EUV, la Cina punta sulla metrologia: dall’ispezione a 193 nanometri alla misura a 13,5 nanometri

La produzione di chip avanzati sta portando l’ispezione verso strutture tridimensionali più complesse e difetti sempre più piccoli. La litografia EUV utilizza luce a 13,5 nanometri, mentre i sistemi tradizionali di misura nel profondo ultravioletto operano comunemente a 193 e 248 nanometri. Con la riduzione delle dimensioni critiche, dei difetti delle maschere e delle geometrie dei transistor, gli strumenti di controllo devono offrire maggiore risoluzione, velocità sufficiente e misure senza danneggiare il wafer.5532

Il punto importante è distinguere tra due cose: la Cina non dispone, sulla base delle informazioni pubbliche considerate, di una macchina EUV nazionale già verificata per la produzione di massa; sta invece costruendo un ecosistema attorno alla metrologia EUV, cioè all’insieme di strumenti che misurano e ispezionano maschere, wafer, materiali e processi.

La possibile filiera comprende sorgenti, specchi riflettenti, sistemi per il vuoto, rivelatori, piattaforme di movimentazione di precisione, algoritmi e software per il controllo di processo. Il risultato industriale dipenderà dalla capacità di integrare tutti questi elementi in sistemi calibrabili, manutenibili e in grado di collegare i dati di misura ai risultati effettivi della fabbricazione.

Perché i transistor GAA richiedono misure più avanzate

Il passaggio dai transistor FinFET ai dispositivi gate-all-around (GAA) introduce canali, gate e interfacce con caratteristiche tridimensionali più marcate. Alcune strutture critiche sono inoltre parzialmente coperte o sepolte sotto altri materiali. Un metodo che osservi soltanto la superficie può quindi non riuscire a determinare con precisione dimensioni critiche, profili delle pareti laterali, disallineamenti tra strati e difetti interni. Le strutture GAA sono considerate uno dei fattori che stanno spingendo la domanda di tecniche di ispezione ad alta risoluzione, senza contatto e non distruttive.8

Il valore dell’EUV non consiste soltanto nell’avere una lunghezza d’onda più corta. Nelle misure basate sulla diffusione, la dimensione del difetto e la lunghezza d’onda dell’illuminazione influenzano fortemente l’intensità del segnale. Passare a 13,5 nanometri può aumentare la sensibilità ai difetti su scala nanometrica, ma il risultato finale dipende anche da potenza della sorgente, ottiche, rumore del rivelatore, materiali del campione e algoritmi di ricostruzione.18

Tecniche come scatterometria, coherent diffractive imaging (CDI) e imaging in riflessione ricavano i parametri geometrici dai segnali diffratti, senza affidarsi necessariamente a una sonda a contatto. Il National Institute of Standards and Technology (NIST), l’istituto statunitense per gli standard e la metrologia, ha utilizzato una sorgente HHG da laboratorio per misure EUV su strutture line-and-space inferiori a 50 nanometri. Un altro studio ha mostrato che la scatterometria EUV può rilevare caratteristiche fuori piano di strutture di interconnessione bidimensionali con sensibilità dell’ordine del singolo nanometro.3334

Le maschere hanno bisogno di un’ispezione alla stessa lunghezza d’onda

Una maschera EUV non è una semplice lastra trasparente: è una struttura complessa basata su strati riflettenti multipli. Alcuni difetti di fase possono essere difficili da valutare a lunghezze d’onda diverse da quella usata durante l’esposizione, anche se sono in grado di trasferirsi sul wafer.

Per questo si parla di actinic inspection, ovvero di ispezione effettuata alla stessa lunghezza d’onda della litografia EUV, pari a 13,5 nanometri. Il vantaggio è una valutazione più diretta della stampabilità del difetto. Studi dedicati alle maschere EUV indicano che la misura actinic a 13,5 nanometri è particolarmente importante per individuare i difetti di fase negli stack multilayer.48

È anche uno dei motivi per cui la HHG ha attirato l’interesse del settore. Questa tecnologia può generare luce EUV con elevata coerenza spaziale e temporale, utile per microscopia coerente, misure diffrattive e imaging senza lenti. Materiali pubblici di Samsung hanno descritto un sistema di revisione dei difetti delle maschere EUV basato su una sorgente HHG indipendente: un’indicazione del fatto che la tecnologia è entrata almeno nel perimetro delle apparecchiature specializzate e della ricerca applicata.42

Quattro strade per generare luce EUV

LPP: la potenza più elevata, con la massima complessità

La sorgente laser-produced plasma (LPP) utilizza in genere un laser ad alta potenza per colpire gocce di stagno liquido e generare plasma a 13,5 nanometri. È la tecnologia di base impiegata nei sistemi EUV commerciali di ASML.55

Il suo principale vantaggio è una potenza più vicina alle esigenze della litografia e dei sistemi di ispezione ad alta produttività. Il prezzo da pagare è una notevole complessità ingegneristica: laser di pilotaggio ad alta potenza, controllo delle gocce di stagno, gestione dei detriti, contaminazione degli specchi collettori, dissipazione termica e manutenzione.

