La métrologie EUV chinoise se structure, du DUV à 193 nm aux mesures à 13,5 nm

La Chine ne dispose pas, selon les éléments publics cités ici, d’une machine de lithographie EUV nationale déjà validée pour la production en volume. En revanche, un écosystème plus large commence à se dessiner autour de la métrologie EUV : sources lumineuses, miroirs réfléchissants, vide, détecteurs, plateformes de positionnement, algorithmes de reconstruction et logiciels de contrôle des procédés.

Le véritable enjeu industriel ne consiste donc pas seulement à produire une lumière à 13,5 nm. Il faut encore intégrer tous ces composants dans un système capable de fonctionner pendant de longues périodes, d’être étalonné et de relier ses mesures aux résultats réels obtenus sur les wafers.

Pourquoi les transistors GAA poussent la métrologie vers l’EUV

Le passage des transistors FinFET aux transistors à grille tout autour — ou GAA, pour gate-all-around — rend les structures plus tridimensionnelles. Les canaux, les grilles et certaines interfaces sont partiellement enfouis ou recouverts par d’autres matériaux. Une méthode limitée à l’observation de la surface peut alors avoir du mal à déterminer les dimensions critiques, le profil des flancs, les décalages entre couches ou la présence de défauts enterrés. Les structures GAA sont ainsi considérées comme un facteur important de la demande pour des techniques de contrôle plus résolues, sans contact avec le wafer.8

La lithographie EUV utilise une longueur d’onde de 13,5 nm, contre 193 nm et 248 nm pour plusieurs systèmes traditionnels de DUV — ultraviolet profond. L’intérêt d’une longueur d’onde plus courte ne se résume pas à une meilleure résolution théorique : en diffusion, la taille du défaut et la longueur d’onde d’éclairage influencent fortement l’intensité du signal. Le passage à 13,5 nm peut donc améliorer la sensibilité aux défauts nanométriques, sous réserve des performances de la source, de l’optique, du détecteur, des matériaux et des algorithmes de reconstruction.1832

La métrologie EUV peut exploiter la scatterométrie, l’imagerie cohérente par diffraction — CDI — ou encore l’imagerie en réflexion. Ces méthodes déduisent les paramètres géométriques à partir des signaux diffractés au lieu de reposer uniquement sur une sonde qui toucherait le wafer. Le NIST a notamment utilisé une source HHG de laboratoire pour mesurer par diffraction des réseaux ligne-espace de dimensions critiques inférieures à 50 nm. Une autre étude a montré une sensibilité de l’ordre du nanomètre aux caractéristiques hors plan de structures d’interconnexion bidimensionnelles.3334

Les masques ont besoin d’une inspection à la même longueur d’onde

Un masque EUV n’est pas un simple support transparent : il comporte une structure complexe de couches réfléchissantes. Certains défauts de phase peuvent être difficiles à évaluer à une autre longueur d’onde, alors même qu’ils pourraient être transférés sur le wafer pendant l’exposition.

C’est le rôle de l’inspection actinique : observer le masque à 13,5 nm, c’est-à-dire à la longueur d’onde utilisée pour imprimer les motifs. Cette approche permet d’évaluer plus directement la capacité d’un défaut à devenir imprimable. Des travaux consacrés aux masques multicouches EUV soulignent notamment l’importance de cette longueur d’onde pour identifier les défauts de phase pertinents.48

Cette exigence explique en partie l’intérêt porté aux sources HHG. Elles peuvent produire une lumière EUV spatialement et temporellement cohérente, adaptée à la microscopie cohérente, à la diffraction, à la scatterométrie et à l’imagerie sans lentille. Samsung a déjà présenté un système de revue des défauts de masques EUV utilisant une source HHG autonome : cela montre que cette technologie est entrée dans le champ des équipements spécialisés et des instruments de recherche, sans prouver pour autant qu’elle constitue aujourd’hui la solution standard de la production en volume.42

Quatre grandes familles de sources, quatre compromis

LPP : la puissance, au prix d’une ingénierie lourde

Les sources LPP — laser-produced plasma, ou plasma produit par laser — utilisent généralement un laser de forte puissance pour frapper des gouttelettes d’étain liquide et produire un plasma émettant à 13,5 nm. Il s’agit de la voie retenue par ASML pour ses systèmes de lithographie EUV commerciaux.55

Son principal avantage est une puissance compatible avec les besoins de la lithographie et, potentiellement, de la métrologie à haut débit. En contrepartie, il faut gérer le laser de commande, les gouttelettes d’étain, les débris, la contamination des miroirs collecteurs, la dissipation thermique et la maintenance. Pour une jeune entreprise, cette architecture représente donc une barrière élevée en capital, en ingénierie et en services.

