Chiński ekosystem metrologii EUV nabiera kształtu: od DUV 193 nm do pomiarów przy 13,5 nm

To nie jest jeszcze chińska maszyna EUV

W zaawansowanej produkcji układów scalonych kontrola procesu staje się równie trudna jak samo formowanie wzoru na waflu. Litografia EUV wykorzystuje światło o długości fali 13,5 nm, podczas gdy tradycyjne systemy pomiarowe DUV często pracują przy 193 lub 248 nm. Wraz ze zmniejszaniem się wymiarów krytycznych, defektów masek i przestrzennych struktur tranzystorów rośnie zapotrzebowanie na pomiary o wyższej rozdzielczości, dużej szybkości oraz niskim ryzyku uszkodzenia materiału.5532

Warto jednak precyzyjnie opisać obecny stan. Chiny nie zaprezentowały publicznie kompletnego, krajowego skanera EUV zweryfikowanego w produkcji wielkoseryjnej. Kształtuje się natomiast ekosystem metrologii EUV: źródła światła, zwierciadła, układy próżniowe, detektory, precyzyjne platformy ruchu, algorytmy rekonstrukcji i oprogramowanie kontroli procesu. O powodzeniu zadecyduje nie samo wytworzenie promieniowania 13,5 nm, lecz integracja wszystkich tych elementów w system, który będzie działał stabilnie, da się kalibrować i połączy wyniki pomiarów z rzeczywistymi danymi z fabryki wafli.

Dlaczego tranzystory GAA wymagają bardziej zaawansowanych pomiarów

Przejście od tranzystorów FinFET do konstrukcji typu gate-all-around (GAA), czyli tranzystorów z bramką otaczającą kanał, zwiększa znaczenie geometrii trójwymiarowej. Kanały, bramki i interfejsy materiałowe mogą znajdować się częściowo pod warstwami pokrywającymi, a sam obraz powierzchni nie wystarcza do oceny wymiarów krytycznych, profilu ścian bocznych, przesunięć między warstwami czy ukrytych defektów. Publiczne analizy wskazują, że struktury GAA są jednym z czynników napędzających rozwój wysokorozdzielczych, bezkontaktowych metod kontroli.8

Krótsza fala nie jest jednak magicznym rozwiązaniem. W pomiarach rozpraszania zarówno rozmiar defektu, jak i długość fali oświetlenia silnie wpływają na intensywność sygnału. Przejście do EUV może zwiększyć czułość na defekty nanometrowe, ale ostateczny rezultat zależy również od mocy źródła, jakości optyki, szumu detektora, materiału próbki i algorytmów rekonstrukcji.18

Metrologia EUV może wykorzystywać rozpraszanie, koherentne obrazowanie dyfrakcyjne (CDI) oraz obrazowanie refleksyjne. Parametry struktury są wtedy odtwarzane z sygnału dyfrakcyjnego, bez fizycznego kontaktu sondy z waflem. NIST wykorzystał stołowe źródło HHG do pomiarów dyfrakcyjnych struktur line-space o wymiarach mniejszych niż 50 nm. Inne badanie wykazało, że rozpraszanie EUV pozwala wykrywać cechy przestrzenne dwuwymiarowych struktur połączeń z czułością na poziomie pojedynczych nanometrów.3334

Dlaczego maski wymagają kontroli w tej samej długości fali

Maska EUV nie jest zwykłą przezroczystą płytką. Zawiera wielowarstwową, odbijającą strukturę, w której defekt fazowy może być trudny do oceny przy długości fali innej niż ta używana podczas naświetlania. Termin „actinic inspection” oznacza zazwyczaj kontrolę przy tej samej długości fali 13,5 nm, aby bezpośredniej ocenić, czy defekt zostanie odwzorowany na waflu. Badania wskazują, że taka inspekcja ma szczególne znaczenie przy identyfikacji krytycznych defektów fazowych w wielowarstwowych maskach EUV.48