Per uno strumento di metrologia, una sorgente LPP può offrire margini di produttività più ampi, ma comporta anche costi di capitale, assistenza e gestione molto elevati.

DPP: una possibile alternativa più compatta

La tecnologia discharge-produced plasma (DPP) crea il plasma EUV attraverso una scarica elettrica. In linea teorica può portare a sistemi più compatti rispetto alle grandi infrastrutture basate su acceleratori e può essere adatta ad alcuni requisiti di potenza della metrologia. Le informazioni pubbliche sulle attività cinesi includono la DPP tra le strade esplorate a livello nazionale.1726

Restano però problemi rilevanti: usura degli elettrodi, detriti, stabilità del plasma, durata della sorgente e manutenzione a lungo termine. Generare luce a 13,5 nanometri è soltanto il primo requisito; per entrare in fabbrica servono funzionamento continuo, disponibilità elevata e intervalli di manutenzione compatibili con la produzione.

FEL e sincrotroni: ottimi per la ricerca, difficili da portare in fabbrica

I laser a elettroni liberi (FEL) e le sorgenti di sincrotrone offrono alta brillantezza, coerenza e, in alcuni casi, possibilità di regolazione della lunghezza d’onda. Sono quindi preziosi per misure di riferimento, ricerca sui materiali, analisi delle maschere e sviluppo dei processi.

Dipendono tuttavia da grandi infrastrutture con acceleratori, costose e ingombranti. Per questo è più probabile che svolgano inizialmente il ruolo di piattaforme di ricerca e di riferimento metrologico, fornendo dati di confronto per strumenti più compatti, invece di essere installati direttamente sulle normali linee di produzione.

SSMB: una soluzione di lungo periodo per l’elevata potenza media

La steady-state microbunching (SSMB), o microbunching allo stato stazionario, utilizza un fascio di elettroni in un anello di accumulazione. Il fascio viene modulato da un laser in un ondulatore e forma microaddensamenti che possono essere mantenuti durante i passaggi successivi nell’anello, producendo radiazione coerente.124

Il programma guidato da Tsinghua ha completato una dimostrazione sperimentale del principio. Le proposte successive puntano a una radiazione EUV a 13,5 nanometri, con alta potenza media e banda spettrale stretta.124

I documenti di progetto indicano obiettivi superiori a 1 kilowatt per strumento, ma si tratta di parametri di progettazione e ricerca ingegneristica, non della prova di una sorgente già costruita, qualificata e approvata per la produzione in una fab.310

La SSMB deve ancora affrontare problemi di stabilità del fascio, modulazione laser, controllo dell’anello di accumulazione, qualità del fascio, dimensioni dell’infrastruttura e costi. È quindi una possibile soluzione strategica per il futuro, non la via più semplice per realizzare oggi uno strumento compatto da laboratorio o da linea.

Perché la HHG è una candidata importante per la metrologia EUV

La high-harmonic generation (HHG), o generazione di armoniche elevate, concentra un laser a femtosecondi su un gas o su un altro mezzo e produce armoniche nella regione EUV e dei raggi X molli.

Rispetto alle sorgenti al plasma di stagno, la HHG offre diverse caratteristiche interessanti:

• Potenziale da laboratorio: può essere realizzata senza una grande infrastruttura di sincrotrone;
• Elevata coerenza: favorisce imaging diffrattivo coerente, scatterometria, ptychography e revisione delle maschere;
• Flessibilità spettrale: consente di scegliere diverse bande in funzione dei materiali, delle strutture e del modello di misura;
• Assenza di gocce di stagno: riduce i problemi specifici di detriti e contaminazione associati al plasma di stagno;
• Funzionamento ultrarapido: è utile per misure risolte nel tempo e studi sui materiali.3544

La HHG è particolarmente adatta alle applicazioni che richiedono elevata coerenza ma non necessariamente la potenza di una sorgente per la litografia ad alto volume. Il NIST ha già utilizzato sorgenti HHG da tavolo per la diffrattometria EUV di strutture con dimensioni critiche inferiori a 50 nanometri, mentre altri lavori la indicano come una direzione importante per metrologia e imaging EUV.3335

Il limite principale è altrettanto evidente: efficienza di conversione e potenza EUV disponibili sono basse. Stabilità del fascio, funzionamento prolungato, frequenza di ripetizione, perdite ottiche e produttività nella scansione di grandi superfici devono ancora migliorare.

Un’analisi tecnica sull’ispezione completa delle maschere EUV ha stimato che alcune applicazioni potrebbero richiedere una potenza alla sorgente nell’intervallo di circa 1–100 milliwatt. Il valore dipende però da sensibilità ai difetti, area da scansionare, rapporto segnale-rumore e produttività: non è quindi una soglia universale valida per ogni strumento.51

Secondo le informazioni pubbliche, ASML, Intel, Samsung e TSMC hanno utilizzato o valutato tecnologie HHG in contesti di misura e ispezione.1824 Questo dimostra l’interesse industriale per la tecnologia, ma non significa che la HHG abbia già sostituito le sorgenti al plasma in tutti gli strumenti ad alta produttività.