DPP : une piste plus compacte

Les sources DPP — discharge-produced plasma, ou plasma produit par décharge — forment le plasma au moyen d’une décharge électrique. Elles pourraient être plus compactes que les grandes installations d’accélérateurs et convenir à certains besoins de puissance en métrologie. Des publications consacrées aux initiatives chinoises citent cette voie parmi les options explorées.1726

Elles doivent néanmoins résoudre des problèmes d’usure des électrodes, de débris, de stabilité du plasma, de durée de vie et de maintenance. La capacité à émettre à 13,5 nm ne suffit pas à démontrer une aptitude à la production : la source doit également fonctionner de façon continue et prévisible.

FEL et synchrotrons : excellents pour la recherche, difficiles à installer en salle blanche

Les lasers à électrons libres — FEL — et les sources synchrotron offrent une forte brillance, une bonne cohérence et une certaine accordabilité. Elles sont particulièrement adaptées aux mesures de référence, à l’étude des matériaux, à l’analyse des masques et au développement des procédés.

Leur dépendance à de grandes infrastructures d’accélérateurs limite toutefois leur déploiement direct sur une ligne de production ordinaire. Elles pourraient d’abord jouer le rôle de plateformes de recherche et d’étalonnage, fournissant des données de référence aux instruments plus compacts.

SSMB : une ambition de forte puissance moyenne

Le concept de SSMB, ou steady-state microbunching — microfaisceaux en régime permanent — s’appuie sur un anneau de stockage. Un laser module le faisceau d’électrons dans un onduleur, puis les électrons forment des microfaisceaux qui peuvent entretenir un rayonnement cohérent à chaque tour de l’anneau.124

L’intérêt de la proposition portée par Tsinghua est de chercher à combiner la fréquence de répétition élevée d’un anneau de stockage avec la brillance d’un rayonnement cohérent. Les travaux publiés et présentés évoquent une source EUV à 13,5 nm et de forte puissance moyenne, avec des objectifs dépassant 1 kW par outil dans certaines architectures.310

Ces chiffres correspondent toutefois à des objectifs de conception et à des études d’ingénierie. Ils ne constituent pas la preuve qu’une source SSMB de ce niveau a été construite, intégrée dans un équipement industriel puis certifiée par une usine de fabrication de wafers. La stabilité du faisceau d’électrons, la modulation laser, le contrôle de l’anneau, la qualité du rayonnement, la taille des infrastructures et le coût restent des obstacles majeurs.

Pourquoi la HHG est une candidate importante pour la métrologie de demain

La génération d’harmoniques d’ordre élevé — HHG, pour high-harmonic generation — consiste à focaliser un laser femtoseconde dans un gaz ou un autre milieu afin de produire des harmoniques allant de l’EUV aux rayons X mous.3544

Par rapport aux sources de plasma à l’étain, la HHG présente plusieurs atouts :

• Un potentiel de système de table : elle ne nécessite pas une grande installation synchrotron et peut être intégrée dans un laboratoire ou un instrument spécialisé ;
• Une forte cohérence : elle favorise la diffraction cohérente, la scatterométrie, la ptychographie et l’imagerie des masques ;
• Une flexibilité spectrale : plusieurs bandes peuvent être sélectionnées selon le matériau ou la structure étudiée ;
• Moins de risques liés aux débris d’étain : elle évite le plasma de gouttelettes métalliques ;
• Des impulsions ultrarapides : elles ouvrent la voie à des mesures résolues en temps et à l’étude des matériaux.3544

La HHG est donc particulièrement intéressante lorsque la cohérence et la qualité du faisceau comptent davantage qu’une puissance comparable à celle d’un scanner de lithographie. Les expériences du NIST avec une source HHG de laboratoire illustrent son intérêt pour la diffractométrie EUV des structures nanométriques.33

Sa faiblesse reste sa puissance utile. Le rendement de conversion est faible et la stabilité, la fréquence de répétition, les pertes optiques, la durée de fonctionnement et le débit sur de grandes surfaces doivent encore progresser. Une analyse d’ingénierie de l’inspection complète de masques EUV a estimé que certaines applications pourraient demander environ 1 à 100 mW à la source. Ce besoin dépend cependant de la sensibilité visée, de la surface balayée, du rapport signal-bruit et du débit ; il ne s’agit pas d’un seuil universel pour tous les instruments.51

Des informations publiques indiquent qu’ASML, Intel, Samsung et TSMC ont utilisé ou évalué des technologies HHG dans des contextes de métrologie et d’inspection.1824 Il faut néanmoins interpréter ces éléments avec prudence : ils attestent surtout d’un intérêt industriel et d’une validation dans des instruments de développement ou des applications spécialisées, pas d’un remplacement généralisé des sources plasma dans les équipements de production à haut débit.

