Kinas EUV-måleteknik tager form: Fra 193 nm DUV til 13,5 nm

Et økosystem omkring måling – ikke en færdig EUV-scanner

Avanceret chipproduktion bevæger sig mod stadig mindre strukturer og mere komplekse tredimensionelle transistorformer. EUV-litografi bruger lys med en bølgelængde på 13,5 nanometer, mens traditionelle DUV-systemer ofte arbejder ved 193 eller 248 nanometer. Når kritiske dimensioner, maskedefekter og transistorernes geometri krymper, skal måleudstyret kunne se mindre fejl uden at beskadige waferen og samtidig arbejde hurtigt nok til industriel brug.5532

Det, der er ved at tage form i Kina, er derfor først og fremmest et teknologisk økosystem omkring EUV-metrologi – altså måling, inspektion og proceskontrol. Det omfatter potentielt lyskilder, reflektive optikker, vakuumsystemer, detektorer, præcisionsplatforme, algoritmer og software til processtyring.

Det er ikke det samme som, at Kina har en EUV-litografimaskine, der er færdigudviklet og valideret til masseproduktion. Den afgørende prøve bliver, om de enkelte komponenter kan integreres i et system, der kan køre stabilt i lang tid, kalibreres løbende og kobles til virkelige procesdata fra en waferfabrik.

Hvorfor GAA-transistorer kræver mere avanceret inspektion

Overgangen fra FinFET til gate-all-around-transistorer (GAA) gør transistorstrukturerne mere tredimensionelle. Kanaler, gates og grænseflader kan ligge delvist under andre materialelag, hvilket gør det vanskeligt at vurdere kritiske dimensioner, sidevægsprofiler, forskydninger mellem lag og skjulte defekter med metoder, der primært ser overfladen.8

EUV’s fordel handler ikke kun om, at bølgelængden er kortere. Ved spredningsmåling påvirkes signalet kraftigt af både defektens størrelse og belysningens bølgelængde. Kortere lys kan derfor øge følsomheden over for defekter i nanometerskala, men det endelige resultat afhænger også af lyskildens effekt, optikken, detektorens støj, materialet på prøven og algoritmerne, der rekonstruerer strukturen.18

Metoder som EUV-spredningsmåling, coherent diffraction imaging (CDI) og reflektiv billeddannelse kan udlede strukturparametre fra diffraktionssignaler i stedet for at bruge en fysisk probe, der berører waferen. Det amerikanske National Institute of Standards and Technology (NIST) har eksempelvis brugt en bordmodelbaseret HHG-kilde til EUV-diffraktionsmåling af linje-mellemrum-strukturer under 50 nm. En anden undersøgelse viste enkelt-nanometer-følsomhed over for tredimensionelle egenskaber i en todimensionel forbindelsesstruktur.3334

Fotomasker skal helst inspiceres ved samme bølgelængde

En EUV-fotomask er ikke en simpel, gennemsigtig skabelon. Den består af en kompleks flerlags-reflektor, og visse fasefejl kan være vanskelige at vurdere ved andre bølgelængder end den, der bruges under eksponeringen.

Derfor er såkaldt actinic inspection vigtig: Masken undersøges ved den samme bølgelængde på 13,5 nm, som bruges i EUV-litografi. Det giver en mere direkte vurdering af, om en fejl faktisk kan overføres til waferen. Forskning peger især på, at 13,5 nm-inspektion er nødvendig for at identificere relevante fasefejl i EUV-maskers multilag.48

Det er en af grundene til, at HHG får så meget opmærksomhed. Teknologien kan producere EUV-lys med høj rumlig og tidsmæssig koherens, hvilket er nyttigt i koherent spredningsmikroskopi, diffraktionsmåling og linsefri billeddannelse. Samsung har offentligt beskrevet et system til geninspektion af EUV-maskedefekter, der benytter en separat HHG-kilde.42

Fire lyskilder – fire forskellige kompromiser

LPP: Mest effekt, størst kompleksitet

Laser-produced plasma (LPP) skabes typisk ved at ramme dråber af flydende tin med en kraftig laser. Det er den grundlæggende lyskilderute i ASML’s kommercielle EUV-systemer, hvor 13,5 nm-lys bruges til chipproduktion.55

LPP har den klare fordel, at effektniveauet ligger tættere på kravene til litografi og inspektion med højt gennemløb. Til gengæld kræver teknologien kraftige drivlasere, præcis kontrol af tindråber, håndtering af partikler, beskyttelse af samlerspejle, varmehåndtering og omfattende vedligeholdelse.

For en inspektionsmaskine kan LPP give et større potentiale for gennemløb. For en mindre virksomhed betyder den samtidig høje kapital-, udviklings- og servicekrav.

