Çin’in EUV ölçüm ekosistemi şekilleniyor: HHG, SSMB ve plazma kaynaklarının sanayileşme yarışı

İleri çip üretiminde ölçüm sorunu, daha küçük kusurlardan çok daha karmaşık üç boyutlu yapılara doğru ilerliyor. EUV litografisi 13,5 nanometre dalga boyunu kullanırken geleneksel derin morötesi (DUV) ölçüm sistemlerinde 193 ve 248 nanometre gibi dalga boyları yaygın. Kritik boyutlar küçüldükçe, maske kusurları önem kazandıkça ve transistor geometrileri üç boyutlu hâle geldikçe ölçüm cihazlarının daha yüksek uzaysal çözünürlük, yeterli hız ve düşük hasar özelliklerini aynı anda sunması gerekiyor.5532

Buradaki kritik ayrım şu: Çin’de şekillenen yapı, seri üretimde doğrulanmış yerli bir EUV litografi makinesi değil. Daha çok ışık kaynağı, yansıtıcı optikler, vakum sistemi, dedektör, hassas hareket platformu, algoritma ve proses kontrol yazılımını bir araya getiren bir EUV ölçüm ekosistemi söz konusu. Bu ekosistemin gerçek bir sanayi ürününe dönüşüp dönüşmeyeceği, parçaların bir araya getirilerek uzun süre çalışabilen, kalibre edilebilen ve wafer fabrikasının proses verileriyle kapalı çevrim kurabilen sistemler oluşturmasına bağlı.

GAA transistorlar neden daha gelişmiş EUV ölçümü gerektiriyor?

FinFET’ten kapı-çevreli (gate-all-around, GAA) transistorlara geçişle birlikte kanal, kapı ve arayüzler daha belirgin üç boyutlu özellikler kazandı. Bazı kritik yapılar kaplama katmanlarının veya malzeme arayüzlerinin altında kalıyor. Yalnızca yüzeyi gözlemleyen geleneksel yöntemler; kritik boyutu, yan duvar profilini, katmanlar arası kaymayı ve gömülü kusurları bütünüyle değerlendirmekte zorlanabiliyor. GAA yapısı, yeni yüksek çözünürlüklü, temassız ve tahribatsız ölçüm yöntemlerine duyulan ihtiyacı artıran başlıca etkenlerden biri olarak gösteriliyor.8

13,5 nm’lik EUV’nin değeri yalnızca “daha kısa dalga boyu” olmasından kaynaklanmıyor. Saçılma ölçümlerinde hem kusurun boyutu hem de aydınlatma dalga boyu sinyal gücünü güçlü biçimde etkiliyor. Dalga boyunun kısalması, nanometre ölçeğindeki kusurlara duyarlılığı artırabiliyor; ancak nihai performans ışık kaynağının gücüne, optik sisteme, dedektör gürültüsüne, numunenin malzemesine ve yeniden yapılandırma algoritmalarına da bağlı.18

EUV ölçümü; saçılma ölçümü, koherent kırınım görüntüleme (CDI), yansımalı görüntüleme ve ptykografi gibi yöntemlerle kırınım sinyallerinden yapı parametrelerini çıkarabiliyor. Böylece wafer’a fiziksel olarak temas eden bir prob yerine, ölçüm verisi ve hesaplama modeli kullanılıyor. ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nün (NIST) bir çalışmasında masaüstü HHG kaynağıyla 50 nanometrenin altındaki çizgi-aralık yapıları için EUV kırınım ölçümü yapıldı. Başka bir araştırma ise EUV saçılma ölçümünün iki boyutlu bağlantı yapılarındaki düzlem dışı özelliklere tek nanometre düzeyinde duyarlılık gösterebildiğini ortaya koydu.3334

EUV maskeleri neden aynı dalga boyunda denetlemek gerekiyor?

EUV maskesi, basit bir şeffaf şablon değil; çok katmanlı yansıtıcı filmler içeren karmaşık bir yapıdır. Bazı faz kusurları EUV dışındaki dalga boylarında incelendiğinde, bunların wafer üzerine gerçekten basılıp basılmayacağını anlamak zor olabilir.

