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            材料沉積噴墨打印及
            涂層系統解決方案

            新聞資訊

            為推動多種溶液法加工及納米材料沉積噴墨打印技術在印刷電子和生物等科學研究及工業領域的應用和發展而不懈努力。

            EUV輻射源

            發布時間:2020-12-25
            發布人:RUIDU

            光刻技術(photolithography)是集成電路制造的重要環節,利用光學-化學反應原理和化學、物理刻蝕方法,將電路圖形傳遞到單晶表面或介質層上,形成有效圖形窗口或功能圖形的工藝技術。

            光刻是制造芯片的關鍵技術,光刻機通過光源發出的光通過具有圖形的光罩(Reticle,Mask,又稱光掩模版、掩膜版)在經過縮圖透鏡將光罩的圖案照射到涂有光刻膠的硅片上,光刻膠在見光后會發生性質變化,從而使光罩上的圖形在硅片上刻錄,使硅片具有電子路線的作用。

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            ▲ 光刻機工作原理圖

            本文主要介紹EUV光源技術的激光等離子體(LPP,Laser Produced Plasma)技術。

            當氣體溫度不斷升高,這時構成分子的原子發生分離,形成為獨立的原子,如氮分子會分裂成兩個氮原子,我們稱這種過程為氣體中分子的離解。如果再進一步升高溫度,原子中的電子就會從原子中剝離出來,成為帶正電荷的原子核和帶負電荷的電子,這個過程稱為原子的電離。電離過程的發生,形成了等離子體,等離子體中電子具有較大的動能,以較高的速度在氣體中飛行,而且電子在運動過程中與其他粒子會產生碰撞,使更多的中性粒子電離。在大量的中性粒子不斷電離的同時,還有一個與電離相反的過程,就是復合現象。所謂復合就是兩種帶電的粒子結合形成中性原子。在復合過程中,電子將能量以光的形式放出來,這種現象就稱之為離子發光。

            由光電效應方程,可知當電子從高能級躍遷到低能級放出的能量以光子的形式發出,也就是釋放出光子,而光子分為可見光和不可見光,當從n≥2向基態躍遷時發射的是紫外線、 當從n≥4向n=3躍遷時發射的是紅外線是不可見的,只有從n≥3向n=2躍遷時發射的是可見光。

            “E=Em-En=hγ”

            EUV的產生是通過激光將錫滴作為燃料使其產生等離子體的過程。LPP EUV是將高功率的的二氧化碳激光打在直徑約為20微米的錫液滴上,通過高功率激光使錫滴膨脹蒸發形成錫蒸汽,然后將蒸汽加熱產生等離子體,這個過程會產生極紫外光。產生EUV的燃料可以是錫(Sn)、氙(Xe)、鋰(Li),由于氙(Xe)和鋰(Li)在實際測試中其產生的功率及工藝無法達到生產要求,錫滴被作為EUV制造的理想燃料。

            LPP EUV系統主要包括錫滴發生器、激光器、源收集器、輻射收集器組成。

            錫滴發生器用于產生作為燃料的錫液滴,用于產生20um的錫滴;

            激光器用于提供能量源,用于激發錫滴,通過引導激光束至錫滴來激發錫滴產生等離子體;

            源收集器是一個中空的腔體,其內部為真空環境用于支持等離子體;

            輻射收集器接收EUV輻射,在產生等離子體的過程中會發生EUV輻射,通過輻射收集器進行收集并將輻射狙擊成EUV光束進行后續工作。

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            ▲ EUV光刻機工作原理示意圖

            其步驟為:

            (1)錫液發生器使錫液滴落入真空室③。

            (2)脈沖式高功率激光器①擊中從旁飛過的錫液滴②—每秒 50,000 次。Laser分為兩部分,前脈沖和功率放大器。前脈沖和主脈沖擊中錫液使其氣化。

            (3)錫原子被電離,產生高強度的等離子體。

            (4)收集鏡捕獲等離子體向所有方向發出的 EUV 輻射,匯聚形成光源。

            (5)將集中起來的光源傳遞至光刻系統④以曝光晶片⑤。

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            ▲ EUV光源示意圖

            錫滴產生

            液體在壓力作用下從噴嘴流出形成束流,束流在一段距離后將自然破碎形成液滴,這種現象被稱為瑞利不穩定現象(瑞利破碎),瑞利不穩定性描述了圓柱形的流體在表面張力的驅動下,分解為若干個球形液滴的現象。產生錫滴的過程即瑞利破碎,產生錫滴的機構有噴墨壓電噴頭、機械式噴射閥、氣壓式噴射閥,該機構可以通過機械輔助或調整瑞利破碎機制生成連續的液滴束流,并且液滴束流具有可調節的液滴頻率。

