Ekosistem Metrologi EUV China Mulai Terbentuk: Dari DUV 193 nm Menuju Pengukuran 13,5 nm

Industri chip canggih kini menghadapi struktur transistor tiga dimensi dan cacat berukuran semakin kecil. Litografi EUV menggunakan panjang gelombang 13,5 nanometer, sedangkan sistem pengukuran deep ultraviolet (DUV) tradisional umumnya bekerja pada 193 nm atau 248 nm. Ketika dimensi kritis, cacat mask, dan struktur transistor terus menyusut, peralatan inspeksi perlu menawarkan resolusi lebih tinggi, kecepatan memadai, serta pengukuran tanpa kontak dan tanpa merusak wafer.5532

Yang mulai terbentuk di China bukanlah mesin litografi EUV domestik yang sudah terbukti diproduksi secara massal. Perkembangannya lebih tepat dipahami sebagai ekosistem metrologi EUV: sumber cahaya, cermin reflektif, sistem vakum, detektor, platform gerak presisi, algoritma, dan perangkat lunak pengendalian proses menjadi berbagai titik masuk.

Hasil industrialisasi pada akhirnya bergantung pada kemampuan mengintegrasikan seluruh komponen tersebut menjadi sistem yang dapat beroperasi dalam jangka panjang, dikalibrasi secara konsisten, dan dihubungkan dengan data proses nyata dari pabrik wafer.

Mengapa transistor GAA membutuhkan inspeksi EUV

Peralihan dari FinFET ke transistor gate-all-around (GAA) membuat kanal, gate, dan antarmuka material memiliki karakter tiga dimensi yang lebih kuat. Sebagian struktur penting juga berada di bawah lapisan penutup atau di dalam antarmuka material. Metode inspeksi yang hanya mengamati permukaan akan kesulitan menilai dimensi kritis, profil dinding samping, pergeseran antar-lapisan, dan cacat tersembunyi. Laporan publik menyebut struktur GAA sebagai salah satu pendorong kebutuhan terhadap inspeksi baru yang beresolusi tinggi, cepat, dan nonkontak.8

Nilai EUV 13,5 nm bukan hanya karena panjang gelombangnya lebih pendek. Dalam pengukuran hamburan, ukuran cacat dan panjang gelombang iluminasi sangat memengaruhi kekuatan sinyal. Panjang gelombang yang lebih pendek dapat meningkatkan sensitivitas terhadap cacat berskala nanometer, meskipun hasil akhirnya juga ditentukan oleh daya sumber, sistem optik, noise detektor, material sampel, dan algoritma rekonstruksi.18

Teknik seperti scatterometry, coherent diffraction imaging (CDI), dan pencitraan reflektif dapat menggunakan sinyal difraksi untuk memperkirakan parameter struktur tanpa menyentuhkan probe langsung ke wafer. NIST, lembaga standar dan teknologi Amerika Serikat, telah menggunakan sumber HHG EUV meja laboratorium untuk mengukur struktur line-space dengan dimensi di bawah 50 nm. Studi lain menunjukkan bahwa scatterometry EUV mampu mendeteksi karakteristik struktur interkoneksi dua dimensi pada arah tegak lurus permukaan dengan sensitivitas hingga tingkat satu nanometer.3334

Mengapa mask perlu diperiksa pada panjang gelombang yang sama

Mask EUV bukan sekadar pelat transparan. Komponen ini memiliki struktur rumit berupa lapisan-lapisan reflektif. Cacat fase tertentu mungkin sulit dinilai pada panjang gelombang non-EUV, padahal cacat tersebut dapat benar-benar tercetak pada wafer.

Karena itu, istilah actinic inspection biasanya merujuk pada inspeksi menggunakan panjang gelombang yang sama dengan proses eksposur, yaitu 13,5 nm. Pendekatan ini membantu mengevaluasi secara lebih langsung apakah suatu cacat dapat tercetak pada wafer. Riset terkait menunjukkan bahwa inspeksi pada 13,5 nm sangat penting untuk mengenali cacat fase utama pada mask multilayer EUV.48

