7nm未解决的Litho问题

埃德·斯珀林和马克·拉佩德斯著
EUV光刻在掩模方面创造了一系列新的挑战，目前没有简单的解决方案。

虽然光刻被视为一种单一的技术，EUV实际上是技术的集合。然而，并不是所有这些技术都是同步发展的。例如，用于反射EUV激光束的镜子中的像差可能导致高背景耀斑。同样，光束聚焦透镜的缺陷，或复杂技术阵列中的其他杂质，都可能导致晶圆表面粗糙度。再加上光子发射噪声，覆盖问题，让这些系统工作起来都是令人生畏的，更不用说一致性了。

这些问题是多种多样的，没有一个单独的问题是引人注目的，但它们的影响可以累积起来。它们影响着晶圆厂的产量和良率。他们在幕后提出了一些问题，即晶圆代工厂应该如何积极地从使用193nm浸没式光刻技术的多模式技术转向EUV技术。

例如，对于浸入式光刻扫描仪，一个光刻扫描仪被认为是可以与另一个实际上互换的。因此，掩模制造商可以为传统的光学扫描仪制作光学掩模。面具是可以互换的。同样的掩模可以在任何扫描仪中使用。

然而，对于EUV，有潜在的畸变与EUV掩模。换句话说，EUV掩模可能在一台EUV扫描仪与另一台EUV扫描仪之间可以互换，也可能不能互换，这可能会扰乱整个掩模制造过程。

“历史的范式是一种型号代表所有的扫描仪，”John Sturtevant说Mentor是西门子旗下的企业．“所以你可以制作一个版本的口罩，这意味着一个版本将代表整个扫描仪舰队。现在我们面临的可能是，面具的副本和你拥有的工具一样多。这对EUV来说将是破坏性的。”

Fractilia的CTO Chris Mack也发现了同样的问题。他说:“在过去，扫描仪之间的匹配非常好，我可以制作一个口罩，把它放在任何我想要的扫描仪上。”“去年我们发现，(预生产的ASML NXE:3300B)的交叉缝像差非常大。为了得到我们希望的临界尺寸均匀性，人们提出了OPCing(光学接近校正)掩模的想法，以校正沿狭缝和扫描仪的系统像差。然后你有一个专用于扫描仪的掩码。如果你想使用不同的扫描仪，你就会有不同的掩模。”

Mack表示，ASML一直在努力用其后续系统NXE: 3400B解决这个问题，该系统目前正在发货。“所以真正的问题是，在3400中像差是否得到了充分的降低，以至于我们不必为每个扫描仪专门配备一个掩模?我们还没有数据。我相信阿斯麦正在非常努力地确保3400不会出现这种情况。”

事实上，新模型已经进行了改进。但每个扫描仪仍然有自己的指纹，即使指纹不像过去那么明显。

其他问题也会突然出现。“这里最大的影响是时间，”该公司高级技术人员本•拉萨克(Ben Rathsack)表示电话．“它与真空系统中镜子上的污染属于同一类别。所以你可以清洗系统，你可以刷新镜片，但问题是系统能运行多久?这不是一个基本缺陷，但它确实会影响时间和吞吐量。如果你有一个向下的工具，有时你别无选择，只能将它移动到具有不同指纹的工具上。”

拉萨克指出，这并非EUV独有的现象。浸没式光刻也有同样的问题，因为在高级节点上，覆盖和关键尺寸的公差非常严格，任何变化都可能导致问题。

ASML正忙于解决这些问题，但这需要时间。EUV系统能够产生足够的能量来提供合理的吞吐量是第一步。接下来，基于计算能力和可制造性的进一步改进将涉及更多制造生态系统中的参与者。

事实上，EUV需要大量的过程控制。例如，ASML有一个内联覆盖计量工具。数据从叠加工具输入到ASML的计算光刻模型中，作为优化扫描仪控制的一种手段。

“我们已经对扫描仪本身进行了大量的测量，”泰克·尼辛(Henk Niesing)说ASML．“我们根据对齐、水平和聚焦来测量每一块晶圆。我们引入Hermes Microvision技术的主要部分是试图改进我们的模型。如今，构建OPC模型需要花费大量的时间。加快速度是关键。”