            本節主要介紹基于噴墨壓電噴頭機構的錫滴發生器。錫滴發生器主要包含儲液器、錫材料、定制化的壓電噴頭、加熱器。儲液器用于存儲燃料液體,燃料液體由錫材料制成,在超過235℃高溫下融化,在氣體壓力作用下通過壓電噴頭擠出,由于瑞利破碎形成液滴。

            錫滴產生原理

            定制化的壓電噴頭中心一端有3-5um的小孔為毛細玻璃管,毛細玻璃管外壁粘結壓電陶瓷,壓電陶瓷在電信號的作用下會發生形變產生振動,振動從壓電陶瓷傳遞至毛細玻璃管。儲液器連接至毛細玻璃管的另一端,儲液器中的錫材料在加熱到高于235℃時形成錫溶液,錫溶液在氣壓作用下從毛細玻璃管擠出,產生束流。在沒有壓電陶瓷的情況下,束流將在液滴發生一段距離(約噴嘴直徑的100-1000倍)后自然破碎形成液滴,其液滴直徑大約為噴嘴直徑的2倍或略小,兩液滴間隔是噴嘴直徑的大約4.5倍,雖然毛細玻璃管外壁沒有壓電陶瓷的作用液可以產生瑞利破碎,但壓電陶瓷可以通過控制毛細玻璃管內的壓力控制瑞利破碎,從而使形成液滴的位置更加明確。

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            如果噴嘴的直徑為4um,燃料液滴可以通過瑞利破碎形成約7um直徑的液滴,液滴分開大約18um的距離,噴嘴的液滴產生速率對應的瑞利頻率與噴嘴處燃料的平均速度和噴嘴的直徑相關:

            雖然在沒有壓電陶瓷制動的情況下也可以發生燃料液體束流的瑞利破碎,但壓電陶瓷可以通過控制毛細玻璃管內的壓力控制瑞利破碎,調制毛細玻璃管內的壓力調制離開噴嘴的液體燃料的排出速度,并使液體燃料的束流在離開噴嘴之后以受控制的方式直接破碎為液滴。如果通過壓電陶瓷施加的頻率足夠接近瑞利頻率,則燃料液滴形成,液滴被分開的距離由離開燃料噴嘴的平均排出速度和由壓電陶瓷施加的頻率決定。

            噴嘴穩定性

            噴嘴的穩定性或堵塞是任何噴墨打印應用時在使用噴嘴期間可能會出現的問題。噴頭堵塞可能是錫溶液中的污染物造成的,噴嘴堵塞會造成噴嘴的損壞或維護需求,并因此限制光刻機的后續工作。

            通過在噴嘴前端增加過濾器可以過濾比噴嘴直徑大的障礙物,然而,比噴嘴直徑小的障礙物 和噴嘴內的障礙物可能導致噴嘴的有效幾何結構的改變。

            有效幾何結構的改變可能導致所生成的液滴束流的參數的改變,例如液滴形狀、尺寸,或更可能的是液滴束流的軌跡的方向。在許多應用中,這些參數將需要滿足嚴格的要求。尤其在EUV輻射源中,液滴生成裝置在液滴束流的軌跡方面的要求將極其嚴格。例如,在等離子體形成位置處,液滴位置可以需要精確至幾個微米,但是噴嘴本身需要放置相對遠離等離子體形成位置,例如幾十厘米左右的距離。這導致液滴束流的軌跡的方向穩定性要求也許小于10微弧度。總的結果是,即使是沉積在噴嘴的內表面上的極小的微粒污染物也可以將噴嘴的有效幾何結構改變至確保不滿足方向穩定性要求的這種 程度。這又可以對輻射源的操作產生有害的影響并因此對光刻設備作為整體產生有害的影響,例如在生成輻射方面。

            顆粒 40 是污染物的一個示例。污染物可以是微粒的形式,或可以是用以形成液滴束流的燃料內存在的其它任何物體(例如,薄片、結塊、溶液等)。污染物可能由于燃料的氧化引起。例如,如果燃料是錫,則污染物可能是錫氧化物顆粒等。

             

            為了防止噴嘴被污染物堵塞,由此導致噴嘴的有效幾何結構的改變。一種提出的解決方案是在燃料流動系統中使用細的或較細的過濾器以防止具有小于噴嘴直徑的平均直徑的污染物(即,噴嘴的開口)到達噴嘴。然而,這隨后可以導致燃料流動系統整體的堵塞(即,在該過濾器處),這又導致需要定期維護或修復液滴生成裝置,由此造成輻射源和/或光刻設備作為整體的相當長的停工時間。

            為了解決噴嘴堵塞的問題,噴嘴內表面特意地配置成防止在用以形成燃料液滴的燃料中存在的污染物沉積在該內表面上,這可以通過確保內表面對污染物是不具有粘性的和/ 或通過確保內表面足夠光滑以避免這樣的沉積發生來實現。這種方法的優點在于,不促成 進一步的堵塞等。相反,污染物被沖洗離開燃料流動系統,并且尤其是沖離噴嘴,因此防止 了堵塞,并因此防止噴嘴的有效幾何結構的改變。