To jeden z powodów, dla których uwagę przyciąga HHG. Źródło wysokich harmonicznych może generować koherentne przestrzennie i czasowo promieniowanie EUV, przydatne w mikroskopii koherentnego rozpraszania, pomiarach dyfrakcyjnych i obrazowaniu bez soczewek. Materiały firmy Samsung opisywały system kontroli i ponownej inspekcji defektów masek EUV z niezależnym źródłem HHG. Oznacza to, że HHG weszło przynajmniej do dyskusji technologicznej dotyczącej specjalistycznych systemów do kontroli masek i prac badawczo-rozwojowych.42

Cztery główne drogi rozwoju źródeł EUV

LPP: największa moc, najwyższa złożoność

W źródłach typu LPP, czyli laser-produced plasma, laser dużej mocy uderza w krople ciekłej cyny i wytwarza plazmę emitującą promieniowanie EUV o długości fali 13,5 nm. Jest to podstawowa droga zastosowana w komercyjnych systemach EUV firmy ASML.55

Zaletą LPP jest moc bliższa wymaganiom litografii i pomiarów o wysokiej przepustowości. Ceną są jednak: laser napędowy dużej mocy, precyzyjna kontrola kropli cyny, ograniczanie zanieczyszczeń, ochrona zwierciadeł kolektorowych, zarządzanie ciepłem i wymagania serwisowe. Dla urządzeń pomiarowych LPP może zapewnić większy margines przepustowości, ale dla mniejszych firm oznacza również wysoki próg kapitałowy i inżynieryjny.

DPP: bardziej kompaktowy kandydat

DPP, czyli discharge-produced plasma, wykorzystuje wyładowanie elektryczne do utworzenia plazmy EUV. W porównaniu z dużymi instalacjami akceleratorowymi może być bardziej kompaktowe i potencjalnie odpowiadać części wymagań dotyczących mocy w metrologii. Chińskie publikacje i doniesienia wymieniają DPP jako jedną z rozwijanych w kraju dróg.1726

Pozostają jednak problemy zużycia elektrod, zanieczyszczeń, stabilności plazmy, żywotności źródła i długoterminowej obsługi. O przydatności dla linii produkcyjnej nie decyduje samo uzyskanie światła 13,5 nm, lecz możliwość ciągłej pracy oraz przewidywalny cykl konserwacji.

FEL i synchrotron: znakomite do badań, trudne do wdrożenia w fabryce

Lasery na swobodnych elektronach (FEL) i źródła synchrotronowe oferują wysoką jasność, koherencję i możliwość przestrajania. Są wartościowe w pomiarach referencyjnych, badaniach materiałowych, analizie masek i rozwoju procesu. Zwykle wymagają jednak dużych instalacji akceleratorowych, których rozmiar, koszt i warunki pracy nie sprzyjają bezpośredniemu umieszczeniu na typowej hali produkcyjnej.

Bardziej prawdopodobna rola takich źródeł to tworzenie standardów pomiarowych i platform badawczych dostarczających danych porównawczych dla mniejszych narzędzi, a nie natychmiastowe zastąpienie kompaktowych systemów używanych na linii.

SSMB: długoterminowa koncepcja wysokiej mocy średniej

SSMB, czyli steady-state microbunching — stabilne mikroupakowanie — wykorzystuje wiązkę elektronów w pierścieniu akumulacyjnym. Laser moduluje wiązkę w undulatorze, a mikroupakowanie jest utrzymywane podczas kolejnych obiegów, co umożliwia generowanie koherentnego promieniowania.124

Projekt kierowany przez Uniwersytet Tsinghua przeszedł demonstrację zasady działania. Kolejne koncepcje zakładają promieniowanie EUV o długości fali 13,5 nm, wysokiej mocy średniej i wąskim paśmie. W materiałach projektowych pojawia się cel przekraczający 1 kW na urządzenie, ale jest to wskaźnik projektowy i badawczy, a nie dowód istnienia źródła zbudowanego i certyfikowanego do produkcji wafli.310

Największe wyzwania SSMB obejmują stabilność wiązki elektronów, modulację laserową, sterowanie pierścieniem akumulacyjnym, jakość wiązki, rozmiar infrastruktury i koszt całego systemu. To raczej długoterminowa droga, która może zmienić sposób dostarczania wysokiej mocy EUV, niż najłatwiejsza do wdrożenia opcja dla kompaktowego narzędzia pomiarowego.

