美国官方报告：深度解析EUV光刻的现状、需求和发展

2022 年，半导体市场规模约为 0.6 万亿美元，商业分析师预计到 2030 年将翻一番 1.0 万亿美元至 1.3 万亿美元。半导体制造业的大幅增长可以在光刻工艺中体现出。光刻是一种图案化过程，将平面设计转移到晶圆基板的表面，创造复杂的结构，如晶体管和线互连。这是通过通过复杂的多步过程选择性地将光敏聚合物或光刻胶暴露于特定波长的光下来完成的。最近，光刻技术的进步在生产最先进的半导体方面创造了竞争优势，使人工智能（AI）、5G 电信和超级计算等最先进的技术成为可能。因此，先进的半导体技术会影响国家安全和经济繁荣。

如今最先进的半导体光刻工艺使用 EUV 光源，特别是 13.5nm 的光源。EUV 光允许在半导体中构建更小的单位特征。据报道，EUVL 系统目前的成本为 1.5 亿美元，并于 2019 年由 ASML 首次部署，后者保持着 100% 的市场份额。到目前为止，ASML 已经出货了三种不同的 EUVL 系统型号，即 TwinscanNXE：3400B/C 和 NXE：3600D，NXE 系统的总出货量从 2019 年第一季度的 31 台增加到 2022 年最后一个季度的 181 台。

本报告的组织方式如下。引言的其余部分包括 EUVL 的技术背景、EUVL 国际和国内状况的背景以及 NIST 和 CHIPS 研发计量计划的概述。其中，第 2 节包含工作组会议中讨论的 EUVL 技术状况和需求。第 3 节概述了工作组会议的调查结果和关于前进道路的建议，以此作为报告的结尾。

1.1EUV 光刻技术技术背景

EUVL 是制造下一代半导体芯片的关键一步。EUV 光是由高纯度锡产生的高温等离子体产生的。固体锡在一个液滴发生器仪器中熔化，该仪器在真空室中每分钟持续产生超过 300 万 27µm 的液滴。一个脉冲 25kW 平均功率的二氧化碳激光器用两个连续的脉冲照射一个锡液滴，以分别形成和电离液滴。最初，会产生数千瓦的 EUV 光，但由于沿光路的吸收和散射损失，只有一小部分能成为光刻掩模。通过间接闪烁-相机测量推断 13.5nm 光的输出功率和光束质量。一种多层聚光镜系统将光引导到感光区。聚光镜系统通过持续流动的氢气体保护自己免受锡碎片的影响。每次曝光后，自动晶片级将晶片的分辨率定位为≤0.25nm，每秒进行 20,000 次循环检查调整过程。总的来说，这个过程需要许多不同的工程系统之间的精确协调。图 1 是 ASMLEUVL 组件的照片。

图 1.ASMLEUVL 组件。来源：ASML

1.2EUV 光刻技术的当前和未来状态

先进半导体制造的增长来自于美国、欧洲和亚洲国家的新的 EUV 制造设施。如前所述，目前唯一生产 EUVL 扫描仪组件的公司是总部位于荷兰的 ASML 公司。ASML 向英特尔、中国台湾半导体制造公司（TSMC）和韩国三星等公司销售 EUV 扫描仪组件。这些公司在他们的半导体制造设施中使用 EUV 扫描仪。EUVL 系统不仅仅是在荷兰创建的，而是由全球开发的许多模块组成，然后运到荷兰的 ASML 总部进行最终组装和测试，然后交付给客户。

从美国的角度来看，ASML 的 EUV 源的研究、开发和制造驻扎在加州的圣地亚哥。EUVL 扫描仪组件的光源组件如图 2 所示。需要注意的是，光源组件包括位于 EUVL 扫描仪组件中的源容器，以及制造地板下方的许多组件，包括激光计量、光束传输系统和驱动激光器及其辅助设备。驻扎在圣地亚哥的源工作是 ASML 在 2012 年收购 Cymer，以推进 EUV 源技术的发展。此外，鉴于 EUVL 在半导体制造方面的优势，出口管制最近已经保护了这项技术。具体来说，在 2022 年 10 月，美国工业和安全局（BIS）发布了一项规则，87FR62186，其中包括极紫外光刻（b.2）在内的技术进行出口管制。

图 2.ASML 的 EUV 光刻源组件的图形。来源：ASML

ASML 指出，EUV 光刻技术的未来发展包括将数值孔径（NA）从 0.33 增加到 0.55（「高 NA」）。高 NA 可用于减少目前 0.33NA 所需的多模式步骤数，并导致解决更精细的几何尺寸。这与公开发布的 2022 年 IEEE 国际设备和系统路线图（IRDS）路线图相一致，需要到 2037 年继续将晶体管扩展到 0.5nm。新的 NA 平台的目标是提高晶圆和粒子状态的速度，使实现几何芯片缩放。高 na 系统预计将于 2023 年发货给客户，预计到 2025 年将全面投产。在 2023 年初，ASML 宣布他们已经建立了两个新的 EUV 功率记录，每小时运行 600WEUV 排放，符合高 naEXE：5200 剂量稳定规格和 700W 开环运行。在实现 EUV 大批量制造之前，600W 的演示比五年前交付的 250W 有所增加。

1.3NIST 和芯片研发计量项目概述

芯片研发计量项目和 NIST 博尔德实验室的 MarlaDowell 博士，在工作组会议上发表了一个受欢迎的主题演讲。主题演讲首先提醒与会者 NIST 的使命：促进美国通过推进测量科学、标准和技术，提高经济安全，提高我们的生活质量，实现创新和工业竞争力。