            涂層可以是多種不同材料中的一種或包括多種不同材料中的一種,例如 :氟化 物(CaF2,BaF2);氮化物 ;DLC(類金剛石碳);特氟隆(即,PTFE- 聚四氟乙烯);或由溶膠凝膠 CN 103748969 A 說 明 書 9 8/9 頁 10 涂覆工藝得到的材料(例如,基于硅或硅石的涂層,例如諸如 SiO2:CH3)。 

            在一些情況下,上述材料中的任一種或更多種可以用作涂層。然而,類金剛石碳可能不總是合適的,這依賴于噴嘴的縱橫比,噴嘴的縱橫比可能有礙類金剛石碳涂層容易 應用的沉積(例如使用氣相沉積)。氮化物可能會太粗糙,并且可能不足以防止污染物在噴嘴內的聚積。由于可能太難以應用氟化物作為涂層的事實,氟化物可能是不合適的。相反,已經發現PTFE和通過溶膠凝膠涂覆工藝得到的材料(例如基于硅或硅石的涂層,例如諸如 SiC2:CH3)是特別合適的,滿足上面限定的全部要求。

            液滴加速

            燃料液滴需要具有高的速度(例如100m/s或更高),這是因為速度越快,燃料液滴之間的間隔距離越大,從而減小由前面的燃料液滴生成的等離子體與下一個燃料液滴相互作用的風險,被輸送至等離子體形成位置的液滴的間隔應該為1mm或更大。

            為了獲得高速液滴,需要對液滴發生器中發生的液滴進行電場加速,液滴發生器前方增加第一電級和第二電級,液滴發生器與第一電極連接調制電壓源,第一電極和第二電極連接恒定電壓源,第一電極接地,調制電壓源施加一個從恒定正壓Va切換到恒定負壓-Va的周期電壓信號,調制電壓源的頻率為液滴發生器頻率設置為特定關系,第一電極和第二電極中間施加一個恒定電壓源。當液滴發生器產生液滴時,液滴帶電(正電荷或負電荷),其所帶電荷與第一電極電荷相反,液滴在電場作用下加速穿過第一電極到達第二電極,通過調制電壓源的信號周期與液滴發生器的周期,使其產生的液滴帶電情況類似為“+++---”,當液滴束流進入第一電極和第二電極中間時,攜帶“+”電荷的粒子將減速,攜帶“-”電荷的粒子將加速,一段束流內的液滴將融合變為一個中性的大液滴。

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            電壓Va改變極性時,在液滴發生器和第一電極之間進行的少量液滴可以被減速,因為他們是“錯誤的”電荷,但是如果液滴發生器和第一電極之間的距離小,則這些液滴數量少,表示束流中的僅小部分液滴,并且不會顯著影響液滴的整體加速。

            在液滴束流的第二半 322 已經發射之后,由調制電壓源 312 施加的電壓變為零并且液滴不帶電。電壓可以保持在零位時間段 t 沉默,其與帶電液滴的束流的末端和帶電液滴的下一個束流的開頭之間的時間段對應。時間段 t 沉默可以是任何合適的時間段。在一個實施例中,時間段 t 沉默可以是零,即,使得電壓立即從 -Va 變為 Va。在一個實施例中,在液滴束流的第二半的末端和隨后的液滴束流的第一半的開始之間沒有間隙。

            如果存在數量相同的帶正電的和帶負電的液滴并且全部這些帶電液滴具有相同幅值的電荷,則所形成的聚結的較大的液滴將是電中性的。然而,可以通過形成數量不等的正、負帶電粒子(其可以通過使 Va 高的時間段和 Va 低的時間段不相等來實現)和 / 或通過具有幅值不等的正和負電荷(其可以通過具有不同幅值的正 Va 和負Va 來實現)形成具有電荷的聚結顆粒。如果聚結的液滴被形成在具有電荷的電極 314 和 318 之間,則這可以允許實現進一步的加速。

            聚合形成的燃料液滴具有中性電荷。中性液滴到達等離子形成位置,并可以用以生成用于發射EUV輻射的等離子體。


            參考資料:

            [1] 新一代制程的關鍵:13.5奈米的「極端」紫外光

            [2] 芯片的光刻技術

            [3] 浸沒式光刻原理淺析

            [4] 集成電路先進光刻技術與版圖設計優化

            [5] 光刻技術的原理和EUV光刻技術前景

            [6] 光刻機詳解一:光源系統篇

            [7] 光刻機詳解二:光學鄰近校正

            [8] 光刻機結構組成及工作原理

            [9] 光刻機發展史

            [10] CN201280042339-輻射源和光刻設備

            [11] ASML 簡介

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