China bouwt aan EUV-meetketen: HHG, SSMB en plasmabronnen in beeld

China richt zich eerst op meten, niet op belichten

De productie van geavanceerde chips draait niet alleen om het patroon op een wafer te printen. Fabrikanten moeten tijdens het proces ook controleren of afmetingen, lagen en defecten binnen extreem nauwe marges blijven. Nu transistoren driedimensionaler worden en defecten kleiner, schuift die meetuitdaging op van traditionele diepe ultraviolet (DUV) naar extreem ultraviolet (EUV).

EUV-belichting gebruikt licht met een golflengte van 13,5 nanometer. In bestaande DUV-metrologie zijn onder meer golflengten van 193 en 248 nanometer gebruikelijk.5532 Een kortere golflengte kan de gevoeligheid voor zeer kleine defecten verhogen, maar alleen wanneer ook de bron, optiek, detectoren, kalibratie en reconstructiesoftware op elkaar aansluiten.

De ontwikkeling in China moet daarom niet worden gelezen als bewijs dat er al een volledig binnenlands EUV-belichtingssysteem productierijp is. Er ontstaat eerder een ecosysteem rond EUV-metrologie: lichtbronnen, spiegels, vacuümsystemen, detectoren, uiterst nauwkeurige bewegingsplatforms, algoritmen en software voor procescontrole. De echte industriële test is of die onderdelen kunnen worden samengebracht in een systeem dat langdurig stabiel draait, gekalibreerd kan worden en meetgegevens aan waferresultaten koppelt.

Waarom GAA-transistoren om geavanceerdere inspectie vragen

De overgang van FinFET naar gate-all-around-transistoren (GAA) maakt de chipstructuur nadrukkelijker driedimensionaal. Kanalen, poorten en materiaalgrensvlakken liggen deels onder andere lagen verborgen. Een meetmethode die alleen het oppervlak bekijkt, kan daardoor moeite hebben met kritieke afmetingen, zijwandprofielen, laagverschuivingen en ingebedde defecten.8

EUV-metrologie kan zulke informatie indirect afleiden uit diffractie- en verstrooiingssignalen. Methoden zoals scatterometrie, coherent diffractive imaging (CDI) en reflectometrie hoeven de wafer niet fysiek aan te raken. Dat is belangrijk omdat elektronenbundelinspectie weliswaar zeer nauwkeurig kan zijn, maar doorgaans langzaam is en onder bepaalde omstandigheden materialen kan beschadigen.18

De kortere EUV-golflengte is daarbij meer dan alleen een kleiner getal. In een vereenvoudigde verstrooiingsrelatie neemt het signaal sterk toe met de deeltjesgrootte en af bij een langere belichtingsgolflengte. Het uiteindelijke resultaat hangt echter ook af van bronvermogen, optische verliezen, detectieruis, materiaalkeuze en de algoritmen die de structuur uit het signaal reconstrueren.18

Het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) gebruikte een tafelmodel-HHG-bron voor EUV-diffractiemetingen aan lijn- en ruimtestructuren kleiner dan 50 nanometer.33 Een andere studie liet zien dat EUV-scatterometrie gevoelig kan zijn voor profielkenmerken buiten het vlak, met een gevoeligheid op het niveau van één nanometer.34

Waarom maskers met dezelfde golflengte moeten worden gecontroleerd

Een EUV-masker is geen transparante plaat, maar een complexe reflecterende structuur met meerdere lagen. Een defect dat bij een andere golflengte nauwelijks zichtbaar is, kan bij EUV-belichting toch een patroonfout op de wafer veroorzaken.