它强调了 NIST 的核心能力，(1) 测量科学，(2) 严格的可追溯性，以及 (3) 标准的开发和使用。Dowell 在 NIST 提供了关于芯片研发计量项目细节、组织关系和国家研究机构的背景。Dowell 强调需要工业和 NIST 联合研究，以协同解决芯片面临的微电子挑战。他强调 NIST 是一个非监管性的实验室。因此，NIST 一直是一个值得信赖的专有信息合作伙伴；是中立的、客观的；并通过传播支持美国创新和产业竞争力的高质量测量、数据和研究来促进关键技术的发展。具体来说，在博尔德，NIST 有约 900 名员工和超过 500,000 平方英尺的实验室空间，包括六个领域，包括 (1) 先进通信技术，(2) 量子科学与工程，(3) 时间和频率计量 (4) 先进材料表征 (5) 精确成像 (6) 激光和光电子。Dowell 随后强调，NIST 在微电子领域有着悠久的目标投资组合，涉及许多领域。

Dowell 后来谈到了《美国芯片法案》。概述了美国基金芯片的战略，包括它将如何支持三个不同的举措：(1) 对前沿制造业的大规模投资。(2) 成熟芯片和先进芯片、新技术和专业技术以及半导体行业供应商的新制造能力。(3) 加强美国研发方面的领导能力。区分了 390 亿美元的制造业激励和 110 亿美元的研发激励，重点是研发基金和 NIST 测量科学部分拨款。Dowell 讨论了如何通过七个确定的战略机会，半导体制造业、学术界和政府的广泛反馈，包括 EUVL 工作组会议。

通信技术实验室（CTL）提供了一个材料计量的例子，在成为芯片研发计量项目主任之前，她曾担任那里的部门主管，特别是 5G 材料的标准参考材料（SRMs）。她合著的 NISTSP1278 文件作为计量能力提高微电子组件和产品的安全性和来源的一个例子。

结束主题演讲时 Dowell 介绍了 NIST 出版物，该出版物提供了与芯片相关的计量机会。此外，2023 年 4 月 25 日上午，她的部门发布的一份文件概述了国家半导体技术中心的愿景和战略，描述了未来行业和 NIST 之间的互动如何发生。

美国国家标准与技术研究院材料计量实验室（MML）代理主任 StephanieHooker 博士在工作组会议上发表主旨演讲，欢迎与会者在下午会议前发言。Hooker 重申了 NIST 的任务，并强调 NIST 最大的优势是它在世界一流的工程师和科学家中的声誉。除了共享 NIST 的规模和能力外，重点还放在了 NIST 提供的测量服务上。测量服务包括超过 1100 个标准参考材料（SRMs），大约 100 个标准参考数据（SRD）产品，5 个质量保证程序，以及大量的数据工具和注册表。重点还强调了文件标准，以及 400 多名 NIST 技术人员如何参与 100 多个标准委员会，并在许多国际标准机构中担任领导职位。从而提高了美国在全球范围内的竞争力。她的演讲强调了 NIST 所参与并正在扩展的关键技术领域，包括人工智能（AI）、量子科学、先进通信、先进制造和生物经济。Hooker 在总结时介绍了一些已建立的参与领域和与 NIST 合作的方法，包括像本报告所关注的工作组会议、财团、CRADAs 和 MTAs。

这两个主题演讲显示了工作组成员和 NIST 领导层之间的凝聚力和参与。

EUVL 的技术方面

已经详细介绍了在工作组会议上提出和讨论的 EUVL 的技术方面。以下是三个专门讨论 EUV 源模块的部分（2.1-2.3）。然后，讨论了与 EUV 光相互作用的组件的当前状态和需求（2.4）。这两个组件都与 EUV 光相互作用。最后，介绍了 EUV 光如何作为一种计量工具来分析半导体制造过程中的组件（2.5）。EUV 光作为一种工具的计量方面与 Sec 中讨论的辐射测量有直接的关系。这里讨论的技术细节已经公开发布。然而，将工业和 NIST 研究的技术专长和地位结合到一份报告中对理解技术景观是有用的。已纳入审查参考资料，以补充本报告中提供的技术细节。

2.1 液滴发生器：极端下的热物理性质和建模

液滴发生器是 EUVL 扫描仪组件中的一个重要组成部分 (图 3)。液滴发生器控制进入 EUV 源腔的材料的大小、速度和重复速率，由二氧化碳激光器电离，产生 13.5nm 的 EUV 光。因此，由于故障影响所有下游部件停止运行，EUV 光必须产生可靠的液滴。液滴的典型直径为 27μm，行程为 80m/s，重复频率为 50kHz。液滴发生器触发二氧化碳激光脉冲的发射，导致其被称为整个 EUV 扫描仪组件的「心跳」。

锡是 EUVL 应用中液滴发生器的工作液流体，当电离成等离子体时产生 13.5 纳米波长的光。近几十年来，研究人员研究了除锡以外的材料的可能性，如氙气和锂。安全性、成本和性能等因素已证明锡是 EUVL 制造应用中激光生产等离子体的优越材料。在半导体制造中，除了锡之外，没有其他材料的公共路线图，所以在基础科学水平上理解这种材料的投资将在短期和长期的未来产生影响。该行业对单一材料锡的定位，使其成为用于产生 EUV 光的复杂激光-物质相互作用所需的基本材料特性的理想选择。

