Čínský ekosystém EUV metrologie se formuje: od 193nm DUV k měření na 13,5 nm

Pokročilá výroba čipů posouvá kontrolu výrobního procesu k menším defektům a složitějším trojrozměrným strukturám. EUV litografie pracuje s vlnovou délkou 13,5 nm, zatímco tradiční hluboká ultrafialová metrologie běžně používá například 193 a 248 nm. S tím, jak se zmenšují kritické rozměry, vady masek i struktury tranzistorů, musí měřicí zařízení nabídnout vyšší rozlišení, dostatečnou rychlost a zároveň bezkontaktní a šetrnou kontrolu.5532

Důležité je rozlišovat mezi dvěma věcmi: veřejně dostupné informace nepotvrzují dokončený čínský EUV litografický stroj ověřený pro sériovou výrobu. Mnohem zřetelněji se rýsuje ekosystém zaměřený na EUV metrologii – tedy na měření a inspekci masek, waferů, překrytí vrstev a defektů. Příležitost se otevírá pro zdroje záření, zrcadla, vakuové systémy, detektory, přesné polohovací platformy, algoritmy i software pro řízení procesu. O skutečné industrializaci ale rozhodne až jejich integrace do dlouhodobě stabilního a kalibrovatelného systému, který dokáže pracovat s daty z továrny na čipy.

Proč GAA vyžaduje pokročilejší EUV měření

Přechod od tranzistorů FinFET k tranzistorům typu gate-all-around (GAA, s hradlem obepínajícím kanál) přináší výraznější trojrozměrnost. Kanály, hradla a rozhraní materiálů mohou být částečně skryté pod dalšími vrstvami. Metoda, která vidí pouze povrch, pak obtížně určí kritické rozměry, profil bočních stěn, posun mezi vrstvami nebo skryté vady. Veřejné zprávy označují GAA za jeden z faktorů, které zvyšují poptávku po bezkontaktním měření s vysokým rozlišením.8

Přínos 13,5nm EUV nespočívá jen ve zkrácení vlnové délky. U rozptylových měření ovlivňuje sílu signálu velikost defektu i použité osvětlení; kratší vlnová délka může zvýšit citlivost k nanometrovým vadám. Výsledek však závisí také na výkonu zdroje, optice, šumu detektoru, materiálu vzorku a algoritmu rekonstrukce.18

EUV metrologie může využívat rozptyl, koherentní difrakční zobrazování (CDI) nebo reflexní zobrazování. Z difrakčních signálů pak pomocí modelů dopočítává parametry struktury, místo aby se měřicí sonda musela waferu přímo dotknout. Americký Národní institut pro standardy a technologie (NIST) například použil stolní zdroj HHG k difrakčnímu měření liniových struktur s kritickým rozměrem pod 50 nm. Jiná studie ukázala u EUV rozptylového měření citlivost na mimorovinné rysy dvourozměrné propojovací struktury na úrovni jednotek nanometrů.3334

Proč masky potřebují kontrolu na stejné vlnové délce

EUV maska není průhledná šablona, ale složitá struktura s vícevrstvým reflexním filmem. Některé fázové defekty nemusí být při jiné vlnové délce snadno rozpoznatelné, přestože by se při expozici skutečně přenesly na wafer. Pojem „actinic inspection“ proto obvykle označuje kontrolu na stejné vlnové délce 13,5 nm, jaká se používá při expozici. Umožňuje přímo posuzovat takzvanou tisknutelnost defektů. Studie uvádějí, že tato vlnová délka je zvláště důležitá pro odhalení kritických fázových vad v mnohovrstvých EUV maskách.48

Právě zde získává pozornost vysokoharmonická generace (HHG). Dokáže vytvářet koherentní EUV záření s prostorovou i časovou koherencí, které se hodí pro koherentní rozptylovou mikroskopii, difrakční měření a bezčočkové zobrazování. Materiály společnosti Samsung popisovaly systém pro kontrolu a opětovnou analýzu defektů EUV masek s odděleným zdrojem HHG. To naznačuje, že se HHG dostala přinejmenším do vývoje specializovaných nástrojů pro kontrolu masek.42

Čtyři hlavní cesty k EUV zdroji

LPP: nejvyšší výkon, ale také největší složitost

Laserem generované plazma (LPP) vzniká tak, že vysoce výkonný laser zasáhne kapku tekutého cínu a vytvoří plazma vyzařující EUV o vlnové délce 13,5 nm. Na této základní cestě stojí komerční systémy EUV společnosti ASML.55

Výhodou LPP je výkon bližší požadavkům litografie a vysokokapacitní inspekce. Cena za něj je ale vysoká: systém potřebuje výkonný budicí laser, přesné řízení cínových kapek, ochranu proti úlomkům, čistotu kolektorového zrcadla, účinné chlazení a náročný servis. Pro měřicí zařízení může LPP nabídnout větší prostor pro vysokou propustnost, pro menší firmy však znamená výrazně vyšší kapitálové i provozní nároky.

