Ekosistem metrologi EUV China mula terbentuk: daripada DUV 193 nm kepada pengukuran 13.5 nm

Industri cip maju kini berdepan struktur transistor tiga dimensi dan kecacatan yang semakin kecil. Litografi EUV menggunakan cahaya dengan panjang gelombang 13.5 nanometer, berbanding panjang gelombang DUV yang lazim seperti 193 nm dan 248 nm. Apabila dimensi kritikal, kecacatan topeng dan struktur transistor terus mengecil, peralatan pemeriksaan perlu menawarkan resolusi lebih tinggi tanpa mengorbankan kelajuan atau merosakkan wafer.5532

Yang sedang muncul di China bukanlah mesin litografi EUV buatan tempatan yang sudah terbukti untuk pengeluaran besar-besaran. Sebaliknya, ia ialah ekosistem metrologi EUV yang menggabungkan sumber cahaya, cermin pantulan, sistem vakum, pengesan, platform gerakan berketepatan tinggi, algoritma dan perisian kawalan proses.

Cabaran sebenar ialah menggabungkan semua komponen itu menjadi sistem yang boleh beroperasi dalam tempoh panjang, dikalibrasi dengan tepat dan disambungkan kepada data proses kilang wafer. Dalam industri semikonduktor, demonstrasi makmal hanyalah langkah awal; penerimaan pelanggan dan data pengeluaran sebenar jauh lebih menentukan.

Mengapa transistor GAA memerlukan pemeriksaan EUV

Peralihan daripada FinFET kepada transistor gate-all-around (GAA), atau get yang mengelilingi saluran secara menyeluruh, menjadikan struktur cip lebih tiga dimensi. Sebahagian saluran, get dan antara muka bahan juga boleh berada di bawah lapisan penutup atau tersembunyi di dalam struktur.

Kaedah pemeriksaan yang hanya melihat permukaan mungkin tidak dapat menentukan dimensi kritikal, bentuk dinding sisi, anjakan antara lapisan atau kecacatan yang tertanam. Sebab itu struktur GAA menjadi antara pemacu utama kepada keperluan pemeriksaan baharu yang beresolusi tinggi, pantas, tidak bersentuhan dan tidak merosakkan wafer.8

Kelebihan EUV bukan sekadar kerana panjang gelombangnya lebih pendek. Dalam pengukuran serakan, saiz kecacatan dan panjang gelombang pencahayaan sangat mempengaruhi kekuatan isyarat. Panjang gelombang yang lebih pendek boleh meningkatkan kepekaan terhadap kecacatan pada skala nano, walaupun hasil akhirnya masih bergantung pada kuasa sumber, sistem optik, hingar pengesan, bahan sampel dan algoritma pembinaan semula.18

Teknik seperti scatterometry, coherent diffraction imaging (CDI) dan pengimejan pantulan boleh menganggarkan semula bentuk serta dimensi struktur berdasarkan isyarat pembelauan. Pendekatan ini tidak memerlukan probe menyentuh wafer secara langsung. Dalam satu eksperimen NIST, sumber HHG atas meja digunakan untuk mengukur pembelauan struktur garisan-ruang yang berukuran kurang daripada 50 nm. Kajian lain pula menunjukkan bahawa EUV scatterometry mempunyai kepekaan pada tahap satu nanometer terhadap ciri luar satah dalam struktur interconnect dua dimensi.3334

Mengapa topeng EUV memerlukan pemeriksaan pada panjang gelombang yang sama

Topeng EUV bukanlah plat lutsinar biasa. Ia mempunyai struktur kompleks yang terdiri daripada lapisan pantulan berbilang. Sesetengah kecacatan fasa mungkin sukar dinilai pada panjang gelombang bukan EUV, walaupun kecacatan itu boleh dipindahkan ke wafer semasa proses pendedahan.

Oleh itu, istilah “actinic inspection” biasanya merujuk kepada pemeriksaan menggunakan panjang gelombang yang sama seperti proses litografi, iaitu 13.5 nm. Pendekatan ini memberikan penilaian yang lebih langsung terhadap kebolehcetakan sesuatu kecacatan. Kajian berkaitan menyatakan bahawa pemeriksaan 13.5 nm amat penting untuk mengenal pasti kecacatan fasa kritikal dalam topeng EUV berbilang lapisan.48

Keperluan itu turut menjelaskan mengapa sumber HHG mendapat perhatian. HHG boleh menghasilkan cahaya EUV dengan koheren ruang dan masa yang tinggi, menjadikannya sesuai untuk mikroskopi serakan koheren, pengukuran pembelauan dan pengimejan tanpa kanta.

