Kinas EUV-måleteknologi tar form – fra 193 nm DUV til 13,5 nm

Kina bygger måleøkosystem – ikke en ferdig EUV-maskin

Avansert brikkeproduksjon beveger seg mot stadig mer komplekse tredimensjonale strukturer og mindre feilmarginer. EUV-litografi bruker lys med en bølgelengde på 13,5 nanometer, mens eldre dyp-ultrafiolette målesystemer ofte arbeider ved 193 eller 248 nanometer. Når kritiske dimensjoner, maske defekter og transistorstrukturer krymper, må måleutstyret kombinere høyere oppløsning med fart og minst mulig påvirkning av prøven.5532

Det som nå ser ut til å ta form i Kina, er derfor ikke en ferdig innenlandsk EUV-litografimaskin som er verifisert for masseproduksjon. Det er snarere et teknologisk økosystem rundt EUV-måling: lyskilder, speil, vakuumsystemer, detektorer, presisjonsbord, algoritmer og programvare for prosesskontroll.

Det avgjørende spørsmålet blir om disse delene kan integreres i et system som fungerer stabilt over lang tid, kan kalibreres og kobles til data fra waferfabrikken.

Hvorfor GAA-transistorer krever mer avansert inspeksjon

Overgangen fra FinFET til gate-all-around-transistorer (GAA) gjør transistorene mer tredimensjonale. Kanaler, porter og grenseflater kan ligge delvis skjult under andre materiallag. Et system som bare ser overflaten, får derfor problemer med å fastslå kritiske dimensjoner, sideveggprofiler, forskyvninger mellom lag og begravde defekter. GAA-strukturer blir derfor trukket frem som en viktig drivkraft for nye, kontaktløse målemetoder med høy oppløsning.8

Verdien av 13,5 nm EUV handler dessuten ikke bare om at bølgelengden er kortere. I spredningsmålinger påvirkes signalstyrken kraftig av både defektens størrelse og belysningsbølgelengden. Kortere bølgelengde kan gjøre systemet mer følsomt for defekter i nanometerskala, men resultatet avhenger også av lyskildens effekt, optikken, detektorstøy, materialene i prøven og algoritmene som rekonstruerer strukturen.18

EUV-måling kan bruke blant annet spredningsmåling, koherent diffraksjonsavbildning (CDI) og refleksjonsbasert avbildning. I stedet for å berøre waferen forsøker systemet å beregne strukturparametere ut fra diffraksjonssignalet. USAs nasjonale institutt for standarder og teknologi, NIST, har brukt en bordmodellbasert HHG-kilde til EUV-diffraksjonsmåling av linje-og-mellomrom-strukturer under 50 nm. En annen studie viste at EUV-spredningsmåling kunne registrere tredimensjonale trekk i en todimensjonal forbindelsesstruktur med følsomhet på enkelt-nanometerskala.3334

EUV-masker må helst kontrolleres med samme bølgelengde

En EUV-maske er ikke en enkel, gjennomsiktig sjablong. Den består av komplekse, flerlags reflekterende filmer. En fasefeil som ser harmløs ut ved en annen bølgelengde, kan likevel bli overført til waferen under EUV-eksponering.

Derfor brukes begrepet «actinic inspection» om inspeksjon ved samme bølgelengde som i eksponeringen – 13,5 nm. Metoden skal gi et mer direkte svar på om en maskefeil faktisk kan trykkes på waferen. Forskning peker særlig på at 13,5 nm er viktig for å oppdage kritiske fasefeil i EUV-maskenes flerlagsstruktur.48

Dette er en av grunnene til at høyharmonisk generering, HHG, får oppmerksomhet. Metoden kan produsere koherent EUV-lys med både romlig og tidsmessig koherens, noe som passer for koherent spredningsmikroskopi, diffraksjonsmålinger og linsefri avbildning. Samsung har offentlig omtalt et system for gjennomgang av EUV-maskefeil basert på en separat HHG-kilde. Det viser at HHG har kommet inn i utviklingen av spesialisert maskeinspeksjon og forskningsutstyr.42

Fire veier til en EUV-lyskilde

LPP: høyest effekt, størst kompleksitet

Laserprodusert plasma, LPP, bruker vanligvis en kraftig laser til å treffe dråper av flytende tinn. Plasmaprosessen produserer EUV-lys ved 13,5 nm. Dette er den grunnleggende løsningen som brukes i ASMLs kommersielle EUV-systemer.55

Fordelen er at LPP ligger nærmere effektbehovet for litografi og inspeksjon med høy gjennomstrømning. Ulempen er en svært krevende konstruksjon: drivlaser med høy effekt, presis kontroll av tinn-dråpene, håndtering av partikler, forurensning av samlerspeil, kjøling og omfattende vedlikehold.

For måleutstyr kan LPP gi stort potensial for høy gjennomstrømning. For mindre selskaper betyr teknologien samtidig høye kapital-, utviklings- og servicekostnader.