DPP: En mulig mere kompakt løsning

Discharge-produced plasma (DPP) skaber EUV-plasma gennem en elektrisk udladning. Løsningen kan i princippet være mere kompakt end store acceleratoranlæg og kan passe til dele af de effektniveauer, der kræves i metrologi. Kinesiske rapporter nævner DPP som en af de nationale udviklingsretninger.1726

Teknologien skal dog stadig håndtere elektrodeslid, partikler, ustabilt plasma, begrænset kildeliv og servicebehov. Det er ikke nok at kunne producere 13,5 nm-lys én gang; kilden skal også kunne køre kontinuerligt og forudsigeligt på en produktionslinje.

FEL og synkrotroner: Stærke forskningsværktøjer

Frie elektronlasere (FEL) og synkrotronlyskilder kan tilbyde høj lysstyrke, koherens og justerbar bølgelængde. Det gør dem velegnede til referencemålinger, materialeforskning, maskeanalyse og udvikling af processer.

De kræver imidlertid normalt store acceleratoranlæg med betydelige omkostninger og særlige driftsforhold. Derfor er de mindre egnede til direkte placering på en almindelig waferfabriks produktionsgulv. I praksis vil de snarere kunne fungere som forsknings- og kalibreringsplatforme, der leverer sammenligningsdata til mere kompakte måleværktøjer.

SSMB: En langsigtet vej til høj gennemsnitseffekt

Tsinghua-universitetets steady-state microbunching (SSMB) bruger en elektronstråle i en lagerring. En laser modulerer elektronerne i en undulator, så der dannes mikrobundter, som kan opretholdes fra omgang til omgang og skabe koherent stråling.124

SSMB forsøger dermed at kombinere lagerringens høje gentagelsesfrekvens med den koherente strålings høje lysstyrke. Forslagene sigter mod EUV ved 13,5 nm med høj gennemsnitseffekt og smal båndbredde. Nogle designmaterialer nævner et mål på over 1 kW pr. værktøj, men det er et udviklings- og designmål – ikke dokumentation for en færdig lyskilde, der er godkendt til produktion.310

De største udfordringer er stabil kontrol af elektronstrålen, lasermodulationen, lagerringen og strålekvaliteten samt anlæggets størrelse og pris. SSMB er derfor bedst forstået som en langsigtet kandidat til høj-effekt-EUV og ikke som den letteste vej til et kompakt måleværktøj.

Hvorfor HHG er en central kandidat til næste generation

High-harmonic generation (HHG) opstår, når en femtosekundlaser fokuseres i en gas eller et andet medium og skaber høje harmoniske i EUV- til blødrøntgenområdet.

Teknologien har flere attraktive egenskaber:

• Mulighed for bordmodeller: Den kræver ikke et stort synkrotronanlæg og kan indbygges i laboratorie- eller specialudstyr.
• Høj koherens: Det gavner CDI, spredningsmåling, ptychografi og inspektion af masker.
• Fleksible bølgelængder: Målingen kan tilpasses materialer, strukturer og beregningsmodeller.
• Ingen tindråbe-plasma: Det kan mindske problemer med partikel- og forureningskontrol.
• Ultrahurtige pulser: De er nyttige til tidsopløste målinger og materialeforskning.3544

HHG er især interessant i anvendelser, hvor høj koherens er vigtigere end litografisk effekt i stor skala. NIST har allerede gennemført EUV-målinger af kritiske dimensioner med en bordmodelbaseret HHG-kilde, og forskningslitteraturen fremhæver HHG som en vigtig retning for EUV-metrologi og billeddannelse.3335

Men begrænsningerne er tydelige. Konverteringseffektiviteten og den leverede EUV-effekt er relativt lave, mens stabilitet, gentagelsesfrekvens, optiske tab, levetid og scanning af store arealer fortsat skal forbedres.

En teknisk analyse af fuldformat-inspektion af EUV-masker har anslået, at konkrete anvendelser kan kræve omkring 1–100 mW fra lyskilden. Kravet varierer dog med defektfølsomhed, scanningsareal, signal-støj-forhold og gennemløb. Tallet bør derfor ikke opfattes som en universel tærskel for alle inspektionsværktøjer.51

Offentlige oplysninger viser, at ASML, Intel, Samsung og TSMC har brugt eller evalueret HHG-relaterede måle- og inspektionsteknologier.1824 Det bør dog ikke tolkes som, at HHG allerede har erstattet plasmabaserede kilder i alle højvolumen-værktøjer. Den offentlige dokumentation er stærkere for udviklingssystemer, specialiseret måling og forskning end for en bred, produktionsklar erstatning.

