Kiinan EUV-mittauksen ekosysteemi on vasta muotoutumassa

Edistyneiden sirujen valmistus siirtyy yhä monimutkaisempiin kolmiulotteisiin rakenteisiin ja entistä pienempiin virheisiin. EUV-litografiassa käytetään 13,5 nanometrin aallonpituutta, kun taas perinteisen syvän ultraviolettivalon eli DUV:n mittausjärjestelmissä tavallisia aallonpituuksia ovat esimerkiksi 193 ja 248 nanometriä. Kun kriittiset mitat, maskivirheet ja transistorien kolmiulotteiset rakenteet pienenevät, mittauslaitteilta vaaditaan suurempaa erotuskykyä, riittävää nopeutta ja mahdollisimman vähäistä näytteeseen kohdistuvaa rasitusta.5532

Tässä yhteydessä Kiinassa ei ole kyse jo tuotannossa validoidusta kotimaisesta EUV-litografialaitteesta. Sen sijaan maahan on rakentumassa EUV-mittauksen ympärille tekninen ekosysteemi, johon kuuluvat valonlähteet, heijastavat optiikat, tyhjiöjärjestelmät, ilmaisimet, tarkkuusliikealustat, algoritmit ja prosessinohjausohjelmistot. Todellinen teollinen läpimurto riippuu siitä, saadaanko nämä osat yhdistettyä järjestelmäksi, joka toimii pitkään, voidaan kalibroida ja jonka mittaustulokset liittyvät suoraan kiekkojen valmistusdataan.

Miksi GAA-transistorit tarvitsevat EUV-mittausta?

FinFET-rakenteista gate-all-around- eli GAA-transistoreihin siirryttäessä kanavat, portit ja rajapinnat muuttuvat aiempaa selkeämmin kolmiulotteisiksi. Osa kriittisistä rakenteista voi sijaita myös peitekerrosten tai materiaalirajapintojen alla. Pelkästään pintaa tarkasteleva menetelmä ei tällöin välttämättä pysty määrittämään kriittisiä mittoja, sivuseinämien profiilia, kerrosten välistä kohdistusta tai rakenteisiin hautautuneita vikoja. Julkisissa arvioissa GAA-rakenteita pidetään yhtenä tekijänä, joka lisää uusien, korkean erotuskyvyn ja kosketuksettomien mittausmenetelmien tarvetta.8

13,5 nanometrin EUV:n arvo ei perustu ainoastaan siihen, että aallonpituus on lyhyempi. Sirontamittauksessa sekä vian koko että valaistuksen aallonpituus vaikuttavat voimakkaasti signaaliin. Lyhyempi aallonpituus voi parantaa herkkyyttä nanometriluokan vioille, mutta lopputulokseen vaikuttavat myös lähteen teho, optiikka, ilmaisimen kohina, näytteen materiaalit ja rakenteen rekonstruointiin käytettävät algoritmit.18

EUV-mittauksessa voidaan käyttää esimerkiksi sirontamittausta, koherenttia diffraktiokuvantamista (CDI) ja heijastuskuvantamista. Näissä rakenteen ominaisuuksia päätellään diffraktio- ja sirontasignaaleista sen sijaan, että mittausanturi koskettaisi kiekkoa suoraan. Yhdysvaltain kansallinen standardointi- ja teknologiainstituutti NIST on käyttänyt pöytäkokoista HHG-lähdettä alle 50 nanometrin viiva–väli-rakenteiden EUV-diffraktiomittauksiin. Toisessa tutkimuksessa EUV-sironnan osoitettiin olevan herkkä kaksiulotteisten yhdysrakenteiden pinnan ulkopuolisille piirteille yhden nanometrin luokassa.3334

Miksi EUV-maskit pitäisi tarkastaa samalla aallonpituudella?

EUV-maskit eivät ole läpinäkyviä kalvoja, vaan monimutkaisia monikerroksisia heijastavia rakenteita. Jotkin vaihevirheet voivat näyttää harmittomilta muilla aallonpituuksilla, vaikka ne siirtyisivätkin lopulta kiekolle todellisena painovirheenä. Siksi actinic inspection tarkoittaa yleensä tarkastusta samalla 13,5 nanometrin aallonpituudella, jota käytetään EUV-valotuksessa. Näin voidaan arvioida suoremmin, onko maskin virhe tulostuva eli siirtyykö se kiekolle.48