液滴发生器的工作原理是将固体高纯锡（>99.999wt.%）装入容器，并加热到熔点（~232°C）以上。然后通过高纯度气体，通常是氮气向容器内液体的一侧施加压力，使熔融锡通过过滤器流到另一侧的喷嘴。锡滴的喷射通常由压电（PZT）晶体调节，从而产生机械振动。第一代原理意图 9 液滴发生器的照片如图 3 所示，液滴位置稳定性大约 1μm。

图 3. 锡液滴发生器的示意图（顶部）和照片（底部）。来源：ASML

液滴发生器在 2021 年取得了新的进展，具有在线补充能力，图 4 在不中断下游 EUV 扫描仪性能的情况下减少了系统停机时间。使用这种新的液滴发器设计，已经实现了超过 3000 个小时的连续运行。

图 4. 带内联补充的锡液滴发生器原理图。来源：Purvis 等人。

提高生产率有更高的 EUV 功率需要增加驱动激光功率，每秒钟就会有更多的液滴。为了增加液滴的频率，需要增加液滴 10 发电机的压力需要增加，这反过来又会产生更大的液滴间距。这一概念性如图 5 所示。

图 5. 在不同工作压力下的液滴发生器的空间域示意图，以实现更高的 EUV 功率。来源：ASML

目前，在大气压力下，熔融金属缺乏可靠的材料性能。这种标准数据的缺乏阻碍了创建液滴发生器的数值模拟的进步。科学家和工程师描述的实践包括从已发表的文献中寻找最近的材料特性，并推断粗略的估计。然后，他们依靠对整个系统在操作条件下的经验观察，来调整材料性能和操作参数之间的关系。一个行业演讲者给出了一个例子，说明打印头设计需要平衡，确保工作流体（熔融金属）处于足够高的温度以处于液相，但也不太高以熔化压电元件。

介绍了目前 NIST 金属材料性能计量资源，重点介绍了 NIST 合金数据库，该数据库是一个包含金属（包括锡）实验热物理特性的精选数据库。目前，由于材料基因组倡议（MGI）的资助和热力学研究中心（TRC）的监督，整个数据库都是免费的和对公众开放的。为了继续开发，可以将数据库转换到 SRD，以便根据 2017 年通过的美国标准参考数据法更新法计算入维护成本。为美国工业提供公正和专业验证的材料性能数据的能力，可以在操作液滴发生器方面提供高效的设计见解和创新。SRD 在材料性能方面的一份出版物表明，SRD 的优势在国际上得到了关注。

NIST 计量能力有效性的一个限制因素是实验中的差距适用于 EUVL 的液滴发生器的高压下熔融锡的数据。材料液滴发生器中工作流体的特性决定了一种称为瑞利破裂的现象，该现象导致液滴形成并发生合并。这一现象在过去的 40 年里得到了广泛的研究。瑞士联邦理工学院苏黎世大学等人在 2011 年进行的研究。证明了熔融锡液滴的直径和速度的压力在 4MPa 以下和 100kHz 以下的频率之间的关系。2023 年发表的一篇文章显示了研究领域的积极追求。

由于缺少熔融锡的参考数据，可以测量参考质量数据以填充 NIST 合金数据库等数据库的新仪器将很有价值。声速（SoS）是一种特别有用的材料特性，因为它可以与一个单一（T，p）点的密度和等压热容数据相结合，从而可以获得在任何温度、压力下的密度、等压膨胀率和等压热容的额外热物理特性。NIST 的研究人员已经证明了制冷剂材料的 SoS 测量值。精确的 SoS 测量对于实现通过使用状态方程（EoS）来建模材料的热力学特性的最终目标至关重要。在模拟的精度上使用不同的 EoS 已经被证明对甚至是最简单的几何图形的精度有显著的影响。

NIST 目前正在开发一种仪器，用于测量在较高的压力和温度下的 SoS。SoS 仪器是 ElizabethRasmussen 博士的国家研究委员会 (NRC) 金属增材制造博士后奖学金的一部分。2022 年 10 月，提交了一项关于该仪器设计和操作的美国专利。新的金属 SoS 仪器是 NIST 现有仪器的扩展，该仪器在较低的极端温度和压力下工作。新仪器目前正在开发中，需要额外的专门资源来进行锡的测量。

另外还需要提供输运性能数据（表面张力、粘度等）。在极端条件下熔融的锡。要满足这一需要，就需要一种新的定制计量仪器和相关资源。SoS 和运输性能仪器都将具有世界级的计量能力，因此需要专门的技能来执行设计、制造和操作。

一旦收集到数据，将其在 EoS 中关联起来是很有用的。这种传播的一个例子是传输相关性或热力学 EoS。目前对锡的转运性质有参考的相关性，但没有参考的 EoS。锡传输特性的相关性与实验数据相差 5-10%，且仅在大气压下有效。这为先进的计量学带来了一个机会。NIST 擅长通过制冷剂（参考流体性能）项目为制冷剂和天然气材料创建参考相关性、EoS 和 SRD，这可以追溯到 20 世纪 90 年代。因此，可以对金属进行类似的测量，特别是对锡，以及开发成 SRD 的 EoS，以增强高保真模拟和实现数据驱动的 EUVL 开发。这种开发可能包括增加 EUV 发射和数字孪生创建，参考材料属性、参考相关性和 EoS 将实现这些。SRD 或模型向美国工业的传播可以通过 NIST 既定的 SRD 计划以受控的方式进行，图 6。