La nascente filiera cinese: dalla sorgente all’integrazione

Le informazioni pubbliche citano cinque aziende cinesi coinvolte, con ruoli distribuiti tra sorgenti, laser, apparecchiature e integrazione di sistema: Huaxin Aurora, Langdao Technology, Yunqi Jiyao, Huari Laser e Haoyu Xinguang. Haoyu Xinguang è indicata come realtà focalizzata sulla tecnologia HHG.17

Sul fronte accademico, il programma SSMB di Tsinghua è una delle iniziative cinesi più chiaramente documentate nel campo delle sorgenti basate su acceleratori. La dimostrazione del principio è stata realizzata in collaborazione con Helmholtz-Zentrum Berlin e con il Physikalisch-Technische Bundesanstalt, l’istituto metrologico nazionale tedesco. La collaborazione evidenzia quanto questa area dipenda da competenze avanzate di fisica degli acceleratori e di scienza della misura.214

Un ecosistema nazionale sostenibile dovrà però sviluppare molto più della sorgente:

• specchi multilayer per l’EUV, camere a vuoto e controllo della contaminazione;
• rivelatori, piattaforme di precisione, sistemi di allineamento, calibrazione e radiometria;
• modelli di scatterometria, ricostruzione delle immagini, classificazione dei difetti e software per il controllo di processo;
• maschere grezze, pellicole protettive, fotoresist e strutture di test per i processi dei wafer;
• collaborazione con le fab per collegare le misure alla stampabilità, alle caratteristiche elettriche dei dispositivi e alla resa produttiva.

In altre parole, per valutare la localizzazione della filiera non basta contare le aziende che sviluppano sorgenti EUV. Bisogna verificare se esistono strumenti completi, sistemi di calibrazione stabili e un collegamento reale con i dati della produzione.

Le cinque barriere tra prototipo e produzione

1. Potenza utile e produttività

La potenza generata dalla sorgente non coincide con quella che raggiunge il campione, viene raccolta dalle ottiche e si trasforma in un segnale utile. Lo strumento deve trovare un equilibrio tra sensibilità ai difetti, area scansionata, tempo di esposizione, rumore e velocità.

2. Stabilità nel lungo periodo

Una fab ha bisogno di un sistema che lavori in modo affidabile per turni e mesi, non di un apparato che dimostri buone prestazioni soltanto per poche ore. Lunghezza d’onda, dose, direzione del fascio, coerenza e risposta del rivelatore devono essere monitorabili, calibrabili e mantenibili.

3. Durata della sorgente e dei sottosistemi

Laser, componenti del plasma, camere a vuoto, specchi e rivelatori determinano la frequenza degli interventi. La contaminazione, il degrado delle prestazioni ottiche e il costo delle sostituzioni influenzano direttamente il costo totale di possesso dello strumento.

4. Correlazione con il risultato sul wafer

Un’immagine ad alta risoluzione non è il traguardo finale. Lo strumento deve dimostrare che le dimensioni critiche, gli errori di sovrapposizione e le caratteristiche dei difetti misurati prevedono la reale stampabilità sul wafer, le prestazioni elettriche del dispositivo e la resa. Senza questa correlazione, è difficile integrare il sistema nel controllo di produzione.

5. Integrazione con processo e software

La metrologia EUV deve funzionare con maschere, fotoresist, pellicole, topografia del wafer, automazione dei materiali, interfacce dati e sistemi di controllo della fab. I lunghi cicli di qualificazione, i test comparativi e i dati raccolti sul campo spesso contano più di una singola dimostrazione sperimentale.3050

Come capire se la metrologia EUV cinese è davvero matura

Gli indicatori più importanti non saranno soltanto gli annunci sulla generazione di luce a 13,5 nanometri. Occorrerà osservare:

• dati di funzionamento continuativo;
• potenza utile sul campione e produttività di scansione;
• calibrazione metrologica dei risultati sui difetti;
• correlazioni con misure elettroniche, sincrotroni o risultati elettrici dei wafer;
• prove prolungate e qualificazioni completate presso fabbriche di semiconduttori.

Sulla base delle informazioni pubbliche disponibili, il percorso più plausibile è graduale: la HHG può entrare prima nella ricerca, nella revisione delle maschere e negli strumenti di misura specializzati; le sorgenti DPP e altre soluzioni al plasma compatte possono puntare ad alcune applicazioni in linea; sincrotroni e SSMB possono sostenere la ricerca sulle sorgenti e la scienza della metrologia; la LPP resterà centrale negli impieghi che richiedono la potenza più elevata.

L’ecosistema cinese della metrologia EUV mostra dunque una prima struttura, ma tra “ecosistema in formazione” e “produzione industriale” resta una distanza significativa. Il fattore decisivo non sarà soltanto generare fotoni a 13,5 nanometri: sarà integrare sorgente, ottiche, rivelatori, algoritmi, materiali di processo e validazione in fabbrica in uno strumento affidabile, ripetibile e qualificato per la produzione.