Tämä on yksi syy siihen, että HHG eli korkeamman harmonisen taajuuden tuotto on herättänyt kiinnostusta. Menetelmä voi tuottaa avaruudellisesti ja ajallisesti koherenttia EUV-valoa, joka sopii koherenttiin sirontamikroskopiaan, diffraktiomittauksiin ja linssittömään kuvantamiseen. Samsung on julkisissa aineistoissaan esitellyt erillisellä HHG-lähteellä toimivaa EUV-maskien vikojen tarkastusjärjestelmää. Tämä osoittaa ainakin sen, että HHG on tullut erikoistuneiden maskitarkastus- ja tutkimuslaitteiden tekniseen keskusteluun.42

EUV-valonlähteiden viisi kehityspolkua

LPP: eniten tehoreserviä, mutta myös suurin tekninen haaste

Laserilla tuotetussa plasmassa eli LPP:ssä suuritehoinen laser osuu nestemäiseen tinapisaraan ja synnyttää 13,5 nanometrin EUV-säteilyä. ASML:n kaupallisissa EUV-litografiajärjestelmissä käytetään tätä perusratkaisua.55

LPP:n etu on teho, joka vastaa paremmin litografian ja suuren läpimenon mittauksen vaatimuksia. Vastapainona ovat tehokas käyttölaser, tinapisaroiden hallinta, roskien torjunta, keräyspeilien likaantuminen, lämmönhallinta ja huolto. Mittauslaitteessa LPP voisi tarjota enemmän kapasiteettia, mutta samalla se nostaa investointi-, suunnittelu- ja palvelukynnystä.

DPP: kompaktimpi plasmakandidaatti

Purkauksen synnyttämässä plasmassa eli DPP:ssä EUV-plasma muodostetaan sähköpurkauksella. Järjestelmä voi olla suuria kiihdytinlaitoksia kompaktimpi, ja sitä on pidetty mahdollisena vaihtoehtona joihinkin mittauksen tehovaatimuksiin. Kiinasta julkaistuissa raporteissa DPP mainitaan yhtenä kehitettävistä reiteistä.1726

Ratkaisematta ovat kuitenkin muun muassa elektrodien kuluminen, roskat, plasman vakaus, lähteen käyttöikä ja pitkäaikainen huollettavuus. Tuotantolinjakelpoisuutta ei ratkaise se, syntyykö 13,5 nanometrin valoa hetkellisesti, vaan se, kestääkö lähde jatkuvaa käyttöä ja millaiseksi huoltoväli muodostuu.

FEL ja synkrotronit: vahvoja tutkimuksessa, vaikeita tehtaalla

Vapaiden elektronien laserit eli FEL-lähteet ja synkrotronit tarjoavat suuren kirkkauden, koherenssin ja säädettävyyden. Ne soveltuvat hyvin referenssimittauksiin, materiaalitutkimukseen, maskianalyysiin ja prosessien kehitykseen. Tyypillisesti ne kuitenkin edellyttävät suuria kiihdytinlaitoksia, joiden koko, hinta ja käyttöolosuhteet eivät sovi tavallisen kiekkojen valmistuslaitoksen tuotantolattialle.

Siksi kiihdytinpohjaiset lähteet toimivat todennäköisesti ensin mittausten vertailustandardeina ja tutkimusalustoina. Ne voivat tuottaa korkealaatuista vertailudataa kompaktimpien tuotantolaitteiden kehitykseen, mutta eivät välttämättä korvaa niitä suoraan.

SSMB: pitkän aikavälin suuritehoinen vaihtoehto

Tsinghuan yliopiston kehittämässä vakaassa mikroryhmittymisessä eli SSMB:ssä varastorenkaan elektronisuihkua muokataan laserilla ja undulaattorilla. Elektronit muodostavat mikroryhmittymiä, jotka säilyvät kierros kierrokselta ja tuottavat koherenttia säteilyä. Tsinghuan julkaisemissa tuloksissa SSMB:n perusperiaate on demonstroitu kokeellisesti, ja jatkosuunnitelmissa tähdätään 13,5 nanometrin, kapeakaistaiseen ja suuren keskimääräisen tehon EUV-säteilyyn.124

SSMB:n kiinnostavuus perustuu yritykseen yhdistää varastorenkaan suuri toistotaajuus koherentin säteilyn kirkkauteen. Suunnitteluaineistoissa on esitetty yli yhden kilowatin tavoite teollista työkalua kohti, mutta kyse on suunnittelu- ja tutkimusmittarista, ei jo rakennetusta ja kiekkojen valmistajalla hyväksytystä tuotantolähteestä.310

Haasteita ovat elektronisuihkun vakaus, laser-modulaatio, varastorenkaan ohjaus, säteen laatu, laitoksen koko ja järjestelmän kustannukset. SSMB on siten pikemminkin mahdollinen tulevaisuuden suuritehoisen EUV:n ratkaisu kuin nopeasti käyttöönotettava pöytämittauslaite.