DPP: en mer kompakt plasmakandidat

Ved utladningsprodusert plasma, DPP, dannes EUV-plasmaet gjennom en elektrisk utladning. Systemet kan potensielt bli mer kompakt enn store akseleratoranlegg og kan passe enkelte effektbehov innen måling. Kinesiske rapporter omtaler DPP som en av rutene som utforskes i landet.1726

Utfordringene er blant annet elektrodeslitasje, partikler, plasmastabilitet, kildens levetid og vedlikehold over tid. At en kilde kan produsere 13,5 nm-lys, er ikke i seg selv nok til å kvalifisere den for en produksjonslinje. Den må også kunne kjøre kontinuerlig og forutsigbart.

FEL og synkrotron: sterke forskningsverktøy, tunge produksjonsløsninger

Frielektronlasere, FEL, og synkrotronbaserte lyskilder kan tilby høy lysstyrke, koherens og justerbar bølgelengde. Det gjør dem attraktive for referansemålinger, materialforskning, maskeanalyse og prosessutvikling.

Samtidig krever de normalt store akseleratoranlegg. Størrelse, kostnad og driftsbetingelser gjør dem lite egnet for direkte plassering på en vanlig produksjonslinje i en waferfabrikk.

Akseleratorbaserte kilder kan derfor først og fremst få rollen som forsknings- og standardiseringsplattformer. De kan levere referansedata som andre, mer kompakte målesystemer sammenlignes med.

SSMB: en langsiktig høyytelsesløsning

Tsinghua-universitetets teknologi for «steady-state microbunching», SSMB, bruker en lagringsring for elektroner. Elektronstrålen moduleres med laser i en undulator, slik at elektronene danner mikrobunter som kan opprettholdes mens strålen går rundt i ringen. Dermed kan systemet produsere koherent stråling med høy repetisjonsfrekvens.124

Tsinghua-miljøet har presentert en plan for 13,5 nm EUV-stråling med høy gjennomsnittseffekt og smal båndbredde. Noen utviklingsdokumenter angir et mål på mer enn 1 kilowatt per verktøy, men dette er et design- og forskningsmål – ikke dokumentasjon på en ferdig kilde som er bygget og godkjent for masseproduksjon.310

SSMB må fortsatt løse krevende problemer knyttet til elektronstrålens stabilitet, lasermodulering, kontroll av lagringsringen, strålekvalitet, anleggsstørrelse og kostnad. Teknologien fremstår derfor som en mulig langsiktig løsning for høy effekt, snarere enn som det enkleste veivalget for et kompakt måleinstrument.

Hvorfor HHG er en viktig kandidat for neste generasjons måling

Høyharmonisk generering, HHG, fokuserer en femtosekundlaser i en gass eller et annet medium. Prosessen skaper overtoner med bølgelengder i EUV- og bløtrøntgenområdet.

Sammenlignet med tinnbaserte plasmakilder har HHG flere potensielle fordeler:

• Bordmodellformat: Kilden trenger ikke et stort synkrotronanlegg og kan bygges inn i laboratorie- og spesialutstyr.
• Høy koherens: Dette er nyttig for koherent diffraksjonsavbildning, spredningsmåling, ptychografi og maskeinspeksjon.
• Fleksibel bølgelengde: Målebølgelengden kan tilpasses materialet, strukturen og beregningsmodellen.
• Mindre risiko for partikkelforurensning: HHG er ikke avhengig av tinn-dråper som danner plasma.
• Ultrarask drift: Kilden kan brukes i tidsoppløste målinger og materialforskning.3544

HHG passer særlig godt når målingen trenger høy koherens, men ikke nødvendigvis litografieffekt på hundrevis av watt. NIST har allerede brukt en bordmodellbasert HHG-kilde til EUV-måling av kritiske dimensjoner, og forskningslitteraturen omtaler HHG som en viktig retning for EUV-måling og avbildning.3335

Begrensningene er imidlertid tydelige. Omformingseffektiviteten og den tilgjengelige EUV-effekten er lav, mens strålestabilitet, langtidsdrift, repetisjonsfrekvens, optiske tap og skanning av store områder fortsatt må forbedres. En teknisk analyse av fullskala EUV-maskeinspeksjon har anslått at enkelte bruksområder kan kreve rundt 1–100 milliwatt fra kilden. Det faktiske kravet varierer med følsomhet, skanneareal, signal-til-støy-forhold og gjennomstrømning, så ett enkelt effekttall kan ikke brukes som en universell terskel for alle inspeksjonssystemer.51

Offentlig tilgjengelig materiale viser at ASML, Intel, Samsung og TSMC har brukt eller vurdert HHG-relatert måle- og inspeksjonsteknologi.1824 Det betyr likevel ikke at HHG allerede har erstattet plasmakilder i høyvolumsproduksjon. Dokumentasjonen er langt sterkere for utviklingsverktøy, spesialisert maskeinspeksjon og forskningsmålinger enn for en fullstendig produksjonsløsning i alle fabrikker.