DPP: kompaktnější kandidát

U výbojového plazmatu (DPP) vzniká EUV plazma elektrickým výbojem. Systém může být kompaktnější než velká urychlovačová zařízení a mohl by vyhovovat části výkonových požadavků metrologie. Čínské zprávy řadí DPP mezi domácí technologické směry.1726

Zůstávají ale problémy s opotřebením elektrod, úlomky, stabilitou plazmatu, životností zdroje a údržbou. Pro výrobní linku nestačí prokázat, že zdroj umí vytvořit záření na 13,5 nm. Musí také zvládnout nepřetržitý provoz a předvídatelné servisní intervaly.

FEL a synchrotronní zdroje: špičkové pro výzkum, nepraktické pro běžnou linku

Volnoelektronové lasery (FEL) a synchrotronní zdroje nabízejí vysoký jas, koherenci a možnost ladění. Jsou proto cenné pro referenční měření, výzkum materiálů, analýzu masek a vývoj procesů. Obvykle však vyžadují rozsáhlá urychlovačová zařízení, jejichž velikost, cena a provozní podmínky neodpovídají přímému nasazení na běžné výrobní lince.

Pravděpodobnější je jejich role v podobě výzkumných a kalibračních platforem, které poskytují vysoce kvalitní srovnávací data pro kompaktnější nástroje.

SSMB: dlouhodobý plán pro vysoký průměrný výkon

Stabilní mikrostrukturování svazku (SSMB) využívá elektronový svazek v úložném prstenci. Laserová modulace a undulátor vytvoří mikrostrukturu, která se při oběhu svazku udržuje a generuje koherentní záření. Práce vedené Univerzitou Tsinghua spolu s partnery prokázaly základní princip SSMB; navazující návrhy počítají s EUV zářením na 13,5 nm, vysokým průměrným výkonem a úzkou šířkou pásma.124

Přitažlivost SSMB spočívá ve snaze spojit vysokou opakovací frekvenci úložného prstence s jasem koherentního záření. Návrhové materiály uvádějí cíl přes 1 kW na nástroj, jde však o projektový a výzkumný parametr, nikoli o důkaz hotového zdroje certifikovaného pro sériovou výrobu.310

Mezi hlavní překážky patří stabilita elektronového svazku, laserová modulace, řízení prstence, kvalita svazku, velikost infrastruktury a náklady. SSMB je proto spíše dlouhodobou cestou, která by mohla změnit způsob dodávky vysoce výkonného EUV, než řešením pro rychlé nasazení v kompaktním měřicím přístroji.

Proč je HHG důležitým kandidátem nové generace metrologie

Vysokoharmonická generace vzniká, když se femtosekundový laser zaostří do plynu nebo jiného vhodného prostředí a vytvoří harmonické v oblasti EUV až měkkého rentgenového záření. Oproti zdrojům založeným na cínovém plazmatu má HHG několik potenciálních výhod:

• Stolní provedení: nevyžaduje rozsáhlé synchrotronní zařízení a může být součástí laboratorního nebo specializovaného měřicího nástroje;
• Vysoká koherence: podporuje koherentní difrakční zobrazování, rozptylovou metrologii, ptychografii a kontrolu masek;
• Flexibilní vlnová délka: umožňuje volit vhodné pásmo podle materiálu, struktury a měřicího modelu;
• Menší riziko znečištění úlomky: nepracuje s cínovými kapkami a jejich plazmatem;
• Ultrarychlé vlastnosti: hodí se pro časově rozlišená měření a výzkum materiálů.3544

HHG je zvláště zajímavá tam, kde je důležitá koherence a přesnost, ale nikoli výkon na úrovni potřebné pro vlastní expozici waferu. NIST už se stolním HHG zdrojem prováděl EUV difrakční měření kritických rozměrů a odborné práce řadí HHG mezi důležité zdroje pro budoucí EUV metrologii a zobrazování.3335

Slabiny jsou však stejně zřetelné: nízká konverzní účinnost a výstupní výkon, stabilita svazku, dlouhodobý provoz, opakovací frekvence, optické ztráty a propustnost při skenování velkých ploch. Analýza konstrukčních požadavků pro celoplošnou kontrolu EUV masek odhadla, že podle konkrétní aplikace může být zapotřebí výkon zdroje přibližně 1 až 100 mW. Požadavek se mění podle citlivosti na defekty, velikosti skenované plochy, poměru signálu k šumu a propustnosti; jedno číslo proto nelze považovat za univerzální hranici pro všechny nástroje.51

Veřejné materiály uvádějí, že společnosti ASML, Intel, Samsung a TSMC technologii HHG používaly nebo vyhodnocovaly v souvislosti s měřením a inspekcí.1824 To ale neznamená, že HHG už plošně nahradila plazmové zdroje ve všech vysokokapacitních výrobních zařízeních. Veřejné důkazy jsou výraznější u vývojových nástrojů, výzkumu actinické inspekce a specializovaných měření.