Bu nedenle actinic inspection olarak adlandırılan yaklaşım, pozlama sırasında kullanılan 13,5 nm dalga boyuyla maske denetimi yapmayı ifade eder. Aynı dalga boyunun kullanılması, kusurun baskıya dönüşebilirliğini daha doğrudan değerlendirmeye yardımcı olur. Araştırmalar, 13,5 nm ölçümünün EUV çok katmanlı maskelerindeki kritik faz kusurlarını belirlemede özellikle önemli olduğunu belirtiyor.48

HHG’nin ilgi görmesinin nedenlerinden biri de bu. Yüksek harmonik üretimi, uzaysal ve zamansal koherense sahip EUV ışığı sağlayabiliyor. Bu özellik; koherent saçılma mikroskopisi, kırınım ölçümü ve merceksiz görüntüleme için elverişli. Samsung’un kamuya açık teknik materyallerinde bağımsız bir HHG kaynağı kullanan EUV maske kusuru yeniden inceleme sistemi tanıtılmıştı. Bu durum, HHG’nin en azından özel maske inceleme ve araştırma sistemleri bağlamında sanayi gündemine girdiğini gösteriyor.42

EUV ışık kaynaklarında beş farklı yol

LPP: Güçte en güçlü, mühendislikte en karmaşık seçenek

Lazer kaynaklı plazma (LPP), yüksek güçlü bir lazerin kalay damlacıklarını vurmasıyla 13,5 nm EUV üretir. ASML’nin ticari EUV litografi sistemleri bu temel yaklaşımı kullanıyor.55

LPP’nin en büyük avantajı, litografi ve yüksek verimli ölçümün gerektirdiği güç seviyelerine diğer seçeneklerden daha fazla yaklaşabilmesi. Buna karşılık yüksek güçlü sürücü lazeri, kalay damlacıklarının kontrolü, parçacıkların bastırılması, kolektör aynasının kirlenmesi, ısıl yönetim ve bakım gibi sorunlar sistemi son derece karmaşık ve pahalı hâle getiriyor.

Ölçüm cihazlarında LPP daha yüksek üretim kapasitesi sağlayabilir; ancak yeni şirketler açısından sermaye, mühendislik ve servis gereksinimleri de aynı ölçüde yükselir.

DPP: Daha kompakt bir aday

Deşarj kaynaklı plazma (DPP), elektriksel deşarj yoluyla EUV plazması oluşturur. Büyük hızlandırıcı tesislerine kıyasla daha kompakt bir sistem kurma potansiyeline sahip olması, DPP’yi bazı ölçüm uygulamaları için ilgi çekici kılıyor. Çin’deki ilgili haberlerde DPP, üzerinde çalışılan yerli rotalardan biri olarak sıralanıyor.1726

Ancak elektrot aşınması, parçacık oluşumu, plazma kararlılığı, kaynak ömrü ve uzun süreli bakım hâlâ çözülmesi gereken başlıklar. Bir DPP sisteminin yalnızca 13,5 nm ışık üretebilmesi, onun üretim hattına hazır olduğu anlamına gelmiyor. Esas soru, kaynağın kesintisiz çalışma ve bakım aralıklarını wafer fabrikasının gereksinimleriyle karşılayıp karşılayamayacağı.

FEL ve senkrotron: Araştırma için güçlü, fab hattı için zor

Serbest elektron lazerleri (FEL) ve senkrotron ışık kaynakları yüksek parlaklık, koherens ve ayarlanabilirlik sunuyor. Bu nedenle referans ölçümler, malzeme araştırmaları, maske analizi ve proses geliştirme için oldukça değerliler.

Bununla birlikte bu sistemler çoğunlukla büyük hızlandırıcı tesislerine ihtiyaç duyar. Boyut, maliyet ve işletme koşulları, onları sıradan bir wafer fabrikasının üretim katına doğrudan yerleştirmeyi zorlaştırır. Bu kaynakların ilk aşamada “standart” ve araştırma platformu işlevi görmesi; diğer ölçüm sistemleri için yüksek kaliteli karşılaştırma verisi üretmesi daha olası.

SSMB: Yüksek ortalama güç için uzun vadeli rota

Tsinghua Üniversitesi’nin öncülük ettiği kararlı durum mikrodemetçiklenmesi (steady-state microbunching, SSMB), depolama halkasındaki elektron demetini lazerle modüle ederek ve dalgalandırıcı (undulator) kullanarak mikrodemetçikler oluşturmayı hedefliyor. Bu yapı, elektronlar halka içinde dolaşırken korunarak yüksek tekrarlama oranlı koherent radyasyon üretmeye çalışıyor. Tsinghua’nın yayımladığı çalışmalar, SSMB’nin temel prensibinin deneysel olarak gösterildiğini ortaya koydu.12

Daha sonraki tasarımlar 13,5 nm dalga boyunda, yüksek ortalama güçlü ve dar bantlı EUV radyasyonu hedefliyor. Bazı tasarım belgelerinde araç başına 1 kilovatın üzerinde güç öneriliyor; ancak bu bir mühendislik hedefi ve araştırma göstergesidir. İnşa edilmiş, uzun süre çalıştırılmış ve wafer fabrikası tarafından üretim için onaylanmış bir kaynakla karıştırılmamalı.310

SSMB’nin çekiciliği, depolama halkasının yüksek tekrar frekansını koherent radyasyonun parlaklığıyla birleştirme arayışından geliyor. Önündeki engeller ise elektron demetinin kararlılığı, lazer modülasyonu, depolama halkasının kontrolü, ışın kalitesi, tesis ölçeği ve sistem maliyeti. Bu nedenle SSMB, yüksek güçlü EUV arzının biçimini uzun vadede değiştirebilecek bir aday; bugün kolayca kurulabilecek masaüstü ölçüm çözümü değil.

