Kinas EUV-mätteknik tar form – från 193 nm DUV till 13,5 nm

Avancerad chiptillverkning pressar mättekniken mot mer tredimensionella strukturer och allt mindre defekter. EUV-litografi använder en våglängd på 13,5 nanometer, medan traditionella DUV-system för mätning ofta arbetar vid 193 eller 248 nanometer. När kritiska dimensioner, maskdefekter och transistorgeometrier krymper måste inspektionsutrustningen kombinera högre upplösning med hög hastighet och låg risk för materialskador.5532

Det som växer fram i Kina är inte en färdig, produktionsvaliderad inhemsk EUV-litografimaskin. Snarare handlar det om ett tekniskt ekosystem för EUV-mätning: ljuskällor, reflektiva optiksystem, vakuumteknik, detektorer, precisionssteg, algoritmer och programvara för processtyrning. Den verkliga industrialiseringen avgörs av om delarna kan integreras till system som fungerar stabilt över tid, kan kalibreras och kan kopplas till data från en halvledarfabrik.

Varför GAA-transistorer kräver mer avancerad EUV-inspektion

Övergången från FinFET till gate-all-around-transistorer (GAA) gör kanal, gate och gränsskikt mer tredimensionella. Vissa viktiga strukturer ligger dessutom under täckande lager eller vid materialgränser. En metod som bara ser ytan kan därför missa information om kritiska dimensioner, sidoväggarnas profil, lagerförskjutning och begravda defekter. GAA-strukturen anges i öppna rapporter som en viktig drivkraft bakom behovet av nya, högupplösta och beröringsfria mätmetoder.8

Värdet med 13,5 nm EUV är inte bara att våglängden är kortare. Vid spridningsmätning påverkas signalen kraftigt av både defektens storlek och belysningens våglängd. En kortare våglängd kan öka känsligheten för defekter på nanometerskalan, men det slutliga resultatet beror också på ljuskällans effekt, optiken, detektorbrus, provets material och algoritmerna som används för att återskapa strukturen.18

EUV-mätning kan använda bland annat spridningsmätning, koherent diffraktionsavbildning (CDI) och reflektiv avbildning. I stället för att låta en prob röra vid wafern kan systemet analysera diffraktionssignaler och därifrån beräkna strukturparametrar. NIST har använt en bordsbaserad HHG-källa för EUV-diffraktionsmätning av linje-mellanrum-strukturer under 50 nm. En annan studie visade att EUV-spridningsmätning kunde känna av tredimensionella egenskaper i en tvådimensionell sammankopplingsstruktur med känslighet på enstaka nanometer.3334

Därför behöver EUV-masker inspekteras vid samma våglängd

En EUV-mask är inte en genomskinlig schablon, utan en komplex struktur med flera reflekterande lager. Vissa fasdefekter är svåra att bedöma vid andra våglängder än den som faktiskt används vid exponering. Begreppet ”actinic inspection” syftar därför vanligtvis på inspektion vid samma våglängd som EUV-litografin – 13,5 nm. Det gör det lättare att avgöra om en defekt verkligen kan överföras till wafern. Forskning pekar särskilt på betydelsen av 13,5 nm för att upptäcka kritiska fasdefekter i EUV-maskens multilager.48

Det är en viktig anledning till att HHG väcker intresse. Tekniken kan ge EUV-ljus med hög rumslig och tidsmässig koherens, vilket passar för koherent spridningsmikroskopi, diffraktionsmätning och linsfri avbildning. Samsung har offentligt beskrivit ett system för efterkontroll av EUV-maskdefekter med en fristående HHG-källa. Det visar att HHG åtminstone har nått området för specialiserad maskgranskning och utvecklingsutrustning.42

Fyra vägar till en EUV-ljuskälla

LPP: högst effekt, men också störst komplexitet

Laserinducerat plasma, LPP, skapas normalt genom att en kraftfull laser träffar droppar av flytande tenn och bildar ett plasma som avger EUV-ljus vid 13,5 nm. ASML:s EUV-system bygger på denna grundprincip, och företagets produktinformation visar att 13,5 nm-ljuskällor används i kommersiella EUV-system.55

Fördelarna är hög effekt och bättre förutsättningar för litografi och mätning med hög genomströmning. Nackdelarna är en mycket komplex konstruktion: drivlaser med hög effekt, kontroll av tennsdroppar, hantering av partiklar, förorening av kollektorspeglar, värmehantering och omfattande underhåll. För en fabrik kan LPP ge större genomströmningspotential, men för mindre bolag innebär tekniken höga kostnader och stora krav på serviceorganisationen.