Čínský ekosystém: od zdroje k celému systému

Veřejné zprávy zmiňují čínské společnosti Huaxin Aurora, Langdao Technology, Yunqi Jiyao, Huari Laser a Haoyu Xinguang. Podle těchto zpráv působí v různých částech řetězce – od laserů a zdrojů přes zařízení až po systémovou integraci. Haoyu Xinguang se podle dostupných informací zaměřuje především na HHG.17

Nejzřetelněji zdokumentovanou univerzitní iniciativou v oblasti urychlovačových zdrojů je program SSMB na Univerzitě Tsinghua. Ověření základního principu vzniklo ve spolupráci s berlínským centrem Helmholtz-Zentrum Berlin a německým národním metrologickým institutem PTB, což ukazuje, že tento směr vyžaduje hluboké zázemí v urychlovačové fyzice a metrologii.214

Udržitelný domácí ekosystém ale musí pokrýt mnohem více než samotný zdroj:

• vícevrstvá EUV zrcadla, vakuové komory a kontrolu kontaminace;
• detektory, přesné platformy, ustavení, kalibraci a radiometrii;
• modely rozptylu, rekonstrukci obrazu, klasifikaci defektů a software pro řízení procesu;
• maskové blanky, pellicly, fotorezisty a testovací struktury waferů;
• spolupráci s výrobci čipů, která propojí naměřené výsledky s reálným tiskem, elektrickými vlastnostmi součástek a výtěžností.

Domácí soběstačnost se tedy nedá měřit pouze počtem firem vyvíjejících EUV zdroje. Podstatné je, zda vzniká dodávatelný kompletní nástroj, stabilní kalibrační systém a uzavřená smyčka založená na skutečných výrobních datech.

Pět překážek na cestě od prototypu k výrobnímu nástroji

1. Užitečný výkon a propustnost

Výkon vytvořený zdrojem není totožný s výkonem, který po ztrátách v optice dopadne na vzorek a promění se v užitečný signál. Nástroj musí vyvážit citlivost na defekty, velikost skenované plochy, expoziční čas a šum.

2. Dlouhodobá stabilita

Výrobní závod potřebuje zařízení, které stabilně pracuje napříč směnami a měsíci, nikoli jen aparaturu s dobrým výsledkem během krátké demonstrace. Je nutné průběžně sledovat a kalibrovat vlnovou délku, dávku, směr svazku, koherenci i odezvu detektoru.

3. Životnost zdroje a celého systému

Servisní intervaly ovlivňují plazmové komponenty, lasery, vakuové systémy, zrcadla i detektory. Kontaminace úlomky, postupný pokles optického výkonu a cena výměny klíčových součástí se přímo promítnou do celkových nákladů na vlastnictví.

4. Korelace s výsledkem na waferu

Samotný obraz s vysokým rozlišením není cílem. Nástroj musí prokázat, že naměřené kritické rozměry, chyba překrytí nebo charakteristika defektu dokážou předpovědět skutečný výsledek expozice, elektrické parametry součástek a výtěžnost. Bez této korelace se měření jen obtížně zapojí do řízení výroby.

5. Integrace procesu a softwaru

EUV metrologie musí fungovat s maskami, fotorezisty, pellicly, povrchovou topografií waferu, automatickou manipulací, datovými rozhraními a systémem řízení výrobního procesu. Dlouhé zákaznické ověřování, srovnávací testy a data z provozu často rozhodnou o komercializaci více než jednorázová laboratorní demonstrace.3050

Podle čeho poznat skutečnou vyspělost

Nejdůležitější nebude oznámení, že některý tým vytvořil záření o vlnové délce 13,5 nm. Rozhodující budou ověřitelné ukazatele: nepřetržitá provozní data, zveřejněný užitečný výkon na vzorku, skenovací propustnost, metrologická kalibrace výsledků, korelace s elektronovým svazkem, synchrotronem nebo elektrickými testy waferu a také dlouhodobé zkoušky či certifikace u výrobce čipů.

Na základě současných veřejných informací může čínská cesta postupovat po etapách. HHG může nejprve pronikat do výzkumu, kontroly masek a specializované metrologie. Kompaktnější plazmové zdroje, například DPP, mohou usilovat o vybrané aplikace přímo na lince. Synchrotronní zdroje a SSMB mohou dál sloužit jako výzkumná a metrologická infrastruktura, zatímco LPP si pravděpodobně zachová význam v nejvýkonnějších a nejrychlejších aplikacích.

Čínský ekosystém EUV metrologie tedy skutečně získává obrysy, od domácího vývoje zdrojů se posouvá k zařízení a systémové integraci. Mezi vznikem ekosystému a sériově vyráběným nástrojem však zůstává značná mezera. Rozhodne nikoli samotná schopnost vytvořit světlo o vlnové délce 13,5 nm, ale schopnost spojit zdroj, optiku, detektor, algoritmy, procesní materiály a data z výroby do spolehlivého nástroje ověřeného ve fabu.