Niesing表示，阿斯麦一直面临的挑战之一是如何在不严重影响晶圆产量的情况下精确测量所有数据。

他说:“从设计的角度来看，我们已经可以预测这些图案的填充位置，以及我们测量一半的计量方法。”“从设计和光学模型中，我们知道芯片的敏感区域在哪里，处理窗口在哪里最小。我们知道(那里)可能有一个潜在的填充区域。每个客户都有一个芯片内敏感区域的库。我们尝试从扫描器和计量工具中获取晶圆上的所有数据——扫描器的焦点数据、扫描器的覆盖数据和边缘的CD数据。这样你就知道薄弱点在哪里，你就知道扫描仪在晶圆上做了什么，基本上我们就能预测原子会填充在哪里。”

然而，这也有不利的一面。“电子束工具是一个很好的工具，但它很慢，你肯定不能测量完整的晶圆，因为它会花你很多很多天。所以我们说，‘我们将预测这些模式将填充在哪里，或者它们将填充在哪里的可能性很大，’并告诉电子束工具只需要测量这些场，”他说。

然而，这些问题在每个新节点和新问题出现时都变得更难解决。可能在5nm和3nm处，EUV将需要高数值孔径技术。

Mentor公司的Sturtevant说:“这将需要各种计算光刻技术。“像差更加明显，它们会对覆盖产生影响。现在我们必须考虑CD(关键尺寸)和像差中的图案放置，这可能会导致覆盖错误。当你在两个层上有相对的图像位置时，你可以使用计算光刻技术来确保这些层彼此对齐。”

像差使得将这些掩模和所有特征(如金属1和金属2过孔)排列起来更加困难，孔径越小，使用计算方法解释所有这些像差就越困难。

图1:EUV依赖于反射光。资料来源:ASML/Carl Zeiss

散粒噪声
另一个悬而未决的计算问题是射波噪声，这个概念是由德国物理学家沃尔特·肖特基(Walter Schottky)在近100年前首次提出的，他观察到了真空管内电子的电流波动。同样的问题也会影响光子和电子。激光发射出的光子数量随着时间的推移会略有变化，但随着电子的减少，这些变化在统计学上变得更加显著。

EUV造成了多大的问题尚不完全清楚，但必须考虑到EUV如何与抗蚀剂相互作用。

“我们拥有的高能量光子数量较少，”麻省理工大学高级图形部主任格雷戈里·麦金太尔说Imec．“当它们撞击物体时，它们会产生电子，反过来，电子会去做一些事情，从而产生化学反应。有很多东西是我们不知道的。我们不知道产生了多少电子，能量分布是什么，以及它们最终发生的化学反应是什么。我们将成像中的第一个挑战描述为极端粗糙度事件或纳米桥接、断行、合并或漏孔等地方的随机故障。解决这些纳米桥的挑战是我们需要解决的第一个问题。”

如果两条线桥接(或纳米桥接)，就会产生短路。如果其中一条线路开了，就形成了一个开路。

图2:EUV射波噪声。资料来源:维基百科。

更少的光子也使得预测质量变得更加困难。Sturtevant说:“现在你可以数出有两位数的光子击中了面罩。”“如果你想想三西格玛制造业，这是99.75%的准确性。这听起来不错，直到你意识到在7nm有40亿个过孔，你只需要一个不打印的芯片就不会屈服。这意味着你需要七西格玛或八西格玛精度。但是在制造业中使用的随机模型在8西格玛或9西格玛下安全吗?这对晶圆厂产量有何影响?”

前景
这些并不是光刻技术的唯一问题。每一个新的节点和工具都增加了自己需要解决的问题，EUV在商业光刻领域仍然是一个新人，尽管它已经发展了十多年。但是计算问题，如果不是最引人注目的问题，仍然会影响采用EUV的基本原因——在晶圆厂更快的吞吐量。

TEL的Rathsack说:“理想情况下，软件系统将足够先进，这样晶片厂的计算能力就可以处理所有这些问题。”“这些不是物理问题，而是逻辑问题。”

它们不容易解决。“我们一直在研究背景耀斑，它会导致图像退化，”Sturtevant说。“现在抛光镜的规格更严格了，耀斑已经下降，而且可能会进一步下降。但在模拟图像之前，这仍然是一种必须注意的现象。对于EUV，耀斑可以跨越毫米，因此需要考虑其影响。EUV的镜头像差比浸入式高了一个数量级，所以你不能像过去那样忽略它们。”

其中一些可以在工具中计算。有些问题需要用其他方式来解决。但解决这些问题的成本和时间肯定会越来越高，而且未来似乎并不缺乏新的问题。

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