目前，没有一个商业软件系统能够提供关于大气压以上液相金属的准确或预测性的模拟指导。这项计量工作受到了工作组的行业成员从数据用户和模拟中数据管道的角度的热切鼓励。

图 6. 液体锡材料的性质如何帮助液滴发生器的流程，针对数据驱动的 EUV 光刻技术的操作。

除了缺乏在极端温度和压力下的热力学和输运特性外，部件的结构和压电数据也很有限。这限制了预测可能的材料不相容性的能力，从而限制了液滴发生器的设计。关于如何新、高温（>300°C) 压电材料被认为是当前设置的一个优点。一位成员提到并分享了 Tittmann 最近发表的一篇文章。此类材料确实存在，但不易获得且价格昂贵。因此，必须做出权衡。

金属液滴发生器存在于纯锡之外，几十年来一直用于焊接和制造粉末，包括铅、锡、铟、铜、银和金的合金。令人惊讶的是，在基本材料属性方面存在很大的知识差距。虽然在 EUVL 以外的液滴发生器的使用超出了工作组的范围，但认识到这一领域的发展也可能影响其他关键技术领域是有益的。

总之，强调了 EUVL 扫描仪组件中液滴发生器的优化。液滴连续、可靠、精确操作发电机被明确，以及设计的进步，使改进 EUV 芯片生产。在测量高压下熔融锡的基本热力学和输运特性方面的计量进步，可以建立材料特性的参考相关性，并以 SRD 的形式传播。将 SRD 集成到仿真软件中，可以实现液滴发生器的数字双元模拟。因此，能够模拟液滴发生器的环境可以帮助当前设备的操作和对未来设计的创新，使高 NAEUV 扫描仪系统成为可能。

2.2 用于 EUV 生成的辐射测量

工业 EUVL 工具主要涉及两种类型的光：用于电离熔融锡（Sn）的脉冲、高功率红外（IR）激光，以及用于光刻产生的 13.5nm 光。前者由一种专门制造的二氧化碳激光器（λ=10.6µm）提供，以 50kHz 的重复频率发射约 30kW（平均功率）。锡电离过程包括两个快速连续的红外激光脉冲：一个预脉冲使液滴从球体变平成一个圆盘，另一个高能量主脉冲，用于电离。红外激光器的输出对于发展未来的光刻工具至关重要，因为「EUV 功率比例需要更高的二氧化碳激光功率」。「在目前的商业光刻工具中，非相干 13.5nmEUV 光的最大输出功率约为 250W，实验室演示为 600W。双脉冲系统如图 7 所示。

图 7. 图显示了在半导体制造过程中产生 EUV 光的双脉冲系统的（上）空间视图和（下）时间视图。来源：ASML

NIST 目前支持红外校准，但不支持商业 EUVL 所需的功率和脉冲条件。虽然 NIST 目前为针对光刻的微细加工行业提供校准，但它仅在 193nm 和 248nm 波长。在 EUV 波长范围内进行校准是可能的，但只有在明显低于 EUVL 工具的功率（毫瓦）时才能产生。在这些降低的功率下，NIST 提供辐射硬化硅光电二极管和氧化铝光电发射探测器，或合适的客户提供的探测器，可以作为传输标准进行校准。其他光学表征在 EUV 中进行，包括滤波器传输和空间均匀性测试。计量研究的机会将是扩展 NIST 校准能力，以覆盖输入红外激光，用于推断中游功率的 EUV 闪烁体，以及直接最终输出 EUV 光，所有这些都在与工业 EUVL 相关的条件下。通过为关键工艺参数提供可追溯的计量学，这将对半导体制造工艺的发展产生直接影响。此外，长期的影响将来自于未来的 EUV 仪器的开发，通过提供高保真的数据来验证 EUV 生成的模拟。

绝对辐射测量法不仅对光刻工艺的开发和仪器验收测试很重要，而且对 EUV 光产生工艺的准确定量也很重要。对这一过程的预测模拟已经滞后于 EUV 工具本身的开发。提高模型精度需要模型输入和输出的准确实验数据。在与工业 EUV 光产生相关的条件下，开发专门针对红外激光器和 13.5nm 光的新的辐射计量工具将提供这些数据。

没有工业合作，因为这里讨论的工业光刻工具是唯一能够产生这些探测器将被设计用来测量的光量的工具。鉴于与这些工具相关的知识产权数量，政府和行业的代表进行合作将很重要。工作组会议上的初步讨论显示，在没有保密协议的保护下，该行业不愿讨论相关细节。

2.3 等离子体物理和建模：光-物质的相互作用

EUVL 利用 13.5nm 的光子来生产集成电路。这种光的主要来源是由强大的激光器产生的一种非常热的锡等离子体。激光参数被调整，以产生锡离子，主要发射近 13.5nm(例子：Sn10+-Sn15+)。虽然大多数等离子体特性在许多实验中都得到了探索，但可靠和有效的理论支持对于开发更好的锡等离子体源至关重要。关于等离子体物理学的讨论包括在整个工作组会议上的几次介绍，并已合并到报告的一个领域。本节重点讨论等离子体物理学，目前的技术现状，以及美国工业和 NIST 研究人员推进该领域的需求。

