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极紫外光源:极紫外光刻技术的“源头”

供稿人:卞志昕  供稿时间:2006-3-31   关键字:极紫外光刻  光刻  远紫外光刻  光源  
有一种说法是,现代文明是电子芯片驱动的。从航天事业到日常生活,电子芯片对于现代文明的影响无处不在。而这所有的芯片,又无一例外都是光刻工艺的产物。
 
芯片工业这二三十年来只有一个主题:把晶体管尽量做小,把尽可能多的晶体管做到一起。在这个不变的主题下,芯片工艺不断地更新。从最开始的2微米芯片工艺逐步微缩到目前的 0.15,0.13微米。
 
0.15,0.13 指的都是芯片工艺所能刻出的最小的尺度。而这个最小尺度主要是由光刻工艺所用光源的光波长决定的。所用的光波长越短,所能达到的尺度越小,所能取得的集成度越高。
 
也正是由于此,芯片工艺所用的光源从可见光过渡到紫外、远紫外,最后连远紫外的光源都无法满足技术的要求,极端远紫外 (EUVL)芯片工艺技术也就应运而生。而在极紫外光刻中,相当重要的一个环节就是极紫外光源的产生。

极紫外光源非常难设计,现有的激光器在极端紫外光谱输出功率低,无法达到光刻所需的能量要求。而让问题变得更复杂的是,极紫外光会被绝大多数的材料吸收,包括空气,传统的光刻透射投影设备等。

江苏大学成立等人为此研究了EUVL光源技术等问题,并将EUVL光源划分为同步辐射环、激光等离子体和循环低温Xe气高速喷射靶和液滴靶三大类,以下具体介绍这三类光源。

同步辐射环作为EUV光源
获取EUV光源的途径有二:同步辐射和激光等离子体。同步辐射实际上是环形加速器中做循环运动的高速电子经弯转磁体时,沿电子轨道切线方向上所发出的高强度电磁辐射。它具有高光强、高准直、波谱宽、线偏振、洁净度高等优点。使用同步辐射光源作为EUV光源的优点是技术成熟,运行稳定性和功率都相当高,小型化程度也很好,对光刻胶灵敏度要求低,芯片生产效率高。但采用同步辐射环作为EUV光源时,一旦储存环出了问题,芯片生产厂家将陷于瘫痪,故它不为IC芯片生产厂商所看好。该方法在专利中也未得到很好的体现。
激光等离子体光源
EUVL光源的产生方式主要有激光等离子体、高密度等离子体、球状箍缩等离子体和非线性光学等四种。其中激光等离子体产生的EUV光源具有丰富的软X射线,且技术成熟,它是用准分子激光轰击靶材产生EUV。由于EUVL是针对70nm以下的光刻手段,故它对于准分子激光的要求很高,如带宽、输出功率、稳定性、维护难易度、波长、相对波长稳定性、脉冲之间的能量稳定性、成本和安全性等。其中最为关键的是如何在高重复频率下保持窄带宽和无碎屑问题。该方法较有操作性,但需要改进,在最近的2篇专利中,也得到了验证。
 
法国COMMISSARIAT ENERGIE ATOMIQUE等几家公司于2005年6月14日申请的世界专利WO200600718中即采用激光束聚焦产生线性靶,靶和聚焦激光束相互作用发射出极紫外等离子辐射。该专利的光源还具有接受装置和收集装置,并适合于极紫外光刻制造IC集成电路的光源。
循环低温Xe气高速喷射靶和液滴靶
对于纳米级ULSI生产线而言,靶材要求承受不间断的全天候准分子激光器发出的最少1010次脉冲冲击,即在1kHz激光重复频率下连续使用3个月,另外还要求碎屑尺寸小于10nm及每一脉冲的成本小于10-6美元。靶材有固体靶(如金属锡)、循环低温气束(如氙气)和液滴靶三种。采用激光等离子体源轰击固体靶产生EUV光源的技术目前较成熟,但主要问题是等离子体轰击靶材会产生碎屑,这些碎屑对聚焦系统的反射镜面造成直接损害。
 
(1)固体靶
 
NAT INST OF ADV IND & TECHNOL于2003年6月23日申请的日本专利JP2005019441就采用了固体靶技术。该专利为了产生极紫外光刻光源,使用细小锡粒子作为发光材料,通过调节锡粒子至最佳值来得到高转换率。
 
(2)循环低温气束
 
循环低温Xe气高速喷射靶其原理是Xe气高速喷入真空系统,经过冷却后形成一定厚度的固态表层,激光等离子体源使固态表层气化并产生EUV光,这样就可大大减少碎屑。其缺点是光源功率不如固体靶那么高,且价格也相当昂贵。
 
英国BOC GROUP PLC和BREWSTER BARRIE DUDLEY在2004年9月20日就申请了相关专利WO2005045530。在该装置中的两个室中装有低温真空泵,靶材料(例如氙)提供辐射产生,且可经过纯化再次作为光源。其中低温冷冻器为低温纯化器和低温真空泵提供氙。
 
(3)液滴靶
 
液滴靶使液体通过一个直径仅为10μm左右的毛细管子,由于表面张力的作用,管口会形成液滴,所以产生EUV光。
 
法国原子能委员会于2000年10月17日在中国申请的中国专利CN1379968就涉及用于极紫外光刻技术的微米液滴的产生方法和装置。其方法主要是把加压的液体注入到非常小直径并向真空室内张开的喷嘴)内。通过把激光辐射聚束到浓雾上产生光。  
 
此外,法国原子能委员会还于2002年4月17日申请了中国专利CN1618259。同样也为极紫外光刻光源产生方法,其将激光束与致密的微液滴雾相互作用,此液体是液化的稀有气体。特别使用液体氙,通过气态氙的液化得到液体氙,用气态氙将液体氙加压到5×105~50×105Pa,此液体氙保持在-70~-20℃的温度下,将加压的液体氙注入到最小内径60~600μm的喷嘴中,此喷嘴的开口向着压力等于或小于10-1Pa的区域。
 
参考文献

1 成 立,王振宇,朱漪云等 制备纳米级ULSI的极紫外光刻技术 http://www.chinaemnet.com/ele/el055141.asp

2 EUVL——imaging the future 

3 Comparison of Different Source Concepts for EUVL

WO200600718

WO2005045530

CN1379968

CN1618259


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