HHG: seuraavan sukupolven mittauksen tärkeä ehdokas

HHG:ssä femtosekunnin laser kohdistetaan kaasuun tai muuhun väliaineeseen, jolloin syntyy EUV- ja pehmeän röntgenalueen harmonisia taajuuksia. Menetelmän keskeisiä etuja ovat:

• Pöytälaitteisiin sopiva mittakaava: se ei vaadi suurta synkrotronilaitosta.
• Suuri koherenssi: se tukee koherenttia diffraktiokuvantamista, sirontamittausta, ptykografiaa ja maskien tarkastusta.
• Aallonpituuden joustavuus: mittaus voidaan sovittaa materiaaliin, rakenteeseen ja laskentamalliin.
• Pienempi roskariski: lähde ei perustu tinapisaroiden plasmaan.
• Ultranopeat pulssit: niitä voidaan hyödyntää ajallisesti erotelluissa mittauksissa ja materiaalitutkimuksessa.3544

HHG sopii erityisesti tilanteisiin, joissa tarvitaan suurta koherenssia mutta ei litografian kaltaista valtavaa tehoa. NIST on jo käyttänyt pöytäkokoista HHG-lähdettä EUV-kriittisten mittojen diffraktiomittauksiin, ja alan tutkimuksessa HHG:tä pidetään tärkeänä EUV-mittauksen ja -kuvantamisen lähteenä.3335

Heikkoudet ovat yhtä selvät: muunnostehokkuus ja ulostuloteho ovat pieniä, ja säteen vakaus, jatkuva käyttö, toistotaajuus, optiset häviöt sekä laajojen alueiden skannausnopeus vaativat edelleen kehitystä. Eräässä EUV-maskien täyden koon tarkastelua käsittelevässä teknisessä analyysissä lähteen tehoksi arvioitiin sovelluksesta riippuen noin 1–100 milliwattia. Tarve vaihtelee kuitenkin muun muassa vikaherkkyyden, skannattavan alan, signaali-kohinasuhteen ja läpimenotavoitteen mukaan, joten yhtä lukua ei pidä tulkita kaikkien mittauslaitteiden yleiseksi rajaksi.51

Julkisten tietojen mukaan ASML, Intel, Samsung ja TSMC ovat käyttäneet tai arvioineet HHG:hen liittyviä mittaus- ja tarkastustekniikoita.1824 Tämä kertoo teollisuuden kiinnostuksesta, mutta ei tarkoita, että HHG olisi jo korvannut plasmalähteet tai olisi kaikkien suuren volyymin mittauslaitteiden vakiolähde.

Kiinan kotimainen ekosysteemi ulottuu valonlähdettä pidemmälle

Julkisissa raporteissa kiinalaisiksi toimijoiksi mainitaan Huaxin Aurora, Langdao Technology, Yunqi Jiyao, Huari Laser ja Haoyu Xinguang. Niiden kuvataan toimivan eri kohdissa ketjua: valonlähteissä, lasereissa, laitteissa ja järjestelmäintegraatiossa. Haoyu Xinguangin kerrotaan keskittyvän erityisesti HHG-reittiin.17

Yliopistotutkimuksessa Tsinghuan SSMB-ohjelma on selkeimmin dokumentoitu kiihdytinpohjainen hanke. Sen periaatekoe toteutettiin yhteistyössä Helmholtz-Zentrum Berlinin ja Saksan kansallisen fysikaalisen ja teknisen laitoksen kanssa. Tämä korostaa sitä, että ala nojaa edelleen laajaan kiihdytin- ja mittaustieteen osaamiseen sekä kansainväliseen yhteistyöhön.214

Toimiva kotimainen ekosysteemi tarvitsee valonlähteen lisäksi myös:

• EUV:n monikerrospeilejä, tyhjiökammioita ja kontaminaation hallintaa;
• ilmaisimia, tarkkuusalustoja, kohdistusta, kalibrointia ja säteilymittausta;
• sirontamalleja, kuvarekonstruktiota, vikojen luokittelua ja prosessinohjausohjelmistoja;
• maskiaihioita, suojakalvoja, fotoresistejä ja kiekkojen prosessitestirakenteita;
• yhteistyötä kiekkojen valmistajien kanssa, jotta mittaustulokset voidaan yhdistää todelliseen tulostettavuuteen, komponenttien sähköisiin ominaisuuksiin ja saantoon.

