asml公司的EUV光刻设备的光源技术研究

周勇 孙宏

摘要：EUV光源是EUV光刻装置的核心部件，直接决定了光刻之后半导体芯片的线宽和生产效率。本文对ASM公司的EUV光源技术，改进和反污染技术进行来梳理。

关键词：EUV光源；光刻；ASML；激光等离子体源

多年来，集成电路技术的发展始终是随着光学光刻技术的不断创新所推进的。在摩尔定律的驱动下，光刻技术经历了接触/接近投影、扫描等倍投影、步进投影、缩小步进投影、步进扫描投影曝光方式的变革，曝光波长由436nm的h线向365nm的i线、继而到248nm的KrF到193nm的ArF准分子光源，而实现光刻进步的直接方法，是降低使用光源的波长，使用 193nmArF光源的干法光刻机，结合浸没式与光学邻近效应矫正等技术，其极限工艺节点可达 28nm。到了 2010年后，制程工艺尺寸进化到 22nm，已经超越浸没式 DUV极限，于是行业开始导入二次图形曝光工艺，以间接方式来制作线路。对于使用浸没式+二次图形曝光的 ArF光刻机，工艺节点的极限是 10nm。在从 32/28nm节点迈进 22/20nm节点时，由于光刻精度不足，需使用二次曝光等技术来实现，设备与制作成本双双提高，晶体管的单位成本首次出现不降反升。而极紫外光刻（EUVL）设备的高精度能帮助厂商减少光刻的工艺步骤，实现 7nm以下的晶圆量产[1]。

目前能够生产的EUVL的只有荷兰阿斯麦（ASML）一家，2017年EUVL设备采用13nmEUV作为光源，实现 13纳米的线宽，并且采用磁悬浮系统来加速掩模及工作台，吞吐量可达每小时 125片晶圆，目前，ASML在EUVL领域处于垄断地位。

1EUV光源

工业上对于EUV光源的基本要求是：足够高的带内极紫外辐射功率，对光学收集系统极低的污染以确保整个系统长时间稳定运行。获得EUV辐射光源主要有三种途径：同步辐射源、气体放电等离子体（DPP）和激光等离子体光源（LPP）。

同步辐射源是通过在真空中磁场能够使电子在环形加速器中做高速循环曲线运动，在沿运动轨道切线方向产生电磁波。这种方法产生的电磁波具有宽波段、高准直、高纯净、窄脉冲、高平行度、线偏振等优点，但同步辐射本身庞大、复杂的装置，昂贵的造价成本，缺乏灵活性，限制了其应用到商业光刻设备上。

放电等离子体源是通过在高压电极的阳极与阴极之间充入流体，当有强电流通过时会在其间形成环形磁场，这个磁场会压缩并电离处于两极之间的流体，从而形成等离子体，当等离子体电子温度达到足够高时就会产生EUV辐射。放电等离子体源可以获得相当大强度的EUV辐射，但等离子体产生过程的同时会对电机产生热负荷和腐蚀，造成关键元件部分的損坏，并伴随大量的碎屑，污染系统，很难维持长时间的稳定工作，因此阻碍了其在EUV光刻中的应用。

激光等离子体源是使用脉冲激光照射靶材，使其产生高能量等离子体。相比于其它产生方式，激光等离子体源具有更好的可控性和稳定性，不仅能够有效减少设备热负荷，大幅度提高光源工作频率，而且等离子体产生区域的空间稳定性和尺寸均可控，虽然同样存在碎屑的污染问题，但较放电等离子体光源要清洁得多。而激光等离子体源本身体积小、亮度高并且可以通过选择适当的燃料靶材和控制等离子体参数来实现极紫外等离子体光源输出波长的调谐，因此，是13.5nmEUVL的较为理想的光源。

2.ASML公司的EUV光源

ASML公司的EUV光刻设备采用的光源主要是放电等离子体源和激光等离子源；并在提高放电区的流体、降低放电元件的热危险、提高光源输出功率、减少光源中存在的碎片、提高光谱纯度等方便做了改进。

1999年ASML提出了放电等离子体源的方案，如图1所示，辐射源包括阳极110和阴极120，其中阴极具有中空环形腔，具有围绕辐射源的中心轴的环形孔123，沿阳极和阴极之间的中心轴供应工作流体，气化的流体通过主喷射喷嘴163到达阳极和阴极之间的间隙，阳极和阴极之间高压放电，电离并压缩流体形成EUV等离子体。通过设置喷嘴，增加工作流体的密度和光源的重复频率。

为了克服放电元件过热的问题，ASML公司提出设置多个放电元件，每个放电元件只工作很短的时间，交替工作，避免过热的危险，同时为提高转换效率，将辐射源设置为低感应系数，并运行在自触发的状态。

在提高输出功率方面，ASML公司提出设置聚焦镜，将激光光束聚焦到等离子体产生位置，提高等离子体的转化效率；通过将多个辐射源的输出叠加来提高总的输出功率。还提出了通过提高激光器的输出功率来提高EUV光源的输出功率，如在激光器中设置放大器，对其输出功率进行放大，并设置光学元件限定通过放大器的辐射的发散束路径；将多个光纤激光器布置在光轴中，激光器发射的辐射指向光轴，并最终聚焦在辐射的共同焦点上，提高激光的总功率。

如何尽量减少光源中的污染物也是ASML公司的EUV光源的重要技术方向，主要采用施加电场捕获碎片、箔阱捕捉碎片颗粒、采用气体减缓装置引导碎片、采用磁场引导碎片离开收集器、采用氢根流清洁收集器反射镜。施加电场捕获碎片污染物，电压源连接到污染物屏障，在这样的电极与辐射源LA之间产生所需电场，去除由辐射源产生的污染物。具有箔俘获的激光产生的等离子辐射系统，包括NI收集器（NI=法线入射）和箔俘获，辐射源包括激光产生的等离子体源，NI收集器使辐射两次通过箔俘获，防止碎片污染物通过。通过设置气体供给系统，产生第一气流将产生的碎片热能化，设置多个气体歧管，被放置在靠近收集器反射镜的位置处，将被热能化的碎片朝向等离子体引导，避免沉积到收集器反射镜；通过设置磁场发生器产生磁场强度梯度的磁场，以将碎片引导离开辐射收集器。通过将氢根流提供到收集器反射镜上，设置清洁装置用于提供氢根流，用于清洁收集器反射镜的污染物。

不管采用何种方式的EUV光源，都会产生多种波长的辐射激光输出，而通常需要的是EUV波段的辐射源，而其他波长的辐射则需要通过滤波片滤除。ASML公司主要采用光谱纯度滤光片技术来实现，如衍射格栅的衍射滤光片，多层膜结构的滤光片，具有多个孔的滤光片，具有网格状微孔结构的滤光片，设置多个孔，并将孔的内壁侧表面相对于衬底的前表面的法线是倾斜的。

3.总结

ASML公司在EUV光源的研究涉及到了多个方面，提高光源功率、减少碎片污染物、提高光谱纯度等，目前实用化，用于线宽13纳米的的半导体芯片量产，并相关方面进一步研究，ASML有望于2024年实现线宽8nm的EUVL设备的量产。ASML在EUV光刻设备方面已然处于垄断地位，国内虽然自上世纪九十年代起便开始关注并发展 EUV 技术，但是到目前为止，还无法掌握其的核心技术，面对垄断，实现EUV高端光刻机国产化势在必行。

作者简介：

周勇，1981年5月，男，江苏泰兴人，博士，助理研究员，研究方向为全固态激光器，激光加工技术，微纳结构的光学性质。