Bahan yang diterbitkan Samsung pernah menerangkan sistem pemeriksaan semula kecacatan topeng EUV yang menggunakan sumber HHG berasingan. Ini menunjukkan bahawa HHG sekurang-kurangnya telah memasuki perbincangan teknologi bagi pemeriksaan topeng khusus dan peralatan penyelidikan.42

Empat laluan utama sumber EUV

LPP: kuasa tinggi, kejuruteraan paling rumit

Laser-produced plasma (LPP) lazimnya menggunakan laser berkuasa tinggi untuk menembak titisan timah cair sehingga menghasilkan plasma EUV 13.5 nm. Sistem EUV komersial ASML menggunakan asas pendekatan ini.55

Kelebihan utama LPP ialah kuasanya lebih hampir kepada keperluan litografi dan pemeriksaan berkapasiti tinggi. Namun, sistem ini perlu mengurus laser pemacu berkuasa tinggi, kawalan titisan timah, serpihan, pencemaran cermin pengumpul, pengurusan haba dan penyelenggaraan.

Bagi peralatan pemeriksaan, LPP menawarkan ruang yang lebih besar untuk meningkatkan kadar pemprosesan. Tetapi bagi syarikat baharu, kos modal, keperluan kejuruteraan dan rangkaian servisnya juga jauh lebih tinggi.

DPP: pilihan yang lebih kompak

Discharge-produced plasma (DPP) menghasilkan plasma EUV melalui nyahcas elektrik. Secara teori, sistem ini boleh dibina dengan saiz yang lebih kecil berbanding kemudahan pemecut besar dan mungkin sesuai untuk sebahagian keperluan kuasa metrologi. Laporan berkaitan China menyenaraikan DPP sebagai salah satu laluan yang sedang diterokai.1726

Namun, DPP masih perlu menyelesaikan isu hakisan elektrod, serpihan, kestabilan plasma, jangka hayat sumber dan penyelenggaraan jangka panjang. Keupayaan menghasilkan cahaya 13.5 nm sahaja tidak mencukupi; sumber itu perlu beroperasi secara berterusan mengikut kitaran penyelenggaraan yang diterima oleh kilang wafer.

FEL dan sinkrotron: hebat untuk penyelidikan, sukar ditempatkan di barisan pengeluaran

Free-electron laser (FEL) dan sumber sinkrotron menawarkan kecerahan, koheren dan kebolehtalakan yang tinggi. Ciri ini sangat berguna untuk pengukuran rujukan, kajian bahan, analisis topeng dan pembangunan proses.

Kekangannya ialah kedua-duanya biasanya memerlukan kemudahan pemecut berskala besar. Saiz, kos dan keadaan operasi menjadikannya tidak praktikal untuk dipasang terus di kebanyakan lantai kilang wafer.

Justeru, sumber berasaskan pemecut lebih berkemungkinan berperanan sebagai platform penyelidikan dan “piawaian rujukan”. Ia boleh menyediakan data perbandingan berkualiti tinggi untuk mengesahkan sistem metrologi yang lebih kecil, bukannya menggantikan peralatan kompak di barisan pengeluaran dalam masa terdekat.

SSMB: calon jangka panjang untuk kuasa purata tinggi

Steady-state microbunching (SSMB) yang diterajui Universiti Tsinghua menggunakan pancaran elektron dalam gelang penyimpanan. Pancaran itu dimodulasi oleh laser melalui undulator sebelum membentuk mikroberkas yang dikekalkan sepanjang peredaran elektron dalam gelang tersebut.

Kerja pembuktian prinsip yang diumumkan oleh Tsinghua menunjukkan bahawa mekanisme asas SSMB telah berjaya ditunjukkan secara eksperimen. Cadangan susulan pula menyasarkan sinaran EUV 13.5 nm dengan kuasa purata tinggi dan lebar jalur sempit.124

Tarikan SSMB ialah usahanya menggabungkan kadar pengulangan tinggi gelang penyimpanan dengan kecerahan sinaran koheren. Sesetengah reka bentuk mencadangkan sasaran melebihi 1 kilowatt bagi setiap peralatan, tetapi angka itu ialah sasaran reka bentuk dan penyelidikan kejuruteraan — bukan bukti bahawa sumber tersebut telah dibina, disahkan atau diterima oleh kilang wafer.310

Kestabilan pancaran elektron, modulasi laser, kawalan gelang penyimpanan, kualiti pancaran, skala kemudahan dan kos keseluruhan masih menjadi halangan utama. SSMB lebih tepat dilihat sebagai laluan jangka panjang yang berpotensi mengubah bekalan EUV berkuasa tinggi, bukan pilihan meja kerja yang paling mudah untuk digunakan sekarang.

