导体工艺中，污染是导致良率降低的原因，而 EUV 可减少污染，从而起到提高良率的作用。 C. 费用 - 降低掩膜制作成本 制作掩膜也需要成本。原本的工艺需要制作多张掩膜，但使用 EUV 后，所需的掩膜会减少到一张，制作成本也相应减少。
4. 工欲善其事,必先利其器 如上所述，EUV 的出现给光刻工艺带来了很大优势，如今我们要做的，就是努力去探索如何才能更加有效地利用这一利器。 在下一篇博文中，我们将带大家了解三星电子晶圆代工业务部，为了进一步提高 EUV 使用价值所开展的各项活动。
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