Kebutuhan tersebut turut mendorong perhatian terhadap high-harmonic generation (HHG). Teknologi ini dapat menghasilkan cahaya EUV dengan koherensi ruang dan waktu, sehingga sesuai untuk mikroskopi hamburan koheren, pengukuran difraksi, dan pencitraan tanpa lensa. Materi publik Samsung pernah memperkenalkan sistem inspeksi ulang cacat mask EUV yang menggunakan sumber HHG mandiri. Ini menunjukkan bahwa HHG setidaknya telah masuk ke dalam pembahasan teknis untuk peralatan khusus inspeksi mask dan riset.42

Empat jalur sumber cahaya EUV dan komprominya

LPP: daya paling menjanjikan, tetapi paling rumit

Laser-produced plasma (LPP) biasanya menggunakan laser berdaya tinggi untuk menembak tetesan timah cair dan menghasilkan plasma EUV 13,5 nm. Sistem EUV ASML menggunakan pendekatan dasar ini, dan materi produknya menunjukkan bahwa sumber 13,5 nm telah dipakai dalam sistem litografi EUV komersial.55

Keunggulan utama LPP adalah daya keluarannya yang lebih dekat dengan kebutuhan litografi dan inspeksi ber-throughput tinggi. Namun, teknologinya menuntut laser penggerak berdaya besar, pengendalian tetesan timah, mitigasi serpihan, perlindungan cermin kolektor dari kontaminasi, pengelolaan panas, serta pemeliharaan sistem.

Bagi peralatan inspeksi, LPP dapat menyediakan ruang throughput yang lebih besar. Bagi perusahaan rintisan, jalur ini juga berarti kebutuhan modal, rekayasa, dan layanan purnajual yang jauh lebih tinggi.

DPP: kandidat yang lebih ringkas

Discharge-produced plasma (DPP) menghasilkan plasma EUV melalui pelepasan listrik. Keunggulan potensialnya adalah sistem yang lebih ringkas dibandingkan fasilitas akselerator besar, serta kemungkinan kesesuaian dengan sebagian kebutuhan daya metrologi. Laporan terkait China menyebut DPP sebagai salah satu jalur yang sedang dieksplorasi di dalam negeri.1726

Namun, DPP masih harus mengatasi keausan elektroda, serpihan, kestabilan plasma, usia sumber, dan kebutuhan pemeliharaan jangka panjang. Kelayakannya untuk lini produksi tidak dapat diukur hanya dari kemampuan menghasilkan cahaya 13,5 nm; sumber tersebut juga harus mampu beroperasi terus-menerus dengan siklus perawatan yang sesuai kebutuhan pabrik wafer.

FEL dan sinkrotron: unggul untuk riset, tidak praktis untuk lini produksi umum

Free-electron laser (FEL) dan sumber sinkrotron memiliki keunggulan berupa kecerahan tinggi, koherensi, dan kemampuan penyetelan panjang gelombang. Karakteristik ini membuatnya cocok untuk pengukuran referensi, riset material, analisis mask, dan pengembangan proses.

Akan tetapi, keduanya umumnya bergantung pada fasilitas akselerator berukuran besar dengan biaya dan kondisi operasi yang tidak mendukung pemasangan langsung di lantai produksi pabrik wafer biasa.

Karena itu, sumber berbasis akselerator kemungkinan lebih dahulu berperan sebagai platform riset dan standar pengukuran. Fasilitas tersebut dapat menyediakan data pembanding berkualitas tinggi bagi sistem metrologi lain, bukan langsung menggantikan peralatan lini produksi yang lebih ringkas.

SSMB: kandidat jangka panjang untuk daya rata-rata tinggi

Steady-state microbunching (SSMB) yang dipimpin Tsinghua University menggunakan berkas elektron di dalam storage ring. Berkas tersebut dimodulasi oleh laser dan undulator sehingga membentuk mikrobunch, lalu mempertahankan struktur tersebut ketika beredar di dalam ring. Hasil demonstrasi prinsip yang dipublikasikan Tsinghua menunjukkan bahwa mekanisme dasar SSMB telah diuji secara eksperimental. Rancangan lanjutan menargetkan radiasi EUV 13,5 nm dengan daya rata-rata tinggi dan bandwidth sempit.124

Daya tarik SSMB terletak pada upayanya menggabungkan frekuensi pengulangan tinggi storage ring dengan kecerahan radiasi koheren. Materi desain terkait menargetkan daya lebih dari 1 kilowatt per alat, tetapi angka tersebut merupakan target rancangan dan riset rekayasa—bukan bukti bahwa sumbernya telah dibangun dan disertifikasi untuk produksi massal di pabrik wafer.310

Hambatan SSMB mencakup kestabilan berkas elektron, modulasi laser, kendali storage ring, kualitas berkas, skala fasilitas, dan biaya sistem. Dengan demikian, SSMB lebih tepat dilihat sebagai jalur jangka panjang yang berpotensi mengubah pasokan EUV berdaya tinggi, bukan solusi meja laboratorium yang paling cepat diterapkan.