HHG: Yeni nesil EUV ölçümünün öne çıkan adayı

Yüksek harmonik üretimi (HHG), femtosaniye darbeli lazeri genellikle bir gaz ortamına odaklayarak EUV ve yumuşak X-ışını aralığında harmonikler üretir. Kalay plazmasına dayalı kaynaklara kıyasla öne çıkan özellikleri şunlar:

• Masaüstü ölçeği: Büyük senkrotron tesislerine ihtiyaç duymadan laboratuvar ve özel ölçüm cihazlarına entegre edilebilir.
• Yüksek koherens: Koherent kırınım görüntüleme, saçılma ölçümü ve ptykografi için avantaj sağlar.
• Dalga boyu esnekliği: Malzeme, yapı ve ölçüm modeline göre farklı bantlar seçilebilir.
• Daha düşük parçacık riski: Kalay damlacığı plazmasına dayanmadığı için bu tür kirlenme sorunlarını azaltabilir.
• Ultra hızlı çalışma: Zaman çözünürlüklü ölçüm ve malzeme araştırmalarına uygundur.3544

HHG özellikle yüksek koherens gerektiren, ancak litografi düzeyinde çok yüksek güç istemeyen uygulamalarda anlamlı. NIST, masaüstü HHG kaynağıyla EUV kritik boyut kırınım ölçümleri gerçekleştirdi. Araştırmalar da HHG’yi EUV metrolojisi ve görüntüleme için önemli bir kaynak yönü olarak değerlendiriyor.3335

Bununla birlikte HHG’nin zayıf noktaları da açık: dönüşüm verimliliği ve çıkış gücü düşük; ışın kararlılığı, uzun süreli çalışma, tekrar frekansı, optik kayıplar ve geniş alan tarama kapasitesi geliştirilmeli. EUV maske denetiminin bazı mühendislik analizlerinde kaynakta yaklaşık 1–100 mW düzeyinde güç ihtiyacı hesaplandı. Bu gereksinim kusur hassasiyetine, tarama alanına, sinyal-gürültü oranına ve üretim kapasitesine göre değişiyor; dolayısıyla tek bir güç değeri bütün cihazlar için evrensel eşik olarak alınamaz.51

Kamuya açık bilgiler, ASML, Intel, Samsung ve TSMC’nin HHG tabanlı ölçüm ve denetim teknolojilerini kullandığını veya değerlendirdiğini belirtiyor.1824 Ancak bu, HHG’nin tüm yüksek kapasiteli ölçüm cihazlarında plazma kaynaklarının yerini aldığı anlamına gelmiyor. Mevcut kanıtlar, HHG’nin araştırma araçlarında, actinic maske denetimi çalışmalarında ve özel ölçüm sistemlerinde daha güçlü bir konuma sahip olduğuna işaret ediyor.

Çin’de yerli ekosistem: Işık kaynağından sistem entegrasyonuna

Kamuya açık haberlerde Çin’deki erken dönem yerli kümelenmenin kaynak, lazer, cihaz ve sistem entegrasyonu gibi farklı halkalara yayıldığı belirtiliyor. Adı geçen şirketler arasında Huaxin Aurora (华芯极光), Langdao Technology (朗道科技), Yunqi Jiyao (云栖极耀), Huari Laser (华日激光) ve Haoyu Xinguang (皓宇芯光) bulunuyor. İlgili haberlerde Haoyu Xinguang’ın özellikle HHG rotasına odaklandığı aktarılıyor.17

Üniversite öncülüğündeki hızlandırıcı kaynakları içinde en açık biçimde belgelenen girişim, Tsinghua Üniversitesi’nin SSMB programı. İlk prensip doğrulama çalışması Helmholtz-Zentrum Berlin ve Almanya’nın ulusal metroloji kurumu Physikalisch-Technische Bundesanstalt ile iş birliği içinde yürütüldü. Bu durum, alanın hâlâ güçlü bir hızlandırıcı fiziği ve metroloji bilim altyapısına ihtiyaç duyduğunu gösteriyor.214

Sürdürülebilir bir yerli ekosistem, ışık kaynağının ötesindeki bileşenleri de tamamlamak zorunda:

• EUV çok katmanlı aynaları, vakum odaları ve kirlenme kontrolü;
• dedektörler, hassas platformlar, hizalama, kalibrasyon ve radyometri;
• saçılma modelleri, görüntü yeniden yapılandırma, kusur sınıflandırma ve proses kontrol yazılımı;
• maske blank’leri, pellicle’ler, fotorezistler, ince filmler ve wafer proses test yapıları;
• ölçüm sonuçlarını gerçek baskı sonuçları, cihaz elektriksel performansı ve verimle ilişkilendirecek fabrika iş birlikleri.