L’écosystème chinois : des sources aux systèmes complets

Les informations publiques citent plusieurs entreprises chinoises actives dans les sources, les lasers, les équipements ou l’intégration système : Huaxin Aurora (华芯极光), Langdao Technology (朗道科技), Yunqi Jiyao (云栖极耀), Huari Laser (华日激光) et Haoyu Xinguang (皓宇芯光). Les rôles rapportés couvrent différents maillons de la chaîne, tandis que Haoyu Xinguang est particulièrement associé à la voie HHG.17

Du côté académique, le programme SSMB de l’université Tsinghua constitue l’initiative chinoise d’origine accélérateur la plus documentée dans les sources citées. La démonstration de principe a été réalisée avec le Helmholtz-Zentrum Berlin et le Physikalisch-Technische Bundesanstalt, l’institut allemand de référence en métrologie. Cette coopération souligne l’importance des compétences internationales en physique des accélérateurs et en science de la mesure dans ce domaine.214

Pour devenir durable, l’écosystème devra toutefois aller bien au-delà de la source lumineuse :

• miroirs multicouches EUV, chambres à vide et contrôle de la contamination ;
• détecteurs, plateformes de précision, alignement, étalonnage et radiométrie ;
• modèles de diffusion, reconstruction d’images, classification des défauts et logiciels de contrôle des procédés ;
• substrats de masques, films, résines photosensibles et structures de test sur wafer ;
• coopération avec des fabricants de puces pour relier les mesures à l’impression réelle, aux caractéristiques électriques et au rendement.

Autrement dit, la « nationalisation » de la chaîne ne se mesure pas seulement au nombre d’entreprises produisant des sources EUV. Il faut aussi disposer d’un instrument livrable, d’un système d’étalonnage stable et d’une boucle de validation fondée sur des données de production réelles.

Les cinq barrières entre le prototype et l’outil de production

1. Puissance utile et débit

La puissance générée par la source n’est pas la puissance effectivement disponible sur l’échantillon. Les pertes dans les miroirs et les autres éléments optiques déterminent le nombre de photons réellement détectés. L’outil doit trouver un équilibre entre sensibilité aux défauts, surface analysée, temps d’exposition et bruit.

2. Stabilité sur le long terme

Une salle blanche a besoin d’un équipement capable de fonctionner sur plusieurs équipes et plusieurs mois, pas seulement d’un prototype performant pendant une courte démonstration. La longueur d’onde, la dose, le pointage, la cohérence et la réponse du détecteur doivent être surveillés, étalonnés et maintenus.

3. Durée de vie et maintenance

Lasers, composants plasma, miroirs, détecteurs et systèmes de vide influencent directement le coût total de possession. La contamination par les débris, la dégradation des performances optiques et le prix du remplacement des composants déterminent la fréquence des arrêts et la viabilité économique de l’outil.

4. Corrélation avec les résultats du wafer

Une image très résolue n’est pas une fin en soi. La machine doit démontrer que ses mesures de dimensions critiques, de superposition ou de défauts prédisent l’imprimabilité sur le wafer, les performances électriques des composants et le rendement. Sans cette corrélation, les données ont peu de chances d’intégrer le contrôle de production.3050

5. Intégration au procédé et aux logiciels

Un outil EUV doit être compatible avec les masques, les résines, les films, la topographie des wafers, l’automatisation de la manutention, les interfaces de données et les systèmes de contrôle de l’usine. Les cycles de qualification sont longs : les essais comparatifs et les données recueillies sur site comptent souvent davantage qu’une démonstration isolée.3050

Quels indicateurs permettront de juger la maturité chinoise ?

Les annonces à surveiller ne sont pas seulement celles qui mentionnent l’obtention d’une lumière à 13,5 nm. Les indicateurs les plus parlants seront plutôt :

• des données de fonctionnement continu ;
• la puissance utile au niveau de l’échantillon et le débit de balayage ;
• une métrologie traçable et correctement étalonnée ;
• une corrélation avec la microscopie électronique, les synchrotrons ou les mesures électriques des wafers ;
• des essais prolongés et une qualification par des fabricants de puces.

La trajectoire la plus plausible est graduelle. La HHG pourrait d’abord progresser dans la recherche, la revue des masques et les instruments spécialisés. Les sources DPP ou d’autres architectures plasma compactes pourraient viser certaines applications en ligne. Les synchrotrons et le SSMB continueraient à soutenir la science de la mesure et les sources de référence, tandis que les sources LPP resteraient centrales pour les applications demandant le plus de puissance.

L’écosystème chinois de métrologie EUV commence donc à prendre forme, mais il reste un écart important entre un écosystème de recherche et une production industrielle qualifiée. Le défi décisif n’est pas de fabriquer isolément des photons EUV : c’est d’intégrer source, optique, détecteur, algorithmes, matériaux et données de procédé dans un outil fiable, calibrable et capable de fonctionner au rythme d’une usine de semi-conducteurs.