Daarom verwijst de term actinic inspection naar inspectie met dezelfde golflengte als bij de belichting: 13,5 nanometer. Daarmee kan directer worden beoordeeld of een maskerdefect daadwerkelijk printbaar is. Onderzoek wijst erop dat deze golflengte vooral belangrijk is voor fasefouten in de meerlaagse EUV-maskerstructuur.48

Dat verklaart ook de belangstelling voor hoogharmonische generatie, of HHG. Deze techniek kan EUV-licht met een hoge ruimtelijke en temporele coherentie produceren. Dat maakt de bron interessant voor coherente scatterometrie, diffractiemetingen en lensloze beeldvorming. Samsung beschreef eerder een systeem voor het opnieuw controleren van EUV-maskerdefecten met een zelfstandige HHG-bron.42

Vier lichtbronroutes, vier verschillende afwegingen

LPP: het meeste vermogen, maar ook de grootste complexiteit

Bij laser-produced plasma (LPP) wordt doorgaans een krachtige laser op een druppel vloeibaar tin gericht. Het ontstane plasma produceert EUV-licht rond 13,5 nanometer. ASML gebruikt deze basisroute in zijn commerciële EUV-belichtingssystemen.55

Het sterke punt van LPP is het hoge vermogen, dat beter aansluit bij belichting en inspectie met een hoge doorvoer. Daar staan hoge kosten en grote technische uitdagingen tegenover: de aandrijflaser, controle van tindruppels, beperking van brokstukken, vervuiling van collector-spiegels, warmtebeheer en onderhoud.

Voor inspectie kan LPP meer ruimte bieden voor hoge doorvoer. Voor kleinere ondernemingen betekent de technologie echter ook een hoge kapitaal- en servicebarrière.

DPP: compacter, maar nog niet vanzelf productierijp

Discharge-produced plasma (DPP) maakt EUV-plasma met een elektrische ontlading. De bron kan compacter zijn dan grote versnellerfaciliteiten en wordt daarom genoemd als kandidaat voor bepaalde metrologietoepassingen in de productielijn.1726

De openstaande problemen zijn onder meer slijtage van elektroden, brokstukken, plasmastabiliteit, bronlevensduur en onderhoud. De vraag is niet alleen of DPP 13,5 nm kan produceren, maar ook of de bron langdurig en voorspelbaar genoeg werkt voor een waferfabriek.

FEL en synchrotron: sterk voor onderzoek, lastig op de productievloer

Vrijelektronenlasers (FEL) en synchrotronbronnen bieden hoge helderheid, coherentie en afstembaarheid. Daardoor zijn ze waardevol voor referentiemetingen, materiaalonderzoek, maskeranalyses en procesontwikkeling.

Ze vereisen doorgaans wel omvangrijke en dure versnellerfaciliteiten. Dat maakt ze ongeschikt voor directe plaatsing naast gewone productietools in een waferfabriek. Hun eerste rol ligt daarom waarschijnlijk bij onderzoek en als referentiestandaard waarmee compactere meetinstrumenten kunnen worden vergeleken.

SSMB: een langetermijnoptie voor hoog gemiddeld vermogen

De door Tsinghua University ontwikkelde techniek van steady-state microbunching (SSMB) gebruikt een elektronenbundel in een opslagring. Met een laser en een undulator wordt de bundel gemoduleerd, waarna microbundeling tijdens opeenvolgende omwentelingen in stand wordt gehouden. Het onderliggende principe is experimenteel gedemonstreerd.124

De aantrekkingskracht van SSMB is de combinatie van de hoge herhalingsfrequentie van een opslagring met de coherentie en helderheid van coherente straling. Tsinghua-ontwerpen noemen een EUV-bron van 13,5 nanometer met een gemiddeld vermogen van meer dan 1 kilowatt per tool.310 Dat is een ontwerpdoel en geen bewijs dat zo’n bron al is gebouwd, door een waferfabriek is gecertificeerd of in massaproductie draait.

De belangrijkste obstakels zijn de stabiliteit van de elektronenbundel, lasermodulatie, opslagringregeling, straalkwaliteit, faciliteitsomvang en systeemkosten. SSMB is daarmee vooral een mogelijk bepalende langetermijnroute voor hoogvermogen-EUV, niet de eenvoudigste manier om vandaag een tafelmodel-meetsysteem te bouwen.