对激光产生的锡等离子体的光发射的高级计算通常使用大规模碰撞辐射（CR）代码进行，这些代码试图解释导致光子辐射的最重要的物理过程。这些包括电子碰撞激发、去激发和电离、辐射、双电子和三体复合以及自电离等等。此外，辐射传输和不透明度以及辐射流体动力学建模可能变得必要。

由于支持物质相互作用的基本物理机制的信息有限，等离子体建模也受到限制。这可能会导致等离子体工程工作是渐进式的，而不是变革性的，以支持大批量制造。过去，行业-政府实验室合作伙伴一直试图了解并控制等离子体过程，并报告了他们的成功。业界仿真专家还指出，复杂的仿真如何涵盖不同时间尺度的多个物理领域。

等离子建模在指导工程以提高 EUV 光的产生和效率方面的实用性存在悬而未决的问题。例如，对带外光子以及离子和电子的发射进行建模可以提供预测见解，这将极大地提高芯片生产的效率。另一个感兴趣的领域是 EUV 光刻胶的光子、电子和化学相互作用，这是 EUVL 行业正在进行的研究兴趣。因此，等离子体物理建模也适用于 EUV 光学元件。EUV 光学器件和材料涵盖在以下部分介绍（2.4）。

在过去的三年里，EUVL 建模社区通过组织 EUVL 代码比较研讨会，启动了一个对 CR 代码的长期验证和验证程序。这种方法是根据 NIST 原子光谱小组组织了超过 25 年的一系列非局部热力学平衡（NLTE）代码比较研讨会建模的。因此，NIST 的原子光谱组（ASG）被要求开发一个新的 EUVL 数据库和现代比较工具，用于 EUVL 的 CR 代码的智能比较。到目前为止，所描述的工作已经在没有直接财政支持的情况下成功完成，最近两个 EUVL 研讨会的参与者使用数据库和用户界面来比较他们的软件包。尽管如此，未来的研讨会旨在分析需要对数据库和用户界面进行广泛修改的新物理参数。因此，需要稳定的资金，表明长期、多年的承诺来支持这一研究领域的发展。

NIST 研究人员报告的未来方向之一是主要基于多层反射镜的可用性来研究更短的波长方案。这将产生比在更高电离态（所谓的「超越 EUV」）下比锡重的元素产生的波长更短的光子。不幸的是，更广泛的研究界对 20+倍电离高 z 元素的光谱知识是不够的。NISTASG 具有充分的实验和理论能力，为 EUVL 社区提供最准确的信息未来等离子体源的光谱数据。为此，NIST 电子束离子阱（EBIT）不仅可以产生电荷高达 70+的离子，而且可以在这个光谱范围内记录 EUV 和软光谱中最精确和详细的光谱。NISTASG 团队还使用最先进的原子方法和代码进行高精度的大规模光谱计算。已证明的能力应该满足 EUVL 对未来等离子体源准确数据的需求。应该指出的是，当行业代表被告知 EUV 未来的资源来源时，他们表示，近期没有公开计划使用锡以外的来源材料。

总之，行业利益相关者希望对锡等离子体进行建模，而 NIST 正在进行的工作可以支持更多的努力，但将需要投资。此外，设计工程师和科学家将任何代码集成到商业软件中对优化 EUV 芯片生产能力有价值。工作组会议上的讨论是技术性的，但如何将任何此类代码与商业伙伴集成，以确保美国公司的利益。最后，建模等离子体和相互作用可以有助于减少碎片对 EUVL 部件的负面影响，这将在（2.4.2）中进行讨论。

2.4 与 EUV 相互作用的成分的表征

本节涵盖了与 EUV 光相互作用的 EUVL 扫描仪组件的两个组件：(1) 光刻胶和 (2) 收集镜。工作组的行业参与者提出了一个关于大批量制造 (HVM) 需求的总体主题。具体来说，HVM 的兴趣主要集中在增加使用 EUVL 生产的芯片的产量和产量上。NIST 目前拥有的可能的计量解决方案将在第 2 节中介绍。

2.4.1. 光刻胶：聚合物特性描述

光刻胶处理对半导体行业至关重要。所有器件元件和相关结构（从场效应晶体管 (FET) 中的通道到器件之间的电气互连）都需要光刻制造的纳米级图案。伦特规则指出，端子或互连的数量随着逻辑块或门的数量而增加。这与单元级别有关，当标准单元缩小时，与单元的连接需要也收缩。这个概念被证明在图 8。

图 8. 带状 FET 的单元尺寸缩小趋势示例，其中单元宽度和单元高度缩小需要。来源：英特尔，Gstrein 等人。

行业参与者强调，要利用新的电池架构和新颖的器件材料，需要如何积极地缩小间距。会议还讨论了如何实现新型单元结构和材料的 HVM 是困难的，产量是一个主要问题。例如，给定 1010 每个芯片的接触点和一个模具的产量，Yd=

，至少占 99%。在系统中，一个第三代英特尔酷睿处理器（四核），包含 14.8 亿个晶体管。如果有 99% 的良率，148 万个晶体管将会有缺陷——目标是 99.99996% 的良率或 6Sigma（6A）。良率必须非常好，良率取决于过程控制和缺陷。如果良率足够，制造 EUV 芯片的成本由生产率（吞吐量）决定。换句话说，更好的音高分辨率是必要的，但对于 HVM 来说还不够。