Mengapa HHG menjadi kandidat penting untuk metrologi generasi berikutnya

High-harmonic generation (HHG) memfokuskan laser femtodetik ke gas atau medium lain untuk menghasilkan harmonik berorde tinggi dalam rentang EUV hingga sinar-X lunak. Dibandingkan sumber plasma berbasis timah, HHG umumnya memiliki beberapa karakteristik penting:

• Berpotensi berukuran meja laboratorium: tidak memerlukan fasilitas sinkrotron besar sehingga cocok untuk laboratorium dan peralatan pengukuran khusus;
• Koherensi tinggi: mendukung pencitraan difraksi koheren, scatterometry, ptychography, dan inspeksi ulang mask;
• Panjang gelombang fleksibel: memungkinkan pemilihan pita gelombang berdasarkan material, struktur, dan model pengukuran;
• Risiko serpihan lebih rendah: tidak bergantung pada plasma tetesan timah sehingga tekanan pengendalian kontaminasi terkait dapat dikurangi;
• Karakteristik ultracepat: berguna untuk pengukuran dengan resolusi waktu dan riset material.3544

HHG sangat menarik untuk aplikasi yang memerlukan koherensi tinggi tetapi belum tentu memerlukan daya sebesar sumber litografi. NIST telah menggunakan sumber HHG meja laboratorium untuk pengukuran difraksi dimensi kritis EUV, sementara sejumlah riset lain menempatkan HHG sebagai salah satu arah penting untuk metrologi dan pencitraan EUV.3335

Kelemahannya juga jelas. Efisiensi konversi dan daya keluaran masih rendah, sedangkan kestabilan berkas, operasi jangka panjang, frekuensi pengulangan, kehilangan optik, serta throughput pemindaian area besar masih perlu ditingkatkan.

Analisis rekayasa untuk inspeksi mask EUV ukuran penuh pernah memperkirakan kebutuhan daya sumber sekitar 1–100 miliwatt. Namun, angka ini bergantung pada sensitivitas cacat, luas pemindaian, rasio sinyal terhadap noise, dan target throughput. Karena itu, satu angka daya tidak dapat dijadikan ambang universal bagi semua peralatan inspeksi.51

Materi publik menunjukkan bahwa ASML, Intel, Samsung, dan TSMC pernah menggunakan atau mengevaluasi teknologi pengukuran dan inspeksi terkait HHG.1824 Hal ini lebih tepat dipahami sebagai validasi industri terhadap potensinya, bukan bukti bahwa HHG telah menggantikan sumber plasma secara luas atau menjadi standar untuk semua peralatan inspeksi berkapasitas tinggi.

Ekosistem domestik China: dari sumber cahaya menuju integrasi sistem

Laporan publik menyebut sejumlah perusahaan China yang bergerak di bidang terkait, antara lain Huaxin Aurora, Langdao Technology, Yunqi Jiyao, Huari Laser, dan Haoyu Xinguang. Perusahaan-perusahaan tersebut dilaporkan berada di berbagai mata rantai, mulai dari sumber cahaya dan laser hingga peralatan serta integrasi sistem. Haoyu Xinguang disebut berfokus pada jalur HHG.17

Di kalangan universitas dan lembaga riset, program SSMB Tsinghua merupakan salah satu jalur sumber berbasis akselerator yang paling jelas terdokumentasi dalam informasi publik. Demonstrasi prinsipnya dilakukan bersama Helmholtz-Zentrum Berlin dan Physikalisch-Technische Bundesanstalt dari Jerman. Kolaborasi ini menunjukkan bahwa pengembangan tersebut masih membutuhkan fondasi kuat dalam ilmu akselerator dan metrologi, termasuk kerja sama internasional.214

Ekosistem yang berkelanjutan juga harus melengkapi sumber cahaya dengan komponen lain, seperti:

• cermin multilayer EUV, ruang vakum, dan pengendalian kontaminasi;
• detektor, platform presisi, sistem alignment, kalibrasi, dan radiometri;
• model hamburan, rekonstruksi citra, klasifikasi cacat, dan perangkat lunak pengendalian proses;
• mask blank, pelikel, photoresist, serta struktur uji proses wafer;
• kerja sama dengan pabrik wafer untuk menghubungkan hasil pengukuran dengan hasil pencetakan, karakteristik listrik perangkat, dan yield.

