Китай формує екосистему EUV-метрології: від 193-нм DUV до вимірювань на 13,5 нм

Сучасне виробництво мікросхем дедалі частіше має справу з тривимірними структурами та дефектами нанометрового масштабу. EUV-літографія використовує довжину хвилі 13,5 нм, тоді як у традиційній глибокій ультрафіолетовій метрології поширені діапазони 193 і 248 нм. Коли критичні розміри, дефекти фотошаблонів і просторові структури транзисторів зменшуються, обладнанню потрібні вища роздільна здатність, достатня швидкість і безконтактний контроль із мінімальним ризиком пошкодження зразка.5532

Важливо не плутати цей процес із появою повністю готової китайської EUV-літографічної машини. Йдеться про поступове формування екосистеми EUV-метрології: джерел випромінювання, дзеркал, вакуумних систем, детекторів, прецизійних платформ, алгоритмів і програмного забезпечення для контролю технологічного процесу. Комерційний результат залежатиме від того, чи вдасться об’єднати ці компоненти в систему, здатну стабільно працювати, калібруватися та замикати цикл із даними фабрики.

Чому транзистори GAA потребують нової метрології

Перехід від FinFET до транзисторів із круговим затвором — gate-all-around, або GAA — зробив ключові елементи чипа ще більш тривимірними. Канали, затвори та межі матеріалів можуть бути частково приховані під іншими шарами. Методи, які бачать переважно поверхню, не завжди здатні повноцінно визначити критичні розміри, профіль бокових стінок, зміщення між шарами чи приховані дефекти. Саме GAA називають одним із чинників, що підштовхують попит на високороздільний, безконтактний контроль.8

Перевага EUV зумовлена не лише коротшою довжиною хвилі. У розсіюванні сигнал істотно залежить від розміру дефекту та довжини хвилі освітлення: коротша хвиля підвищує чутливість до дуже малих неоднорідностей. Проте кінцевий результат визначають також потужність джерела, оптика, шум детектора, матеріали зразка та алгоритми реконструкції.18

EUV-метрологія може використовувати розсіювання, когерентну дифракційну візуалізацію (CDI) та відбивну візуалізацію. У таких підходах параметри структури відновлюють за дифракційним сигналом, а не вимірюють щупом, який безпосередньо контактує з пластиною. Національний інститут стандартів і технологій США (NIST) уже проводив вимірювання EUV-дифракції для лінійно-просторових структур із критичними розмірами менш як 50 нм за допомогою настільного джерела HHG. Інше дослідження показало чутливість EUV-розсіювання до позаплощинних характеристик двовимірних міжз’єднань на рівні одиниць нанометрів.3334

Чому EUV-маски потрібно перевіряти на тій самій довжині хвилі

EUV-фотошаблон — це не прозора пластина, а складна багатошарова відбивна структура. Деякі фазові дефекти можуть виглядати незначними на іншій довжині хвилі, але під час EUV-експонування реально переноситися на пластину. Тому термін actinic inspection зазвичай означає контроль на тій самій довжині хвилі 13,5 нм, яку використовують для експонування. Такий підхід дає змогу безпосередніше оцінити, чи є дефект придатним до друку.48

Це одна з причин інтересу до HHG — генерації високих гармонік. Такі джерела створюють когерентне EUV-випромінювання, придатне для когерентної дифракційної мікроскопії, розсіювальних вимірювань і безлінзової візуалізації. У відкритих матеріалах Samsung описувалася система повторної перевірки дефектів EUV-масок із автономним джерелом HHG. Це свідчить, що технологія принаймні увійшла до сфери спеціалізованих дослідницьких та інспекційних систем.42

Чотири підходи до створення EUV-джерел

LPP: найбільша потужність, але й найвища складність

У лазерно-індукованій плазмі (LPP) потужний лазер спрямовують на краплі рідкого олова, утворюючи плазму, яка випромінює на 13,5 нм. Саме цей базовий підхід використовують EUV-системи ASML; компанія вказує, що її комерційні установки працюють із EUV-джерелом на цій довжині хвилі.55

Головний плюс LPP — потужність, ближча до вимог літографії та високопродуктивного контролю. Мінуси — потужний лазер накачування, точне керування краплями олова, боротьба з уламками, забруднення колектора, відведення тепла та складне обслуговування. Для виробника метрологічного обладнання це дає запас продуктивності, але водночас підвищує капітальні та інженерні вимоги.