影响良率的主要工艺变化是边缘贴装误差 (EPE)。当光刻胶线条图案的边缘和侧壁显示出意外的纳米级不规则性时，就会发生这种情况。这些不规则性是随机的，通俗地称为线边缘粗糙度 (LER) 工件。随着器件尺寸持续缩小，LER 伪影可能会严重影响尺寸控制，并且随机 LER 波动的幅度开始与线路图案公差竞争。LER 的控制对于提高器件性能和制造产量至关重要。LER 可以由加工流中的许多因素引起，包括光刻和蚀刻步骤中的误差，以及光刻胶化学中的纳米级变化。因此，EUVL 行业需要更好地理解 LER 的原因，以及缓解这些问题的新工具。

减少线/空间抗蚀剂校正中的错误的策略之一是通过定向自组装（DSA），因为它可以修复小于间距的缺陷。图 9 中显示了 EUV+DSA 工作原理。工作组的一名行业成员提供了一个案例研究，针对 18nm 和 21nm 金属间距的 EUV、DSA 和自对准双图案化 (SADP) 的协同组合。

图 9. 除了 EUV 光刻胶外，使用定向自组装 (DSA) 如何改善系统和随机变异性的示例。来源：英特尔

总而言之，围绕 EUV 光刻胶的关键点是：单元尺寸缩小需要新颖的工艺架构、新颖的器件材料以及将互连间距缩小到 12nm 的间距。如果芯片良率足够高，EUVL 半导体芯片成本主要受到生产率（吞吐量）的限制。成品率主要由导致边缘放置错误的随机工艺变化决定。金属氧化物抗蚀剂平台在紧密间距表现出令人印象深刻的分辨率和缺陷性能，而 DSA 从根本上改善了光阻剂的系统和随机变化。

最后，行业参与者强调，当前的每一个过程变化都需要经过实验性的探索，而 NIST 的计量能力和专业知识在这些活动中发挥着关键作用。具体来说，对过程变化的实验探测的四个主要子部分：

(1) 需要评估数千亿个特征之间的过程变化，因此需要实验室规模的高通量方法，可能像高谐波产生 (HHG) 设备，这将在第 2 节中讨论（2.5.1）。

(2) 抗蚀剂中随机缺陷的化学形成是一种可以在同步加速器源中进行的不可或缺的工具，这将在第 2 节中进行讨论（2.5.2）。

(3) 要在每个长度尺度上探测工艺变化，并且越来越多地在 3-D 中探测。请注意，这可以使用原子探针断层扫描（APT）技术来完成，这将在第 2 节中讨论（2.5.3）。

(4) 在这些小长度尺度上，表面和界面占主导地位，因此不存在尖锐界面之类的东西。

当被问及前景和工业界对研究界的信息是什么时，NIST 提供了一个需求清单。对于光刻胶：(a) 具有更高量子数的新型光刻胶 (b) 光刻胶/底层特征和缺陷形成的起源 (c)MOx 光刻胶中随机缺陷的化学形态 (d) 光刻胶浮渣缓解策略有机抗蚀剂 (e) 有机抗蚀剂的干式显影技术。随着 EUVL 制造业从低 NA 向高 NA 及更高 NA 过渡，这个需求特别重要，见图 10。

图 10. 该图显示了随着 EUVL 制造中的数值孔径 (NA) 从低 NA 过渡到高 NA 甚至更高，如何需要新的光致抗蚀剂。来源：英特尔

对于校正，行业需求是：(a) 对粗糙度和缺陷进行与节距无关的校正，以保留目标布局，如图所示图 11，(b) 新 DSA 分子与高气材料，具有高选择性干蚀刻和选择性渗透，(c)3-ton-A-B-C 嵌段共聚物，(d) 功能嵌段共聚物和刷子 (光图案化、可交联等)。

图 11. 图中显示了 DSA 如何不保留目标布局，因此需要对粗糙度和缺陷进行与节距无关的校正。来源：英特尔

2.4.2.EUV 收集镜：锡离子、蒸汽和粒子表征

由于大多数材料强烈吸收 13.5nm 辐射，因此使用 EUV 光进行图案化带来了许多新的挑战。由于强烈的材料相互作用，这需要使用镜子而不是透镜在真空中产生和引导光。初始的等离子集光镜是凹面和椭圆体，等离子体在第一个焦点处产生。在第二个或中间焦点处，等离子光被引导至曝光工具（图 12）。整个收集区域的波长匹配和红外光谱过滤是多层收集镜的关键特性。

图 12. 近垂直入射多层反射镜收集的 EUV 概念示意图。来源：:Versolanto

此外，产生足够数量的 EUV 辐射是极其困难的，因此必须努力确保镜子具有尽可能最高的反射率和空间均匀性。此外，多层镜的反射率必须在光刻工具的操作期间保持较高。光刻过程包括将图案暴露在光刻胶上，光刻胶存储图案以进行进一步处理（见 2.4.1)。EUV 辐射引起光致胶的化学变化，从而产生挥发性化合物，这些化合物可能会通过真空系统迁移并吸附到表面上。虽然光刻胶可以影响镜面表面，但这并不是收集镜面的主要问题。行业成员指出，影响收集镜的两种主要碎片类型是：(1) 直接来自等离子体的碎片，热量和动量转移到周围的缓冲液 H2 气体中；（2）在与任何表面碰撞之前，进入收集器的锡通量，由 (I) 停止离子的扩散，(Ii) 锡蒸气和 (Iii) 锡微粒组成。