Toisin sanoen kotimaisuutta ei pitäisi arvioida vain sen perusteella, kuinka monta yritystä kehittää EUV-valonlähteitä. Olennaisempaa on, syntyykö toimitettava kokonaislaite, toimiva kalibrointijärjestelmä ja aito tuotantodatan palautesilmukka.

Viisi kynnystä laboratorionäytteestä tuotantolaitteeksi

1. Hyödyllinen teho ja läpimeno

Lähteen tuottama teho ei ole sama asia kuin näytteelle päätyvä, optiikan keräämä ja lopulta käyttökelpoiseksi signaaliksi muuttuva teho. Mittauslaitteen on tasapainotettava vikaherkkyys, skannausala, valotusaika ja kohina.

2. Pitkäaikainen vakaus

Kiekkojen valmistaja tarvitsee vuoroista ja kuukausista toiseen toimivan laitteen, ei vain lyhyessä kokeessa hyvin suoriutuvaa tutkimuslaitetta. Aallonpituutta, annosta, suuntausta, koherenssia ja ilmaisimen vastetta on pystyttävä seuraamaan, kalibroimaan ja huoltamaan.

3. Lähteen ja järjestelmän käyttöikä

Plasmakomponentit, laserit, tyhjiöjärjestelmä, peilit ja ilmaisimet vaikuttavat kaikki huoltoväliin. Roskat, optisten ominaisuuksien heikkeneminen ja kriittisten osien vaihtokustannukset näkyvät suoraan laitteen kokonaiskustannuksessa.

4. Mittaustuloksen on korreloitava kiekon tuloksen kanssa

Korkean erotuskyvyn kuva ei ole päämäärä itsessään. Laitteen on osoitettava, että sen mittaamat kriittiset mitat, kohdistusvirheet ja vikapiirteet ennustavat todellista kiekolle tulostuvaa rakennetta, komponenttien suorituskykyä ja saantoa. Muuten mittaustulosta on vaikea liittää tuotannon ohjaamiseen.

5. Prosessi- ja ohjelmistointegraatio

EUV-mittauksen on sovittava yhteen maskien, fotoresistien, ohutkalvojen, kiekon pinnan topografian, automaattisen käsittelyn, tietorajapintojen ja tehtaan prosessinohjausjärjestelmien kanssa. Pitkä asiakashyväksyntä, vertailumittaukset ja kenttäkäytön data ratkaisevat usein kaupallistamisen enemmän kuin yksittäinen laboratoriossa tehty demonstraatio.3050

Mistä kypsyys kannattaa tunnistaa?

Tärkein seurattava asia ei ole ilmoitus siitä, että jokin ryhmä on tuottanut 13,5 nanometrin valoa. Olennaisempia ovat todennettavat tulokset: jatkuvan käytön data, näytteelle päätyvä hyödyllinen teho, skannausnopeus, mittausten kalibrointi sekä korrelaatio elektronisuihkumittauksiin, synkrotronituloksiin tai kiekkojen sähköisiin ominaisuuksiin. Myös kiekkojen valmistajan pitkäaikainen testaus ja hyväksyntä ovat ratkaisevia.

Julkisten tietojen perusteella Kiinan mahdollinen etenemispolku on vaiheittainen. HHG voi edetä tutkimukseen, maskien vikojen tarkastukseen ja erikoistuneisiin mittalaitteisiin. DPP:n kaltaiset kompaktimmat plasmalähteet voivat tavoitella joitakin tuotantolinjan sovelluksia. Synkrotronit ja SSMB palvelevat edelleen korkean tason valonlähde- ja mittaustiedettä, kun taas LPP säilyttää asemansa suurinta tehoa ja läpimenoa vaativissa käyttökohteissa.

Kiinan EUV-mittauksen ekosysteemi on siis saanut ensimmäiset rakennuspalikkansa, mutta ekosysteemin syntyminen ja tuotantokelpoisen laitteen valmistuminen ovat kaksi eri asiaa. Ratkaisevaa ei ole pelkkä 13,5 nanometrin valon tuottaminen, vaan valonlähteen, optiikan, ilmaisimien, algoritmien, prosessimateriaalien ja kiekkojen valmistajien todentamisen yhdistäminen luotettavaksi tuotantotyökaluksi.