DPP: en mer kompakt kandidat

Vid urladdningsinducerat plasma, DPP, skapas EUV-plasmat genom en elektrisk urladdning. Systemet kan i princip bli mer kompakt än stora acceleratoranläggningar och kan passa vissa effektkrav inom mätteknik. Kinesiska rapporter nämner DPP som en av de vägar som utvecklas i landet.1726

Tekniken måste samtidigt hantera elektrodförslitning, partiklar, plasmastabilitet, ljuskällans livslängd och långsiktigt underhåll. För produktionsbruk räcker det inte att visa att 13,5 nm-ljus kan genereras. Källan måste också kunna köras kontinuerligt och underhållas enligt en fabbs krav på drifttid och serviceintervall.

Frielektronlaser och synkrotronljus: starka forskningsverktyg

Frielektronlasrar (FEL) och synkrotronljuskällor erbjuder hög ljusstyrka, koherens och möjlighet att justera våglängden. De lämpar sig väl för referensmätningar, materialforskning, maskanalys och processutveckling. Däremot kräver de normalt stora acceleratoranläggningar, vilket gör volym, kostnad och driftförhållanden olämpliga för direkt placering på ett vanligt fabriksgolv.

Acceleratorbaserade källor lär därför först få rollen som forsknings- och referensplattformar. De kan leverera jämförelsedata av hög kvalitet till mer kompakta mätverktyg snarare än omedelbart ersätta dessa i produktionen.

SSMB: en långsiktig väg mot hög medeleffekt

Tsinghuauniversitetets så kallade steady-state microbunching, SSMB, använder en elektronstråle i en lagringsring. Lasermodulering och en undulator skapar mikrobuntning, som kan bibehållas när elektronerna cirkulerar i ringen. Tsinghua har rapporterat ett experimentellt principbevis, medan senare förslag siktar på EUV-strålning vid 13,5 nm med hög medeleffekt och smal bandbredd.124

Teknikens lockelse ligger i försöket att kombinera lagringsringens höga repetitionsfrekvens med den koherenta strålningens höga ljusstyrka. Utvecklingsunderlag har nämnt ett mål på över 1 kW per verktyg, men det är ett design- och forskningsmål – inte ett bevis på en färdig ljuskälla som har byggts och godkänts för serieproduktion i en fabrik.310

De största hindren är stabil kontroll av elektronstrålen, lasermoduleringen, lagringsringen, strålkvaliteten, anläggningens storlek och systemkostnaden. SSMB framstår därför främst som en långsiktig teknik som kan förändra tillgången på högeffekt-EUV, inte som den enklaste vägen till ett kompakt mätverktyg här och nu.

Varför HHG är en central kandidat för nästa generations mätteknik

Vid högordningsharmonisk generering, HHG, fokuseras en femtosekundlaser i en gas eller annat medium. Processen skapar övertoner i EUV- och mjukröntgenområdet. Jämfört med tennbaserade plasmaskällor har HHG flera egenskaper som är attraktiva för mätning:

• Kompakt format: kan byggas som ett laboratorie- eller bordsbaserat system utan en stor synkrotronanläggning.
• Hög koherens: passar för CDI, spridningsmätning, ptychografi och maskgranskning.
• Flexibel våglängd: olika våglängdsområden kan väljas utifrån material, struktur och mätmodell.
• Mindre risk för partikelförorening: systemet är inte beroende av ett tennplasma från droppar.
• Ultrasnabb drift: öppnar för tidsupplösta mätningar och materialstudier.3544

HHG är särskilt intressant när mätningen kräver hög koherens men inte litografins allra högsta effekt. NIST har redan använt en bordsbaserad HHG-källa för EUV-mätning av kritiska dimensioner, och forskningslitteraturen beskriver HHG som en viktig ljuskälla för EUV-metrologi och avbildning.3335

Begränsningarna är samtidigt tydliga: omvandlingseffektiviteten och den levererade EUV-effekten är låga, medan stabilitet, repetitionsfrekvens, optiska förluster och scanning över stora ytor fortfarande behöver förbättras. En teknisk analys av fullskalig EUV-maskinspektion uppskattade att ungefär 1–100 mW från ljuskällan kan krävas i vissa tillämpningar. Behovet varierar dock med defektkänslighet, scanningsyta, signal-brusförhållande och genomströmning. Ett enskilt effekttal kan därför inte användas som en generell gräns för alla inspektionssystem.51

Öppna uppgifter visar att ASML, Intel, Samsung och TSMC har använt eller utvärderat HHG-relaterad mät- och inspektionsteknik.1824 Det bör inte tolkas som att HHG redan har ersatt plasmabaserade ljuskällor i all högvolymproduktion. Det offentliga stödet är betydligt starkare för utvecklingsverktyg, actinic-maskinspektion och specialiserade mätningar än för en fullskalig ersättning av befintliga fabrikssystem.