Mengapa HHG penting untuk metrologi EUV generasi seterusnya

High-harmonic generation (HHG) menggunakan laser femtosaat yang difokuskan ke dalam gas atau bahan lain untuk menghasilkan harmonik pada julat EUV hingga sinar-X lembut. Berbanding sumber plasma berasaskan timah, HHG mempunyai beberapa kelebihan:

• Potensi bersaiz meja: tidak memerlukan kemudahan sinkrotron besar dan sesuai untuk makmal atau peralatan pengukuran khusus;
• Koheren tinggi: membantu pengimejan pembelauan koheren, scatterometry, ptychography dan pemeriksaan semula topeng;
• Panjang gelombang fleksibel: jalur cahaya boleh dipilih mengikut bahan, struktur dan model pengukuran;
• Kurang risiko serpihan timah: tidak bergantung pada plasma titisan timah, sekali gus mengurangkan sebahagian tekanan kawalan pencemaran;
• Ciri ultra pantas: berguna untuk pengukuran beresolusi masa dan kajian bahan.3544

HHG paling sesuai untuk aplikasi yang memerlukan koheren tinggi tetapi tidak semestinya memerlukan kuasa seperti alat litografi atau pemeriksaan berkapasiti amat tinggi. NIST telah menggunakan sumber HHG atas meja untuk pengukuran pembelauan dimensi kritikal EUV, manakala kajian lain turut meletakkan HHG sebagai sumber penting bagi metrologi dan pengimejan EUV.3335

Namun begitu, kelemahan HHG juga jelas: kecekapan penukaran dan kuasa keluaran masih rendah, sementara kestabilan pancaran, operasi jangka panjang, kadar pengulangan, kehilangan optik dan kelajuan imbasan kawasan besar masih perlu dipertingkatkan.

Satu analisis kejuruteraan bagi pemeriksaan keseluruhan topeng EUV pernah menganggarkan keperluan kuasa sumber sekitar 1 hingga 100 miliwatt. Angka ini bergantung pada kepekaan kecacatan, keluasan imbasan, nisbah isyarat kepada hingar dan kadar pemprosesan; ia bukan ambang seragam untuk semua jenis peralatan pemeriksaan.51

Laporan awam menyatakan bahawa ASML, Intel, Samsung dan TSMC pernah menggunakan atau menilai teknologi HHG dalam konteks metrologi dan pemeriksaan.1824 Namun, hal ini lebih wajar difahami sebagai pengesahan terhadap potensinya melalui alat pembangunan, penyelidikan pemeriksaan actinic dan sistem pengukuran khusus — bukan bukti bahawa HHG sudah menggantikan sumber plasma dalam semua peralatan pengeluaran berkapasiti tinggi.

Ekosistem domestik China: daripada sumber kepada integrasi sistem

Laporan awam mengenal pasti beberapa syarikat China yang terlibat dalam rantaian ini, termasuk Huaxin Aurora, Langdao Technology, Yunqi Jiyao, Huari Laser dan Haoyu Xinguang. Syarikat-syarikat itu dilaporkan merangkumi bidang sumber cahaya, laser, peralatan dan integrasi sistem, dengan Haoyu Xinguang memberi tumpuan kepada laluan HHG.17

Dalam bidang universiti dan penyelidikan, program SSMB Universiti Tsinghua ialah antara laluan sumber berasaskan pemecut yang paling jelas didokumentasikan. Pembuktian prinsipnya disiapkan dengan kerjasama Helmholtz-Zentrum Berlin dan Physikalisch-Technische Bundesanstalt, institut metrologi kebangsaan Jerman. Kerjasama itu turut menunjukkan bahawa pembangunan sumber pemecut memerlukan kepakaran antarabangsa yang mendalam dalam sains pemecut dan metrologi.214

Ekosistem yang mampan juga perlu melangkaui sumber cahaya, termasuk:

• cermin pantulan berbilang lapisan, kebuk vakum dan kawalan pencemaran EUV;
• pengesan, platform berketepatan tinggi, penjajaran, kalibrasi dan radiometri;
• model serakan, pembinaan semula imej, pengelasan kecacatan dan perisian kawalan proses;
• blank topeng, pelikel, photoresist dan struktur ujian proses wafer;
• kerjasama dengan kilang wafer untuk menghubungkan keputusan pengukuran dengan hasil cetakan sebenar, prestasi elektrik peranti dan kadar hasil.