DPP: компактніший варіант для окремих завдань

У розрядній плазмі (DPP) EUV-випромінювання виникає під час електричного розряду. Такий підхід потенційно дає компактнішу систему, ніж велика прискорювальна установка, і може відповідати потужності, потрібній для частини метрологічних задач. Китайські публікації називають DPP одним із напрямів, що розвиваються всередині країни.1726

Однак залишаються проблеми з ерозією електродів, уламками, стабільністю плазми, ресурсом джерела та довготривалим обслуговуванням. Для фабрики недостатньо просто отримати світло на 13,5 нм — система має працювати безперервно та передбачувано протягом тривалого часу.

FEL і синхротрон: потужні наукові платформи, але не типове фабричне обладнання

Вільноелектронні лазери (FEL) і синхротронні джерела мають високу яскравість, когерентність і можливість налаштування. Вони добре підходять для еталонних вимірювань, дослідження матеріалів, аналізу масок і розроблення процесів. Водночас такі джерела потребують великих прискорювальних комплексів, які складно та дорого розміщувати безпосередньо на виробничій лінії.

Тому їхня найбільш реалістична роль — науково-дослідні центри, еталонна метрологія та надання високоякісних контрольних даних для компактніших систем.

SSMB: довгострокова ставка на високу середню потужність

Стабільне мікрозгущення пучка (SSMB), яке розвиває Університет Цінхуа, використовує електронний пучок у накопичувальному кільці. Лазер модулює електрони в ондуляторі, після чого мікрозгущення підтримується під час наступних обертів пучка. Експериментальна робота команди Цінхуа підтвердила принцип такої схеми; подальші проєкти передбачають вузькосмугове EUV-випромінювання на 13,5 нм із високою середньою потужністю.124

Привабливість SSMB полягає у спробі поєднати високу частоту повторення накопичувального кільця з яскравістю когерентного випромінювання. У проєктних матеріалах згадується ціль понад 1 кВт на установку, але це інженерний орієнтир, а не доказ існування готового джерела, сертифікованого для масового виробництва.310

Серед головних перешкод — стабільність електронного пучка, лазерна модуляція, керування накопичувальним кільцем, якість пучка, масштаб інфраструктури та вартість. SSMB радше є довгостроковою альтернативою для високопотужного EUV, ніж швидким шляхом до настільного інспекційного приладу.

Чому HHG вважають важливим кандидатом для наступного покоління метрології

HHG створює EUV- та м’яке рентгенівське випромінювання, фокусуючи фемтосекундний лазерний імпульс на газі або іншому середовищі. Порівняно з олов’яною плазмою такі джерела мають кілька важливих переваг:

• Потенціал настільного формату: не потрібна велика синхротронна інфраструктура;
• Висока когерентність: корисна для CDI, розсіювальних вимірювань, птехографії та перевірки масок;
• Гнучкість довжини хвилі: діапазон можна підбирати під матеріал, структуру та модель вимірювання;
• Відсутність уламків олова: немає джерела забруднення, характерного для олов’яної плазми;
• Надшвидкі процеси: можливі часово-роздільні вимірювання та дослідження матеріалів.3544

HHG особливо добре відповідає задачам, де потрібні висока когерентність і точність, але не потужність, характерна для літографічного експонування. NIST уже використовував настільне HHG-джерело для EUV-вимірювань критичних розмірів, а наукові роботи розглядають HHG як перспективний напрям для EUV-метрології та візуалізації.3335

Водночас слабке місце HHG очевидне: коефіцієнт перетворення та вихідна потужність невеликі. Потребують покращення стабільність променя, тривалість безперервної роботи, частота повторення, оптичні втрати та продуктивність сканування великих площ. В одному з інженерних аналізів повнорозмірної перевірки EUV-масок оцінювалася потреба приблизно в 1–100 мВт потужності джерела. Реальна вимога залежить від чутливості до дефектів, площі сканування, співвідношення сигнал/шум і продуктивності, тому одне число не може бути універсальним порогом для всіх систем.51

Відкриті матеріали свідчать, що ASML, Intel, Samsung і TSMC використовували або оцінювали HHG у вимірювальних та інспекційних задачах.1824 Але це не означає, що HHG уже повсюдно замінила плазмові джерела у високопродуктивному виробництві. Найпереконливіші публічні свідчення стосуються дослідницьких приладів, спеціалізованої перевірки масок та окремих метрологічних застосувань.

