集成电路产业是国民经济和社会发展的战略性、基础性和先导性产业.光刻是集成电路芯片制造中最复杂、最关键的工艺步骤.光刻机是光刻技术的关键设备,由光源、照明、投影物镜、机械及控制等系统组成.光刻技术曝光分辨率的不断提高支撑着摩尔定律的延续.曝光分辨率由瑞利公式决定: 其中k为工艺因子,入为光刻光源波长,NA为投影物镜的光学数值孔径.因此光刻机分辨率的提升主要从减小光源波长、降低工艺因子、增大物镜数值孔径来着手.其中综合来看,提升光刻曝光分辨率的主要研究方向为减小光源的波长.半个多世纪以来,光刻机光源的波长从最初的可见光逐步演化到高压汞灯产生的 436 nm (G 线)、365 nm (I线).再到 KrF 准分子激光的 248 nm、ArF 准分子光源的 193 nm.目前,产业界公认的新一代主流光刻技术是采用光源波长为 13.5 nm 的极紫外光刻。由于 13.5 nm 的 EUV 光在所有材料中均会被强烈吸收,其光学系统需要在真空环境中采用多层膜的反射镜组成,每片反射镜反射率最高约 70%为了实现对 EUV 光的收集、传输、整形等现有EUV 光刻机有一套复杂的光学系统.EUV 光从光源到晶圆共经历 11 次反射(0.711 = 0.02).为了使到达晶圆上的 EUV 光功率满足芯片大规模量产的要求,需要 EUV 光源的功率足够高.而且随着芯片工艺节点的缩小,对 EUV 光功率的需求会进一步提升,业界估计在 3 nm 及以下节点,EUV 光刻需要在中间焦点 (intermediate focus,IF)处的 EUV光功率将达到千瓦量级.因此大功率 EUV 光源的突破是 EUV 光刻技术用于大规模制造的核心与关键.目前世界上唯一的 EUV 光刻机供应商是荷兰的 ASML 公司,其采用的是激光等离子体 (laser-produced plasma,LPP)EUV 光源具体来说,通过一台功率大于 20 kw 的 CO2气体激光器轰击液态锡形成等离子体,从而产生 13.5 nm 的 EUV光.通过不断优化驱动激光功率、EUV 光转化效率、收集效率以及控制系统.LPP-EUV 光源目前能够在中间焦点处实现 350 w 左右的 EUV光功率,该功率水平刚达到工业量产的门槛指标.产业界认为 LPP 光源未来可以达到的 EUV 功率最高为 500 W左右想要继续将 EUV 光刻向3 nm 以下工艺节点推进,LPP-EUV 光源的功率将遇到瓶颈.由于基于等离子体辐射的 EUV 光源功率进-步突破困难,因此基于相对论电子束的各类加速器光源逐渐进人产业界的视野。有望用于EUV 光刻的 EUV 光源为 LPP、SRE-EEL,以及SSMB 光源.其中 LPP 已经是成熟的商业方案,但其功率进一步提升有限.很难满足 EUV 光刻长期发展的需要.SRE-EEL 可实现 1-10 kw 量级的EUV 光,但其造价相对高昂,规模较大.而且,要达到商业化所需能量利用效率,必须对其发光的电子束进行能量回收,也即要采用能量回收型直线加速器 (energy recovery linac,ERL)方案,大流强高品质电子源等多项关键技术需要进一步突破SSMB 也可以实现大于 1kw的 EUV 光功率,目造价和规模适中.作为一种新型光源原理,SSMB原理实验验证已经实现.需要建设运行在 EUV 波段的 SSMB 加速器光源研究装置,培养科学及产业用户.并提高其技术成熟度.另外。基于加速器的光源还具有易向更短波长拓展的优点,有望成为下一代采用波长 6.z nm 的 Blue-X光刻技术[71 的主流光源.总结来说,SSMB-EUV 光源用于 EUV 光刻具有以下特点及潜在优势:
1) 高平均功率: SSMB 储存环支持安装多条EUV 光束线,可同时作为光刻大功率照明光源及掩模、光学器件的检测光源,还可以为 EUV 光刻胶的研究提供支撑:
2) 带宽与高准直性: SSMB 光源容易实现EUV 光刻所需的小于 2% 的窄带宽要求,并且波荡器辐射集中于 < 0.1 mrad 的角度范围内.窄带宽以及高准直的特性可为基于 SSMB 的 EUV 光刻光学系统带来创新性的设计。同时可以降低 EUV光学反射镜的工艺难度:
3) 高稳定性的连续波输出: SSMB 输出的是连续波或准连续波辐射.可以避免辐射功率大幅涨落而引起的对芯片的损伤. 储存环光源的稳定性好,采用 top-up 运行模式的 SSMB 储存环,可使光源的长时间可用性得到进一步提升.
4)辐射清洁: 与 LPP-EUV 光源相比,波汤器辐射的高真空环境对光刻的光学系统反射镜不会产生污染.镜子的使用寿命可以极大延长;
5) 可拓展性: SSMB 原理上容易往更短波长拓展,为下一代采用波长 6.a nm 的 Blue-X 光刻技术留有可能.
总结:
一款下一代光源技术,相对于当前最牛的ASML现有技术,能够提升功率,从而为光刻机从5nm到3nm乃至更高提供可能。
但是,网传的那个回型加速器曲线救国提高控制精度可能不实。距离中国EUV光刻机还差精密透镜组设计加工精密机械控制等很长的一段路要走。
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