Waarom HHG zo belangrijk wordt voor EUV-metrologie

Bij high-harmonic generation wordt een ultrakorte laserpuls in een gas of ander medium gefocusseerd. Daarbij ontstaan hogere harmonischen in het EUV- tot zachte-röntgengebied.3544

HHG heeft verschillende eigenschappen die goed passen bij gespecialiseerde metrologie:

• Compacte opstelling: een tafelmodelbron kan in een laboratorium of gespecialiseerde meettool worden geïntegreerd zonder synchrotronfaciliteit.
• Hoge coherentie: dat helpt bij CDI, scatterometrie, ptychografie en coherente maskerinspectie.
• Flexibele golflengte: verschillende banden kunnen worden gekozen afhankelijk van materiaal, structuur en meetmodel.
• Geen tindruppels: de bron werkt niet met een tinplasma en vermijdt daarmee een deel van de bijbehorende vervuilingsproblemen.
• Ultrasnelle pulsen: HHG is bruikbaar voor tijdsopgeloste metingen en materiaalonderzoek.3544

HHG is vooral aantrekkelijk wanneer hoge coherentie belangrijker is dan het maximale bronvermogen. NIST heeft al EUV-kritieke-afmetingsmetingen uitgevoerd met een tafelmodel-HHG-bron.33 Ook bedrijven als ASML, Intel, Samsung en TSMC zouden HHG-gerelateerde meet- of inspectietechnieken hebben gebruikt of geëvalueerd.1824

Dat betekent niet dat HHG de plasmabron in alle productielijnen heeft vervangen. De techniek kampt nog met een lage conversie-efficiëntie en een beperkt geleverd EUV-vermogen. Ook bronstabiliteit, herhalingsfrequentie, optische verliezen, levensduur en de snelheid waarmee grote oppervlakken kunnen worden gescand, moeten verder verbeteren.

Een technische analyse van volledige EUV-maskerinspectie schatte dat voor specifieke toepassingen ongeveer 1 tot 100 milliwatt bronvermogen nodig kan zijn.51 Die bandbreedte is geen universele drempel: de behoefte hangt af van defectgevoeligheid, scanoppervlak, signaal-ruisverhouding, detector en gewenste doorvoer.

China’s binnenlandse ecosysteem groeit voorbij de lichtbron

Openbare berichtgeving noemt vijf Chinese bedrijven die actief zouden zijn in verschillende delen van de keten: Huaxin Aurora (华芯极光), Langdao Technology (朗道科技), Yunqi Jiyao (云栖极耀), Huari Laser (华日激光) en Haoyu Xinguang (皓宇芯光).17

Volgens die berichtgeving lopen hun activiteiten uiteen van laser- en bronontwikkeling tot apparatuur en systeemintegratie. Haoyu Xinguang richt zich daarbij op de HHG-route.17 Zulke bedrijfsnamen laten zien dat er een cluster rond EUV-metrologie ontstaat, maar vormen op zichzelf nog geen bewijs van productierijpe tools.

Het duidelijkst gedocumenteerde academische versnellerprogramma is het SSMB-project van Tsinghua University. De experimentele principevalidatie werd uitgevoerd met Helmholtz-Zentrum Berlin en het Duitse nationale metrologie-instituut Physikalisch-Technische Bundesanstalt.214 Dat onderstreept hoe sterk deze ontwikkeling nog leunt op expertise uit de versneller- en meetwetenschap.

Een duurzaam binnenlands ecosysteem heeft bovendien veel meer nodig dan een EUV-bron:

• meerlaagse EUV-spiegels, vacuümkamers en systemen voor vervuilingsbeheersing;
• detectoren, precisieplatforms, uitlijning, kalibratie en radiometrie;
• modellen voor scatterometrie, beeldreconstructie, defectclassificatie en procescontrole;
• maskerblanks, pellicles, fotoresist en teststructuren voor waferprocessen;
• toegang tot waferfabrieken om meetresultaten te koppelen aan printbaarheid, elektrische eigenschappen en opbrengst.