Китайська екосистема: від джерела до готової системи

У відкритих публікаціях згадуються китайські компанії Huaxin Aurora, Langdao Technology, Yunqi Jiyao, Huari Laser і Haoyu Xinguang. Їх описують як учасників різних ланок — від лазерів і джерел до обладнання та системної інтеграції. Haoyu Xinguang, зокрема, пов’язують із напрямом HHG.17

Найчіткіше задокументований університетський проєкт прискорювального типу — програма SSMB Університету Цінхуа. Її експериментальну перевірку принципу проводили спільно з Центром Гельмгольца в Берліні та Німецьким національним інститутом метрології. Це також показує, що напрям і далі спирається на глибоку міжнародну базу знань у галузі прискорювачів і вимірювальної науки.214

Стійка національна екосистема має охоплювати не лише джерела:

• багатошарові EUV-дзеркала, вакуумні камери та системи контролю забруднення;
• детектори, прецизійні платформи, системи юстування, калібрування й радіометрії;
• моделі розсіювання, реконструкцію зображень, класифікацію дефектів і програмне забезпечення для контролю процесу;
• маскові заготовки, плівки, фоторезисти та тестові структури пластин;
• співпрацю з виробниками чипів, щоб пов’язати результати вимірювань із реальним друком, електричними характеристиками та виходом придатних виробів.

Інакше кажучи, рівень локалізації не можна оцінювати лише кількістю компаній, які заявляють про роботу над EUV-джерелами. Важливіші ознаки — готова система, стабільна метрологічна база та замкнений цикл із реальними виробничими даними.

П’ять бар’єрів між лабораторним зразком і виробничим приладом

1. Корисна потужність і продуктивність

Потужність, яку генерує джерело, не дорівнює потужності, що доходить до зразка після оптичних втрат і перетворюється на корисний сигнал. Інструмент має одночасно забезпечити чутливість до дефектів, достатню площу сканування, прийнятний час вимірювання та низький рівень шуму.

2. Стабільність у довгостроковій роботі

Фабриці потрібне обладнання, яке стабільно працює зміна за зміною і місяць за місяцем, а не лише демонструє високі результати протягом короткого експерименту. Довжину хвилі, дозу, напрямок променя, когерентність і відгук детектора потрібно постійно контролювати та калібрувати.

3. Ресурс джерела і всієї системи

Лазери, плазмові компоненти, вакуумна система, дзеркала та детектори визначають інтервали технічного обслуговування. Забруднення уламками, деградація оптики та ціна заміни ключових компонентів безпосередньо впливають на повну вартість володіння обладнанням.

4. Кореляція з результатом на пластині

Високороздільне зображення саме по собі не є кінцевою метою. Система має довести, що виміряні критичні розміри, похибки суміщення чи характеристики дефектів прогнозують фактичну якість перенесення рисунка, електричні параметри транзисторів і вихід придатних чипів.

5. Інтеграція з технологічним процесом і програмним забезпеченням

EUV-контроль має працювати з масками, фоторезистами, плівками, рельєфом поверхні пластини, автоматикою транспортування, форматами даних і фабричними системами керування процесом. Тривала сертифікація замовником, порівняльні випробування та польові дані часто важать більше, ніж одинична демонстрація в лабораторії.3050

Як зрозуміти, що китайська EUV-метрологія справді дозріла

Найважливішим показником буде не сама заява про отримання випромінювання на 13,5 нм, а набір перевірюваних результатів: тривалі дані безперервної роботи, опублікована корисна потужність на зразку, швидкість сканування, метрологічне калібрування, кореляція з електронно-променевими та синхротронними вимірюваннями або результатами електричних тестів пластин, а також довготривале випробування на фабриці.

Найімовірніший сценарій — поетапний. HHG може спершу закріпитися в дослідженнях, перевірці масок і спеціалізованій метрології. Компактні плазмові джерела, зокрема DPP, можуть претендувати на окремі завдання безпосередньо на лінії. Синхротрони та SSMB, імовірно, продовжать виконувати роль висококласних наукових і еталонних платформ. LPP зберігатиме значення там, де потрібні найвища потужність і максимальна продуктивність.

Отже, китайська екосистема EUV-метрології вже має перші ознаки переходу від окремих досліджень до обладнання та системної інтеграції. Але між «екосистемою, що формується» і серійним виробничим інструментом залишається значна дистанція. Вирішальним буде не просто вміння створити світло на 13,5 нм, а здатність об’єднати джерело, оптику, детектор, алгоритми, матеріали та знання про процес виробництва пластин у надійну систему, сертифіковану для роботи на фабриці.