Kinas växande ekosystem: från ljuskälla till komplett system

Öppna rapporter pekar ut en tidig kinesisk grupp av företag inom ljuskällor, laserteknik, utrustning och systemintegration: Huaxin Aurora, Langdao Technology, Yunqi Jiyao, Huari Laser och Haoyu Xinguang. De uppges vara verksamma i olika delar av värdekedjan, där Haoyu Xinguang särskilt förknippas med HHG-spåret.17

På universitets- och forskningssidan är Tsinghuauniversitetets SSMB-program den tydligast dokumenterade acceleratorbaserade satsningen. Principdemonstrationen genomfördes tillsammans med Helmholtz-Zentrum Berlin och Tysklands nationella metrologiinstitut PTB. Det illustrerar samtidigt att området fortfarande kräver djup kompetens inom acceleratorer och mätteknik, inklusive internationellt forskningssamarbete.214

Ett hållbart inhemskt ekosystem behöver dessutom mycket mer än själva ljuskällan:

• EUV-kompatibla vakuumsystem, multilagerspeglar och kontroll av föroreningar.
• Detektorer, precisionsplattformar, justering, kalibrering och radiometri.
• Programvara för spridningsmodeller, bildrekonstruktion, defektklassificering och processtyrning.
• Maskämnen, pellicles, fotoresister och teststrukturer för waferprocesser.
• Samarbete med fabriker för att koppla mätresultat till faktisk exponering, elektriska egenskaper och utbyte.

Det räcker alltså inte att räkna hur många företag som utvecklar EUV-ljuskällor. Viktigare är om det finns levererbara helsystem, en stabil kalibreringskedja och en återkoppling från verkliga produktionsdata.

Fem trösklar mellan laboratorieprototyp och produktionsverktyg

1. Användbar optisk effekt och genomströmning

Den effekt som genereras i ljuskällan är inte samma sak som den effekt som når provet, samlas in av optiken och omvandlas till en användbar signal. Verktyget måste balansera defektkänslighet, scanningsyta, exponeringstid och brus.

2. Stabilitet över lång tid

En fabrik behöver ett verktyg som fungerar över skift och månader, inte bara under en lyckad laboratoriedemonstration. Våglängd, dos, riktning, koherens och detektorrespons måste kunna övervakas, kalibreras och underhållas.

3. Livslängd och servicebarhet

Plasmadelar, lasrar, vakuumsystem, speglar och detektorer påverkar alla serviceintervallet. Partikelföroreningar, gradvis försämrad optisk prestanda och kostnaden för kritiska reservdelar avgör i praktiken utrustningens totala ägandekostnad.

4. Mätningen måste kunna kopplas till waferresultatet

En högupplöst bild är inte slutmålet. Verktyget måste visa att uppmätta kritiska dimensioner, överlagringsfel eller defekter kan förutsäga hur strukturen faktiskt trycks på wafern, hur komponenten fungerar och hur utbytet påverkas. Utan den kopplingen blir det svårt att använda resultaten i produktionens processtyrning.

5. Integration med process och programvara

EUV-inspektion måste fungera tillsammans med masker, fotoresister, pellicles, tunna filmer, waferns ytprofil, automatiserad materialhantering, dataformat och fabrikens system för processtyrning. Långa kundkvalificeringar, jämförelsetester och fältdata väger ofta tyngre för kommersialiseringen än en enstaka lyckad demonstration.3050

Så avgör man om Kinas EUV-mätteknik är mogen

Det viktigaste framöver är inte om ett team kan meddela att det har producerat 13,5 nm-ljus. Mer avgörande är om utvecklarna kan visa:

• data från kontinuerlig drift;
• faktisk effekt vid provet och användbar scanningsgenomströmning;
• metrologisk kalibrering av defektresultaten;
• korrelation med elektronmikroskopi, synkrotronmätningar eller elektriska waferresultat;
• långvarig testning och kvalificering hos en fabrik.

Den mest rimliga vägen ser därför ut att vara stegvis. HHG kan först ta plats i forskning, maskgranskning och specialiserad metrologi. DPP och andra kompakta plasmakällor kan rikta in sig på vissa tillämpningar i produktionslinjen. Synkrotronljus och SSMB kan fortsätta spela rollen som avancerade ljuskällor och plattformar för mätvetenskap, medan LPP sannolikt behåller sin betydelse där högsta effekt och hög genomströmning krävs.

Kinas EUV-ekosystem för mätning har alltså börjat ta form, men det är fortfarande ett tydligt avstånd mellan ett ekosystem under uppbyggnad och serieproduktion. Den avgörande frågan är inte bara om landet kan skapa 13,5 nm-ljus, utan om ljuskälla, optik, detektorer, algoritmer, processmaterial och fabrikstest kan integreras till ett tillförlitligt verktyg som klarar vardagen i en halvledarfabrik.