Maksudnya, tahap domestikasi tidak boleh dinilai hanya berdasarkan jumlah syarikat yang menghasilkan sumber EUV. Penilaian yang lebih bermakna ialah sama ada terdapat peralatan lengkap yang boleh dihantar, sistem kalibrasi yang stabil dan gelung maklum balas berdasarkan data pengeluaran sebenar.

Lima halangan antara prototaip makmal dan peralatan pengeluaran

1. Kuasa berguna dan kadar pemprosesan

Kuasa yang dijana oleh sumber tidak sama dengan kuasa yang sampai ke sampel, dikumpulkan oleh optik dan akhirnya ditukar menjadi isyarat yang berguna. Peralatan perlu mengimbangi kepekaan kecacatan, keluasan imbasan, masa dedahan dan hingar.

2. Kestabilan jangka panjang

Kilang wafer memerlukan alat yang stabil merentas syif dan bulan operasi, bukan hanya peranti yang menunjukkan prestasi baik dalam demonstrasi singkat. Panjang gelombang, dos, arah pancaran, koheren dan tindak balas pengesan semuanya perlu dipantau, dikalibrasi dan diselenggara.

3. Jangka hayat sumber dan sistem

Komponen plasma, laser, sistem vakum, cermin dan pengesan mempengaruhi tempoh antara penyelenggaraan. Pencemaran serpihan, kemerosotan prestasi optik dan kos penggantian komponen akan menentukan kos pemilikan sebenar.

4. Korelasi dengan keputusan wafer

Imej beresolusi tinggi bukanlah matlamat akhir. Peralatan perlu membuktikan bahawa ukuran dimensi kritikal, ralat overlay atau ciri kecacatan boleh meramalkan hasil cetakan wafer, prestasi peranti dan kadar hasil. Tanpa korelasi ini, keputusan pemeriksaan sukar dimasukkan ke dalam kawalan proses pengeluaran.

5. Integrasi proses dan perisian

Pemeriksaan EUV perlu serasi dengan topeng, photoresist, pelikel, filem nipis, bentuk permukaan wafer, automasi pengendalian, antara muka data dan sistem kawalan proses kilang. Tempoh kelayakan pelanggan yang panjang, ujian perbandingan dan data operasi di tapak selalunya lebih penting daripada satu demonstrasi eksperimen.3050

Bagaimana menilai kematangan sebenar ekosistem EUV China

Petunjuk paling penting bukanlah pengumuman bahawa sesebuah pasukan berjaya menghasilkan cahaya 13.5 nm. Perkara yang perlu diperhatikan ialah sama ada terdapat data operasi berterusan, kuasa sampel berkesan dan kadar imbasan yang didedahkan, kalibrasi metrologi untuk keputusan kecacatan, serta korelasi dengan keputusan elektron, sinkrotron atau prestasi elektrik wafer.

Penggunaan jangka panjang dan kelayakan oleh kilang wafer juga akan menjadi ujian paling sukar. Hanya selepas sistem mampu beroperasi secara konsisten dan menyumbang kepada hasil proses, barulah ia boleh dianggap sebagai peralatan produksi yang matang.

Berdasarkan maklumat awam semasa, laluan munasabah China mungkin bergerak secara berperingkat. HHG boleh memasuki bidang penyelidikan, pemeriksaan semula topeng dan metrologi khusus. DPP serta sumber plasma kompak lain mungkin menyasarkan sebahagian aplikasi dalam talian. Sinkrotron dan SSMB pula terus menyokong penyelidikan sumber berprestasi tinggi dan sains metrologi, manakala LPP kekal penting untuk aplikasi yang memerlukan kuasa serta kadar pemprosesan paling tinggi.

Kesimpulannya, ekosistem metrologi EUV China memang menunjukkan bentuk awal — daripada pembangunan sumber kepada peralatan dan integrasi sistem. Namun, “ekosistem sedang terbentuk” masih belum bermaksud “pengeluaran besar-besaran telah dicapai”. Penentu kejayaan bukan sekadar menghasilkan cahaya 13.5 nm, tetapi menyatukan sumber, optik, pengesan, algoritma, bahan proses dan pengesahan kilang wafer menjadi satu alat produksi yang boleh beroperasi dengan stabil.