Dlaczego HHG jest ważnym kandydatem dla metrologii nowej generacji

W procesie HHG, czyli high-harmonic generation, ultrakrótkie impulsy laserowe są skupiane w gazie lub innym ośrodku. Powstają wówczas wysokie harmoniczne obejmujące zakres od EUV po miękkie promieniowanie rentgenowskie. W porównaniu ze źródłami plazmowymi opartymi na cynie HHG ma kilka istotnych zalet:

• Potencjał konstrukcji stołowej: nie wymaga dużej instalacji synchrotronowej i może trafić do laboratorium lub specjalistycznego narzędzia pomiarowego;
• Wysoka koherencja: sprzyja CDI, pomiarom rozpraszania, ptychografii i kontroli masek;
• Elastyczny dobór długości fali: umożliwia dopasowanie zakresu do materiału, struktury i modelu pomiarowego;
• Mniejsze ryzyko zanieczyszczeń metalem: źródło nie opiera się na plazmie z kropli cyny;
• Charakterystyka ultraszybka: przydatna w pomiarach rozdzielczych w czasie i badaniach materiałowych.3544

HHG jest szczególnie interesujące tam, gdzie potrzebna jest wysoka koherencja, lecz niekoniecznie moc na poziomie wymaganym przez litografię. NIST prowadził pomiary wymiarów krytycznych z użyciem stołowego źródła HHG, a literatura badawcza wskazuje HHG jako ważny kierunek dla metrologii i obrazowania EUV.3335

Ograniczenia są równie wyraźne: niska sprawność konwersji i niewielka moc wyjściowa, a także wymagania dotyczące stabilności wiązki, pracy długoterminowej, częstotliwości powtarzania, strat optycznych i skanowania dużych powierzchni. Analizy inżynieryjne dotyczące pełnowymiarowej inspekcji masek EUV szacowały zapotrzebowanie na moc źródła rzędu około 1–100 mW. Wymaganie to zależy jednak od czułości na defekty, wielkości skanowanego obszaru, stosunku sygnału do szumu i przepustowości, dlatego pojedynczej wartości nie należy traktować jako uniwersalnego progu dla każdego urządzenia.51

Publiczne materiały wskazują, że ASML, Intel, Samsung i TSMC wykorzystywały lub oceniały technologie HHG w kontekście pomiarów i inspekcji.1824 Nie oznacza to jednak, że HHG powszechnie zastąpiło źródła plazmowe we wszystkich wysokowydajnych systemach produkcyjnych. Silniejsze są dowody na zastosowania w narzędziach rozwojowych, badaniach inspekcji actinic i wyspecjalizowanych systemach pomiarowych.

Chiński ekosystem: od źródła do integracji systemowej

Publiczne doniesienia wymieniają pięć chińskich firm działających w obszarze źródeł, laserów, urządzeń i integracji systemów: Huaxin Aurora, Langdao Technology, Yunqi Jiyao, Huari Laser oraz Haoyu Xinguang. Według tych doniesień Haoyu Xinguang koncentruje się na technologii HHG.17

Najwyraźniej udokumentowaną akademicką ścieżką akceleratorową pozostaje program SSMB Uniwersytetu Tsinghua. Demonstrację zasady działania przeprowadzono we współpracy z Helmholtz-Zentrum Berlin oraz niemieckim Federalnym Instytutem Fizyki i Metrologii (PTB), co pokazuje, że rozwój tej dziedziny nadal wymaga silnych kompetencji w fizyce akceleratorów i nauce o pomiarach.214

Trwały krajowy ekosystem musi obejmować znacznie więcej niż samo źródło światła:

• wielowarstwowe zwierciadła EUV, komory próżniowe i kontrolę zanieczyszczeń;
• detektory, precyzyjne platformy, układy pozycjonowania, kalibrację i radiometrię;
• modele rozpraszania, rekonstrukcję obrazów, klasyfikację defektów i oprogramowanie kontroli procesu;
• półfabrykaty masek, membrany ochronne, fotorezysty oraz struktury testowe wafli;
• współpracę z fabrykami wafli w celu powiązania wyników pomiarów z rzeczywistym odwzorowaniem wzoru, parametrami elektrycznymi układów i uzyskiem.