目前用于保护收集镜免受碎片伤害的方法是通过氢气流。约 100Pa 的氢气缓冲气体引起离子减速。氢气从收集器流出，这降低了原子锡在收集器上的沉积速率。氢自由基与锡的反应形成了锡烷 (SnH4)，可以根据方程式中所示的反应被抽走。

在带有真空泵的容器中发生的抽气作用可以去除热气体和锡蒸汽，这也有助于保护收集镜。此外，内部硬件收集微粒。业界已对镜子的清洁进行了研究，以解决污染问题。业界为提高收集器反射镜的使用寿命所做的努力已取得进展，特别是 2021 年的使用寿命超过 6 个月。

即使在保护 EUV 收集器镜像方面有了实质性的改进，行业成员也表达了两个需求。首先，了解「光子和等离子体物质如何与 EUV 光源中的背景气体、光学和等离子体表面相互作用」。限制的知识差距包括次级等离子体及其相互作用、传输和光谱、等离子体辐射壁物理化学和等离子体诊断。第二，了解「锡会发生什么以及如何对其进行管理」。这里的知识差距包括锡污染、锡的氢自由基清洗、锡烷形成过程加上相关的热和质量传递和化学、小颗粒检测。

2.5 EUV 作为一个分析工具

在工作组会议上，NIST 的研究人员讨论了关于使用 EUV 作为分析工具来协助半导体制造业的三个主题。利用 EUV 光作为分析技术的三种方法分别是：(1) 高次谐波产生 (2) 同步加速器 (3) 原子探针层析成像。高谐波产生具有紧凑的占地面积，允许部署在研发和制造设施中，并连续访问深纳米级微电子器件的尺寸、材料和动态特性，这通常在同步加速器光源下进行。同步加速器光源允许研究 EUVL 的许多方面，并具有研究收集镜退化的附加功能。原子探针层析成像是唯一能够提供元素周期表上任何元素的亚纳米同位素分辨原子级尺度元素图的 3D 化学映射技术，可用于研究 EUV 光刻胶。

业界就这些工具在协助 EUVL 制造方面的潜在用途提供了宝贵的反馈。NIST 法律委员会必须积极行动，为满足潜在合作者的 NDA 请求制定解决方案，同时满足联邦工作人员所生的独特法律和行政要求，明确禁止自己或组织遵守任何外部合同。

2.5.1. 高谐波 (HHG)

随着 EUVL 将光刻特性进一步推进到深纳米尺度的体系中，微电子行业正在呼吁采用新的测量和计量技术。在 NIST，有一个正在进行的项目，利用 EUV 的短波长来探测在深纳米级尺度上的微电子器件的尺寸、材料和动态特性。NIST 的高谐波发生 (HHG) 光源是宽带（跨越 20-100eV 光子能量）、超快（20 飞秒脉冲）和相干（类激光）光源。宽带光谱使人们能够接触到许多相关材料中的原子核心跃迁，用于微电子显示元件和特定层的测量，如图 13 所示。这样的测量通常在同步加速器光源上进行。然而，HHG 源的紧凑占地面积允许在研发和制造设施中部署并连续访问。图 14 显示了 NIST 物理材料实验室 (PML) 当前系统运行的照片，该照片适合典型的实验室空间。

图 13.NIST 高次谐波源的光子能量输出谱及其在相关材料中几个原子核心能级跃迁的位置。

图 14. 位于 NIST 的 HHG 源及其所附仪器的照片

短脉冲宽度使动态测量自旋和热输运。最最近的一项成功是开发了与 EUV 脉冲同步的频率梳发生器，其抖动优于两皮秒。图 15 演示了这个与 40GHz 信号的同步。这比在同步加速器上所能实现的大约要好一个数量级，并且允许我们在微电子设备的工作频率下进行测量。这使得能够实时测量功能器件内部和外部的热流和自旋传输。

图 15. 采样示波器上的 40GHz 信号。触发脉冲（红色）来自高次谐波系统中使用的脉冲，直接显示了高次谐波和 40GHz 信号的同步。

最后，光的相干性使得无透镜成像技术成为可能，如相干衍射成像、叠层照相术和全息术，可在 EUV 波长下提供空间分辨率。此功能将使 NIST 能够直接对功能设备进行成像，虽然这项工作没有在 NIST 完成，但图 16 显示了将叠层照相术与反射测量法相结合以横向空间分辨率测量硅中的掺杂剂分布的结果。这种方法可以对微电子学中的界面和掺杂剂分布进行非破坏性评估。

图 16. 使用组合反射测量和叠层描记技术对掺杂剂分布进行 3D 纳米级表征的示例。来源：Tanksalvala 等人

在工作组会议上，业界提到分析晶圆中的半导体元件来识别缺陷是如何有用的。具体来说，Golani 等人展示了如何使用模拟将光结构相互作用模拟与光学模拟分开系统仿真，在后处理中执行后者，使得许多光学配置能够在相对较短的时间内进行测试。Golani 等人的模拟使用 Ansys 商业求解器完成，并显示了使用一个强大的数字孪生。

2.5.2. 同步加速器：NIST SURF III

除了 NIST 用于分析半导体元件的实验室规模 EUV 光之外，Steve Grantham 博士在工作组会议上还介绍了 NIST 同步加速器紫外线辐射设施 (SURF III) 的大量资源。