Kinas innenlandske økosystem strekker seg utover lyskilden

Offentlige rapporter nevner de kinesiske selskapene Huaxin Aurora, Langdao Technology, Yunqi Jiyao, Huari Laser og Haoyu Xinguang. Selskapene beskrives som aktører innen lyskilder, lasere, utstyr og systemintegrasjon, mens Haoyu Xinguang særlig forbindes med HHG-sporet.17

På universitets- og forskningssiden er Tsinghua-universitetets SSMB-program den tydeligst dokumenterte kinesiske akseleratorbaserte retningen. Den tidlige prinsippdemonstrasjonen ble gjennomført i samarbeid med Helmholtz-Zentrum Berlin og Tysklands nasjonale metrologiinstitutt, PTB. Det illustrerer samtidig hvor mye kompetanse innen akseleratorer og presisjonsmåling dette feltet krever.214

Et varig kinesisk økosystem må også dekke flere områder enn selve lyskilden:

• flerlagsreflektorer, vakuumkamre og kontroll av forurensning;
• detektorer, presisjonsplattformer, innretting, kalibrering og radiometri;
• modeller for spredning, bilde- og signalrekonstruksjon, defektklassifisering og programvare for prosesskontroll;
• maskeblanker, pelikler, fotoresist, tynne filmer og teststrukturer for waferprosesser;
• samarbeid med waferfabrikker for å koble måleresultater til faktisk mønsteroverføring, elektriske egenskaper og utbytte.

Det er med andre ord ikke nok å telle hvor mange selskaper som utvikler EUV-kilder. Man må også se etter leverbare komplette systemer, stabile kalibreringsrutiner og en reell datakjede mellom måling og produksjonsresultat.

Fem terskler mellom laboratoriet og produksjonslinjen

1. Nyttig effekt og gjennomstrømning

Effekten som produseres i kilden, er ikke det samme som effekten som når prøven. Optikken absorberer og sprer en del av lyset, og bare en del av signalet ender i detektoren. Utstyret må derfor balansere defektfølsomhet, skanneareal, eksponeringstid og støy.

2. Stabilitet over lang tid

En waferfabrikk trenger et verktøy som fungerer på tvers av skift og måneder, ikke bare en demonstrasjon som gir gode resultater i korte perioder. Bølgelengde, dose, stråleretning, koherens og detektorrespons må kunne overvåkes, kalibreres og vedlikeholdes.

3. Levetid og service

Lasere, plasmakomponenter, vakuumsystemer, speil og detektorer påvirker alle serviceintervallet. Partikkelforurensning, svekket optisk ytelse og kostnader ved utskifting av nøkkelkomponenter vil til slutt avgjøre utstyrets totale eierkostnad.

4. Målingen må henge sammen med waferresultatet

Et bilde med høy oppløsning er ikke målet i seg selv. Systemet må vise at målt kritisk dimensjon, overlegg eller defektprofil kan forutsi hvordan mønsteret faktisk trykkes på waferen, hvordan komponenten fungerer elektrisk og hvordan produksjonsutbyttet påvirkes.

5. Integrasjon med prosess og programvare

EUV-inspeksjon må fungere sammen med masker, fotoresist, tynne filmer, waferens overflateprofil, automatisk håndtering, dataformater og fabrikkens systemer for prosesskontroll. Langvarig kundekvalifisering, sammenligninger med etablerte verktøy og data fra faktisk drift vil ofte være viktigere enn én vellykket laboratoriedemonstrasjon.3050

Slik kan man se om Kina faktisk nærmer seg produksjonsklar EUV-måling

De mest interessante indikatorene fremover er ikke bare om et forskningsmiljø kan produsere 13,5 nm-lys. Det er viktigere å se etter:

• data fra kontinuerlig drift;
• dokumentert nyttig effekt ved prøven og reell skannehastighet;
• sporbar kalibrering av defektmålinger;
• samsvar med resultater fra elektronstråleutstyr, synkrotron eller elektriske wafermålinger;
• langvarig utprøving og kvalifisering hos waferfabrikker.

Den mest sannsynlige veien kan bli trinnvis. HHG kan først få fotfeste i forskning, maskeinspeksjon og spesialisert måleutstyr. DPP og andre kompakte plasmakilder kan forsøke å dekke enkelte behov i produksjonslinjen. Synkrotron og SSMB kan fortsette å spille en rolle innen avanserte kilder og metrologisk forskning, mens LPP beholder en sentral posisjon der effekt og gjennomstrømning er viktigst.

Kinas EUV-måleøkosystem har dermed fått konturene av en industriell struktur, men det er fortsatt stor avstand mellom «et økosystem er i ferd med å ta form» og «teknologien er klar for masseproduksjon». Det som til slutt avgjør, er ikke bare evnen til å lage 13,5 nm-lys. Utfordringen er å samle lyskilde, optikk, detektor, algoritmer, prosessmaterialer og waferfabrikkens validering i ett pålitelig verktøy som kan gå døgnet rundt.