De omvang van de binnenlandse sector moet daarom niet alleen worden afgemeten aan het aantal bedrijven dat aan EUV-bronnen werkt. Belangrijker zijn leverbare complete systemen, een betrouwbare kalibratieketen en een datalus die aantoonbaar aansluit op echte productie.

De vijf moeilijkste stappen van prototype naar productietool

1. Effectief vermogen en doorvoer

Het vermogen aan de bron is niet hetzelfde als het aantal bruikbare fotonen dat na optische verliezen het masker of de wafer bereikt en in een betrouwbaar signaal wordt omgezet. Een tool moet defectgevoeligheid, scanoppervlak, belichtingstijd en ruis tegen elkaar afwegen.

2. Stabiliteit op lange termijn

Een waferfabriek heeft een instrument nodig dat over meerdere ploegen en maanden voorspelbaar werkt. Golflengte, dosis, bundelrichting, coherentie en detectorrespons moeten voortdurend kunnen worden bewaakt, gekalibreerd en onderhouden.

3. Levensduur en onderhoud

Lasers, plasmacomponenten, vacuümsystemen, spiegels en detectoren bepalen samen de onderhoudsintervallen. Vervuiling, geleidelijke achteruitgang van optische prestaties en de kosten van kritieke vervangingsonderdelen bepalen uiteindelijk de totale eigendomskosten.

4. Correlatie met het echte waferresultaat

Een scherp beeld is niet het einddoel. De gemeten kritieke afmetingen, overlayfouten en defectkenmerken moeten kunnen voorspellen hoe een patroon op de wafer wordt geprint, hoe een transistor elektrisch presteert en wat het effect op de opbrengst is. Zonder die correlatie blijft een meetresultaat moeilijk bruikbaar voor productiecontrole.

5. Integratie met proces en software

EUV-inspectie moet passen bij maskers, fotoresistlagen, pellicles, films, waferoppervlakken, automatische materiaalhandling en de datasystemen van de fabriek. Langdurige klantkwalificatie, vergelijking met bestaande tools en gegevens uit het veld wegen vaak zwaarder dan één geslaagde laboratoriumdemonstratie.3050

Waar moet je op letten om echte volwassenheid te herkennen?

De belangrijkste signalen zijn niet alleen aankondigingen van een team dat 13,5 nm EUV-licht heeft geproduceerd. Relevanter zijn:

• langdurige bedrijfsgegevens in plaats van een korte demonstratie;
• openbaar gemaakte waarden voor effectief monstervermogen en scan-doorvoer;
• traceerbare kalibratie van defectgevoeligheid, kritieke afmetingen en overlay;
• correlatie met elektronenbundelmetingen, synchrotrondata of elektrische waferresultaten;
• langdurige tests en formele kwalificatie door een waferfabriek.

Op basis van de openbare informatie ligt een gefaseerde ontwikkeling voor de hand. HHG kan eerst doorbreken in onderzoek, maskerherinspectie en gespecialiseerde metrologie. DPP en andere compacte plasmabronnen kunnen bepaalde inline-toepassingen bedienen. Synchrotronbronnen en SSMB blijven vooral belangrijk voor hoogwaardige lichtbron- en meetwetenschap, terwijl LPP zijn rol behoudt in toepassingen met de hoogste vermogens- en doorvoereisen.

China heeft dus de eerste contouren van een binnenlands EUV-metrologie-ecosysteem zichtbaar gemaakt. De afstand tussen een ecosysteem en massaproductie blijft echter aanzienlijk. De doorslaggevende stap is niet simpelweg 13,5 nm licht produceren, maar lichtbron, optiek, detectoren, algoritmen, procesmaterialen en fabrieksdata samenbrengen in een betrouwbare tool die langdurig kan draaien en door een waferfabrikant wordt vertrouwd.