Başka bir deyişle, yerlileşmeyi yalnızca “kaç şirket EUV ışık kaynağı geliştiriyor?” sorusuyla ölçmek yetersiz. Teslim edilebilir komple cihaz, istikrarlı kalibrasyon sistemi ve gerçek üretim verileriyle kurulmuş bir geri besleme döngüsü de gerekiyor.

Laboratuvar prototipinden üretim aracına geçişte beş eşik

1. Kullanılabilir optik güç ve verim

Kaynağın ürettiği güç, numuneye ulaşan ve optik sistem tarafından toplanarak etkili bir sinyale dönüştürülen güçle aynı değil. Ölçüm aracı; kusur hassasiyeti, tarama alanı, pozlama süresi ve gürültü arasında ekonomik bir denge kurmalı.

2. Uzun süreli kararlılık

Wafer fabrikasının ihtiyacı, kısa süreli bir laboratuvar gösterimi değil; vardiyalar ve aylar boyunca çalışan bir cihazdır. Dalga boyu, doz, yönelim, koherens ve dedektör tepkisi izlenebilmeli, kalibre edilebilmeli ve gerektiğinde yeniden ayarlanabilmeli.

3. Kaynak ve sistem ömrü

Plazma bileşenleri, lazerler, vakum sistemi, aynalar ve dedektörler bakım aralıklarını belirler. Parçacık kirliliği, optik performansın düşmesi ve kritik parçaların değiştirme maliyeti, cihazın toplam sahip olma maliyetini doğrudan etkiler.

4. Ölçümün wafer sonucuyla korelasyonu

Yüksek çözünürlüklü bir görüntü tek başına hedef değil. Cihazın ölçtüğü kritik boyut, bindirme hatası veya kusur özelliği; gerçek wafer baskı sonucunu, cihaz performansını ve verimi öngörebilmeli. Aksi hâlde ölçüm sonuçlarının üretim kontrol akışına girmesi zorlaşır.

5. Proses ve yazılım entegrasyonu

EUV ölçümü; maskeler, fotorezistler, ince filmler, wafer yüzey topografyası, otomatik taşıma, veri arayüzleri ve fabrika proses kontrol sistemleriyle uyumlu olmalı. Uzun müşteri onay süreçleri, karşılaştırmalı testler ve sahada toplanan çalışma verileri, tek seferlik deney gösterilerinden daha belirleyici olacaktır.3050

Olgunluğu anlamak için hangi göstergelere bakılmalı?

Çin’in EUV ölçüm ekosisteminin gerçekten olgunlaşıp olgunlaşmadığını anlamak için bir ekibin 13,5 nm ışık ürettiğini açıklaması yeterli değil. Daha anlamlı göstergeler şunlar:

• Kaynak ve cihazın kesintisiz çalışmasına ilişkin uzun dönem verileri var mı?
• Optik kayıplardan sonra numuneye ulaşan kullanılabilir güç ve tarama verimi açıklanıyor mu?
• Kusur hassasiyeti ve kritik boyut ölçümleri metrolojik olarak kalibre edilebiliyor mu?
• Sonuçlar elektron ışını, senkrotron veya wafer’ın elektriksel testleriyle ilişkilendiriliyor mu?
• Bir wafer fabrikası cihazı uzun süre denedi mi ve üretim için onayladı mı?

Mevcut kamuya açık bilgilere göre Çin’in makul yolu aşamalı olabilir: HHG önce araştırma, maske yeniden inceleme ve özel ölçüm cihazlarına girebilir. DPP gibi daha kompakt plazma rotaları bazı çevrim içi uygulamalara yönelebilir. Senkrotron ve SSMB, yüksek düzeyde kaynak ve metroloji araştırmalarını sürdürebilir. LPP ise en yüksek güç ve yüksek verim gerektiren senaryolardaki önemini korur.

Sonuç olarak Çin’de EUV ölçüm ekosisteminin, ışık kaynağı araştırmasından cihaz ve sistem entegrasyonuna doğru ilerleyen bir taslağı oluşuyor. Ancak “ekosistem oluşuyor” demek, “seri üretim hazır” demek değil. Başarıyı belirleyecek unsur yalnızca 13,5 nm ışık üretmek değil; ışık kaynağını, optikleri, dedektörü, algoritmaları, proses malzemelerini ve wafer fabrikası doğrulamasını güvenilir biçimde çalışan bir üretim aracında birleştirmek olacak.