Kinas voksende nationale leverandørkæde

Offentlige rapporter peger på en tidlig kinesisk klynge af virksomheder inden for lyskilder, lasere, udstyr og systemintegration. Blandt de nævnte virksomheder er Huaxin Aurora, Langdao Technology, Yunqi Jiyao, Huari Laser og Haoyu Xinguang. Haoyu Xinguang forbindes især med HHG-sporet.17

På universitets- og forskningssiden er Tsinghua-universitetets SSMB-projekt den tydeligst dokumenterede kinesiske acceleratorbaserede udviklingslinje. Demonstrationen af princippet blev gennemført sammen med Helmholtz-Zentrum Berlin og det tyske nationale metrologiinstitut PTB. Det viser samtidig, at området kræver en stærk international baggrund inden for acceleratorer og målevidenskab.214

Et bæredygtigt nationalt økosystem skal dog kunne mere end at udvikle en lyskilde. Det skal også omfatte:

• EUV-kompatible vakuumsystemer, flerlagsreflektorer og kontrol af forurening;
• detektorer, præcisionsplatforme, justering, kalibrering og radiometri;
• modeller for spredning, billedrekonstruktion, defektklassifikation og proceskontrol;
• maskeblanker, pellicler, fotoresist, tynde film og teststrukturer på wafere;
• adgang til waferfabrikker, så måleresultater kan sammenholdes med faktisk printbarhed, elektriske egenskaber og udbytte.

Det er med andre ord ikke nok at tælle, hvor mange kinesiske virksomheder der arbejder med EUV-lyskilder. Man må også se på, om der findes leveringsklare systemer, stabile kalibreringsmetoder og en reel dataløkke fra måling til produktion.

Fem barrierer fra prototype til produktionsværktøj

1. Brugbar effekt og gennemløb

Den effekt, en lyskilde genererer, er ikke nødvendigvis den effekt, der når prøven. Optiske tab og detektorens effektivitet betyder, at værktøjet skal balancere følsomhed, scanningsareal, eksponeringstid og støj.

2. Stabilitet over lang tid

En waferfabrik har brug for et værktøj, der fungerer på tværs af skift og måneder – ikke kun en laboratorieopstilling, der præsterer godt i kort tid. Bølgelængde, dosis, retning, koherens og detektorrespons skal kunne overvåges, kalibreres og vedligeholdes.

3. Levetid og service

Lasere, plasmadele, vakuumsystemer, spejle og detektorer påvirker alle vedligeholdelsesintervallerne. Partikelforurening, forringelse af optikken og udskiftningsprisen på kritiske komponenter afgør i sidste ende værktøjets samlede ejeromkostning.

4. Målingen skal kunne ses på waferen

Et højopløseligt billede er ikke i sig selv målet. Systemet skal dokumentere, at målte kritiske dimensioner, overlay-fejl eller defektmønstre hænger sammen med den faktiske waferprintning, komponenternes elektriske egenskaber og fabrikkens udbytte.

5. Integration med proces og software

EUV-inspektion skal fungere sammen med masker, fotoresist, pellicler, tynde film, waferens topografi, automatiseret håndtering, dataformater og fabrikkens processtyringssystemer. Langvarig kundegodkendelse, sammenligninger med etablerede værktøjer og data fra drift i felten vil ofte være vigtigere end én vellykket demonstration.3050

Sådan kan man se, om økosystemet er modent

De mest interessante indikatorer er ikke alene, om et hold har produceret 13,5 nm-lys. Det afgørende er, om der findes dokumenterede data for:

• kontinuerlig drift over længere tid;
• brugbar effekt ved prøven og realistisk scanningshastighed;
• metrologisk kalibrering af defektmålinger;
• sammenhæng mellem EUV-resultater, elektronstrålemålinger, synkrotrondata og elektriske waferresultater;
• langvarig afprøvning og godkendelse hos en waferproducent.

Den mest plausible kinesiske vej ser derfor ud til at være trinvis: HHG kan først slå igennem i forskning, maskegeninspektion og specialiseret metrologi. DPP og andre kompakte plasmakilder kan forsøge at dække dele af in-line-målingen. Synkrotroner og SSMB kan fortsat levere avancerede forsknings- og referenceværktøjer, mens LPP sandsynligvis vil bevare en central rolle i de mest effekttunge anvendelser.

Kinas EUV-måleøkosystem er dermed begyndt at tage form, men der er stadig et tydeligt spring fra et økosystem af projekter og komponenter til masseproduktion. Det afgørende er ikke blot at skabe 13,5 nm-lys. Det er at samle lyskilde, optik, detektor, algoritmer, procesmaterialer og waferdata i et driftssikkert system, som en fabrik kan stole på.