Dengan kata lain, tingkat domestikasi tidak cukup dinilai dari jumlah perusahaan yang mengembangkan sumber EUV. Indikator yang lebih penting adalah apakah sudah tersedia mesin utuh yang dapat dikirim, sistem kalibrasi yang stabil, serta siklus data nyata dari produksi wafer.

Lima gerbang tersulit dari prototipe laboratorium menuju alat produksi

1. Daya efektif dan throughput

Daya yang dihasilkan sumber tidak sama dengan daya yang sampai ke sampel, dikumpulkan oleh sistem optik, lalu diubah menjadi sinyal yang berguna. Alat inspeksi harus menyeimbangkan sensitivitas cacat, luas pemindaian, waktu paparan, dan noise.

2. Stabilitas jangka panjang

Pabrik wafer membutuhkan alat yang stabil selama pergantian shift dan berbulan-bulan operasi, bukan hanya perangkat eksperimen yang bekerja baik dalam waktu singkat. Panjang gelombang, dosis, arah berkas, koherensi, dan respons detektor harus dapat dipantau, dikalibrasi, serta dirawat.

3. Usia sumber dan sistem

Komponen plasma, laser, sistem vakum, cermin, dan detektor semuanya memengaruhi interval pemeliharaan. Kontaminasi serpihan, penurunan performa optik, dan biaya penggantian komponen penting pada akhirnya menentukan total biaya kepemilikan alat.

4. Hasil pengukuran harus berkorelasi dengan hasil wafer

Gambar beresolusi tinggi bukanlah tujuan akhir. Alat harus membuktikan bahwa dimensi kritis, overlay, atau karakteristik cacat yang diukurnya dapat memprediksi hasil pencetakan wafer, performa perangkat, dan yield. Tanpa korelasi tersebut, hasil inspeksi akan sulit dimasukkan ke dalam alur pengendalian produksi.

5. Integrasi proses dan perangkat lunak

Inspeksi EUV harus kompatibel dengan mask, photoresist, pelikel, topografi permukaan wafer, sistem pemindahan otomatis, antarmuka data, dan sistem pengendalian proses pabrik. Sertifikasi pelanggan yang berlangsung lama, pengujian pembanding, serta data operasi lapangan sering kali lebih menentukan komersialisasi dibandingkan satu kali demonstrasi eksperimen.3050

Apa yang perlu diamati untuk menilai kematangan metrologi EUV China

Indikator terpenting bukan sekadar apakah sebuah tim berhasil mengumumkan bahwa mereka telah menghasilkan cahaya 13,5 nm. Yang perlu dicari adalah data operasi berkelanjutan, daya efektif di sampel, throughput pemindaian, kalibrasi metrologi atas hasil deteksi cacat, korelasi dengan pengukuran elektron atau sinkrotron, serta hubungan dengan hasil kelistrikan wafer.

Berdasarkan informasi publik yang tersedia, jalur yang masuk akal kemungkinan berlangsung bertahap. HHG dapat lebih dahulu masuk ke riset, inspeksi ulang mask, dan metrologi khusus. DPP atau sumber plasma ringkas lainnya dapat mengejar sebagian aplikasi inspeksi daring. Sinkrotron dan SSMB akan terus mendukung riset sumber cahaya serta ilmu metrologi tingkat lanjut, sementara LPP tetap penting untuk skenario yang membutuhkan daya dan throughput tertinggi.

Kesimpulannya, ekosistem metrologi EUV China memang mulai menunjukkan bentuk—dari riset sumber cahaya menuju peralatan dan integrasi sistem. Namun, jarak antara “ekosistem mulai terbentuk” dan “siap untuk produksi massal” masih cukup jauh.

Penentu keberhasilannya bukan sekadar kemampuan menghasilkan cahaya EUV 13,5 nm. Tantangan sebenarnya adalah menggabungkan sumber cahaya, optik, detektor, algoritma, material proses, dan validasi pabrik wafer menjadi alat produksi yang dapat beroperasi secara stabil dan berkelanjutan.