Dlatego stopnia krajowej autonomii nie powinno się oceniać wyłącznie na podstawie liczby firm pracujących nad źródłami EUV. Ważniejsze będzie to, czy powstają kompletne urządzenia, stabilne procedury kalibracyjne i zamknięta pętla danych z rzeczywistej produkcji.

Pięć barier między prototypem a narzędziem produkcyjnym

1. Użyteczna moc i przepustowość

Moc wygenerowana przez źródło nie jest równa mocy, która dociera do próbki, przechodzi przez układ optyczny i zostaje zamieniona w użyteczny sygnał. Narzędzie musi pogodzić czułość na defekty, wielkość skanowanego obszaru, czas ekspozycji i poziom szumu.

2. Stabilność w długim okresie

Fabryka potrzebuje urządzenia działającego przez zmiany i miesiące, a nie tylko stanowiska, które osiąga dobre parametry podczas krótkiego eksperymentu. Długość fali, dawka, kierunek wiązki, koherencja i odpowiedź detektora muszą być monitorowane, kalibrowane i serwisowalne.

3. Żywotność źródła i całego systemu

Na cykl konserwacji wpływają komponenty plazmowe, lasery, próżnia, zwierciadła i detektory. Zanieczyszczenia, degradacja optyki oraz koszt wymiany kluczowych części przekładają się bezpośrednio na całkowity koszt posiadania urządzenia.

4. Korelacja z rzeczywistym wynikiem na waflu

Sam obraz o wysokiej rozdzielczości nie jest celem końcowym. Narzędzie musi wykazać, że zmierzone wymiary krytyczne, błędy nakładania warstw lub cechy defektów pozwalają przewidywać rzeczywiste odwzorowanie wzoru, parametry urządzenia i uzysk. Bez tego wynik pomiaru trudno włączyć do kontroli produkcji.

5. Integracja z procesem i oprogramowaniem

Metrologia EUV musi współpracować z maskami, fotorezystami, membranami, topografią wafla, automatycznym transportem, interfejsami danych i systemami kontroli procesu w fabryce. Długi proces kwalifikacji klienta, testy porównawcze i dane z pracy w zakładzie często mają większe znaczenie dla komercjalizacji niż pojedyncza demonstracja laboratoryjna.3050

Jak oceniać, czy chińska metrologia EUV dojrzewa

Najważniejsze nie będzie samo ogłoszenie, że zespół uzyskał światło 13,5 nm. Należy sprawdzać, czy opublikowano dane z ciągłej pracy, jaka jest użyteczna moc na próbce, jaka przepustowość skanowania została osiągnięta, czy wyniki są objęte kalibracją metrologiczną oraz czy istnieje korelacja z pomiarami wiązką elektronów, synchrotronem albo parametrami elektrycznymi wafla. Kluczowym sygnałem będzie także długoterminowe testowanie i kwalifikacja przez fabrykę wafli.

Najbardziej prawdopodobna wydaje się ścieżka etapowa. HHG może najpierw trafić do laboratoriów badawczych, kontroli masek i wyspecjalizowanych systemów pomiarowych. DPP i inne kompaktowe źródła plazmowe mogą próbować wejść do części zastosowań in-line. Synchrotrony i SSMB będą rozwijać naukę o źródłach oraz pomiary referencyjne, natomiast LPP pozostanie ważne w zastosowaniach wymagających najwyższej mocy i przepustowości.

Chiński ekosystem metrologii EUV rzeczywiście zaczyna wychodzić poza pojedyncze eksperymenty dotyczące źródeł światła i obejmować urządzenia oraz integrację systemową. Między „powstaje ekosystem” a „narzędzie nadaje się do produkcji wielkoseryjnej” pozostaje jednak wyraźna różnica. O wyniku przesądzi nie samo wytworzenie promieniowania 13,5 nm, lecz połączenie źródła, optyki, detektora, algorytmów, materiałów procesowych i walidacji na waflach w niezawodne narzędzie dla fabryki.