当带电粒子以弯曲的路径移动时，就会发出同步辐射。由于大多数加速器使用磁场来弯曲粒子的轨迹，同步辐射也被称为磁轫致辐射。发射的光谱是从微波（驱动射频场的谐波）到 x 射线光谱区域的宽带，辐射是垂直准直和偏振的。如果已知电子能量 E，弯曲半径ρ，电子电流 IB，相对于轨道平面的角度Ψ0, 到切点 d 的距离、垂直角度Δψ和水平角度Δθ，则可以计算出同步辐射输出。SURF 的输出功率如图所示。

图 17.SURF 在 416MeV、380MeV、331MeV、284MeV、234MeV、183MeV、134MeV 和 78MeV 处射的同步辐射光谱与 3000K 黑体和氘灯的比较。

反过来，NIST 的紫外线辐射小组将 SURF III 作为辐射测量和研究的稳定光源。SURF 覆盖了从远红外到软 X 射线的波长范围。表 1 显示了 NIST SURF III 的当前功能和未来计划的概要。同步加速器光源不适用于大批量制造 (HVM) 环境中的 EUV 光源。尽管如此，同步加速器设施可能是有利的，因为它可以灵活地测试许多参数，以协助 EUVL 行业实现 HVM 目标，如本报告前面部分所述（2.2 和 2.4.2)。需要注意的是，某些波长的系统的定义和术语重叠且可能不一致，因此应参考 ISO21348 标准作为一般指导方针。

在工作组会议上，给出了在存在污染物和/或清洁物的情况下，用 EUV 辐射照明时镜面污染的研究实例。自 2000 年以来，NIST 一直是研究 EUVL 光学污染的领先中心，并已经研究了卫星中常用的滤波器的降解情况。最近，NIST 传感器科学部门对半导体制造应用进行了类似的研究。NIST 目前在两条束线（束线 1 和束线 8）上有三个设施，专门用于光学污染的各个方面。研究污染的能力直接涉及到本报告前面延长收集器反射镜寿命的重要性的讨论相关（见 2.4.2)。应该支持将需要继续和发展目前的设施，以支持半导体行业的下一代 EUVL 制造。

2.5.3 原子探针断层扫描（APT）

原子探针断层扫描（APT）是唯一一种能够在元素周期表上提供任何元素的亚纳米同位素分辨原子尺度元素映射的 3D 化学映射技术。图 18 给出了 APT 操作的示意图，关于 APT 的进一步背景信息，读者可以参考最近关于该主题的综述。

图 18. 位于科罗拉多州博尔德市 NIST 的原子探针断层扫描 (APT)（上）APT 操作示意图（下）照片。来源：NIST

商用 APT 仪器采用近紫外（NUV：3.5eV）或深紫外（DUV：4.8eV）激光辐射，低于许多材料的功函数和大多数元素的电离能。因此，这些仪器可能通过对所研究样品的大量加热来工作。事实上，对于有机材料的分析，来自 NUV 仪器的数据往往是复杂的，显示出有问题的碎片模式，在现场蒸发过程中的聚合证据，并不能直接解释成原子尺度的结果。相比之下，EUV（20-90eV）辐射具有足够的能量，足以电离样品表面的原子和分子，从而有可能产生更小的、可直接解释的物质碎片模式。NIST 方法是将 EUVAPT 应用于薄膜光刻胶的研究，以寻找可能有助于光刻不以寻找可能导致光刻不规则性（包括 LER）随机性质的纳米级成分波动。因此，EUVAPT 是在研究与光刻胶加工和组成化学相关的随机事件方面的一个关键的计量学进展（见 2.4.1). 值得注意的是，这种方法以及前面第 2 节（2.3）中讨论，将 EUVAPT 与传统的 NUV 和 DUVAPT 仪器之间的结果进行比较。

调查结果和建议

工作组会议的技术结论包含在每个子项目的末尾第 2 节中的部分。实验提取的关键属性将促进建模和仿真技术，推动半导体的高产量，吞吐量和规模。NIST 拥有独特的 EUVL 实验计量技能集和理论仿真程序。因此，工作组会议的行业与会者鼓励资助 NIST 提议的创建仪器或使用现有仪器向美国行业提供超准确数据的工作。NIST 的科学家不应该只是工业设计工程师，而应该通过合作，应该将他们的领域知识与对 EUVL 的见解相结合，以实现互惠互利的结果反过来，知识转让必须与资助的使命相一致。工业有办法支持国内利益，但 NIST 的科学和管理领导者必须了解如何相应地调整任何新创建的竞争优势。应考虑已建立的受控传播方法，如 CRADA、SRD 和 SRM。

从项目角度来看，工作组会议强调了 EUVL 的国际竞争格局如何导致需要保密协议 (NDAs) 才能与 NIST 研究人员进行深入的技术对话。因此，所有工作组会议与会者建议简化 NIST 研究人员和行业之间的 NDA 流程，从项目启动开始，周转时间不到 2 个月。应教育 NIST 的工作人员和管理人员了解 NDA 流程，以正确执行步骤。

最后，从这次工作组会议中可以看出，面对面互动的价值就产生了富有成效的对话和可采取行动的下一步步骤。未来利益攸关方的互动可以从工作组会议到研讨会过渡到转变到研讨会到财团。随着程序性的增加，成本（10,000 美元-100,000 美元以上）和工作量（40-200 小时以上）也会增加。因此，将未来的活动安排在经常参加的专业会议上，例如 SPIE 或美国光学协会 (OSA) 的会议，可以帮助减轻成本和精力。