Euv литография что это
Экстремальная УФ-литография. Будущее индустрии? РАЗБОР
Как создаются современные процессоры? Насколько это сложный и интересный процесс и почему так важна некая Экстремальная УФ-литография? В этот раз мы копнули действительно глубоко и готовы рассказать вам об этой магии технологий. Располагайтесь поудобнее, будет интересно.
Вот вам затравочка — 30-килоВаттный лазер в вакууме стреляет по капле олова и преввсе поращает ее в плазму — скажете фантастика?
Чтобы понять процесс экстремальной ультрафиолетовой литографии — нам надо для начала понять, что вообще такое фотолитография. Сам процесс по своей сути очень похож на то как печатаются фотографии с с пленочных негативов на фотобумагу! Не верите — сейчас все объясним.
Фотолитография
Начнем с простого примера — возьмем прозрачное стекло и нанесем на него какой-то геометрический рисунок, оставив при этом какие-то участки без краски. По сути, сделаем трафарет. Приложим этот кусок стекла к фонарику и включим его. Мы получим ровно тот же рисунок в виде тени, который мы нанесли на кусок стекла.
В производстве процессоров этот кусок стекла с рисунком называется маска. Маска позволяет получить на поверхности любого материала “засвеченные и незасвеченные” участки любой плоской формы.
Хорошо — рисунок на поверхности мы получили, но это всего лишь тень. Теперь надо как-то его там сохранить. Для этого на поверхность кремниевой пластины наносится специальный светочувствительный слой, который называют Фоторезистом. Для простоты мы не будем тут говорить о позитивных и негативных фоторезистах, почему они так реагируют, все-таки мы не на уроке Физической химии. Просто скажем, что это такое вещество, которое меняет свои свойства, когда на него попадает свет на определенной частоте, то есть на определенной длине волны.
Опять же как и на фотопленке или фотобумаге — специальные слои материалов реагируют на свет!
После того как нужные нам участки на кремнии мы засветили, именно их мы можем убрать, оставив при этом на месте остальные, то есть незасвеченные участки. В итоге мы получили тот рисунок, который и хотели. Это и есть фотолитография!
Конечно, кроме фотолитографии в производстве процессоров участвуют и другие процессы, такие как травление и осаждение, фактически комбинацией этих процессов вместе с фотолитографией транзисторы как-бы печатаются слой за слоем на кремнии.
Технология не новая, почти все процессоры начиная с 1960-х производятся при помощи фотолитографии. Именна эта технология открыла мир полевых транзисторов и путь ко всей современной микроэлектронике.
Но по-настоящему большой скачок в этой области произошел только недавно! С переходом на EUV. И всё из-за длинный волны 13.5 нм. Не переживайте, сейчас объясню!
Длина волны на которой светит наш “фонарик” — это невероятно важный параметр. Именно она и определяет насколько маленьким вы можете получить элементы на кристалле.
Правило максимально простое: Меньше длина волны — больше разрешение, и меньше техпроцесс!
Обратите внимание на картинку. Абсолютно все процессоры начиная с начала 90-х до 2019 года производились с использованием процесса Глубокой УФ-литографии, или DUV литографии. Это то, что было до Экстремальной.
Он основывался на использовании фторид-аргонового лазера, который испускает свет с длиной волны в 193 нанометра. Этот свет лежит в области глубокого ультрафиолета — отсюда и название.
Он проходит через систему линз, маску и попадает на наш кристалл покрытый фоторезистом, создавая необходимый рисунок.
Но у этой технологии тоже были свои ограничения, завязанные на фундаментальных законах физики.
Какой же минимальный техпроцесс возможен? Смотрим на формулу (только не пугайтесь):
Здесь Лямбда — это и есть наша длина волны, а CD — это critical dimension, то есть минимальный размер получаемой структуры. То есть с использованием “старой” DUV литографии нельзя получить структуры не меньше примерно 50 нм. Но как же это так спросите вы? Ведь производители отлично делали и 14 и 10 нм, а кто-то даже и 7 нм с использованием DUV литографии.
Они пошли на хитрости. Вместо одного засвета через одну единую маску, они стали использовать несколько масок, с разными рисунками, которые дополняют друг-друга. Это процесс получил название множественное экспонирование. Назовем это принципом слоеного пирога!
Да — производители обошли прямые физические ограничения, но физику не обманули!
Появилась серьезная проблема: эти дополнительные шаги сделали производство каждого чипа гораздо дороже, из-за них увеличивается количества брака, есть и другие проблемы.
То есть в теории можно продолжить работать со старой технологией и путем игры с масками и экспонированием (двойная, тройная, четверная экспозиция) уменьшать размеры и дальше, но это сделает процы золотыми. Ведь с каждым слоем процент брака возрастает все выше, а ошибка накапливается!
То есть можно сказать, что DUV — это тупик! Что делать дальше, как уменьшать?
И тут на помощь приходит великая и ужасная технология Экстремальной УФ-литографии, или EUV-литографии!
Посмотрите на фото — оно прекрасно демонстрирует различие двух технологий. Обе получены с использованием 7-нанометрового техпроцесса, но та что слева получена с использованием DUV-литографии и с теми самыми хитростями о которых мы говорили — тройное экспонирование, то есть с поэтапным использованием 3 разных масок. Справа же — технология EUV литографии на 13.5 нанометрах, с использованием одной единственной маски — разница очевидна — границы гораздо четче, лучший контроль геометрии, ну и сам процесс намного быстрее, меньше процент брака, то есть в конце концов дешевле. Вот она дорога в светлое будущее, почему бы сразу так не делать, в чем проблема?
Как работает EUV-литография
Все дело в том, что хоть EUV это та же литография, внутри в деталях все гораздо сложнее и тут ученые и инженеры столкнулись с новыми проблемами!
Сама технология экстремальной УФ-литографии начала разрабатываться в самом начале 2000 гдов. В ней используется источник, который излучает свет с длинной волны в 13.5 нанометров — то есть на нижней границе УФ-спектра, близко к рентгену!
В теории этим способом можно создавать структуры уже критических размеров — настолько маленьких, что еще чуть-чуть и на них перестанут действовать законы обычной физики. То есть после 5 нм мы попадаем в квантовой мир!
Но даже эта проблема на данный момент решена. Есть источник — возьми, да и делай себе сколь угодно маленькие процессоры.
Все совсем не так просто!
Проблема таких коротких длин волн в том, что они поглощаются почти всеми материалами, поэтому обычные линзы что были раньше уже не подходят. Что делать?
Для управления таким светом было принято решение создать специальные отражающие зеркальные линзы. И эти линзы должны быть гладкими! Очень гладкими. Практически идеально гладкими!
Одна проблема решена — линзы есть!
Есть и вторая — этот свет рассеивается даже в простом воздухе. Поэтому для того чтобы процесс прошел нормально его надо проводить в вакууме!
Про частички пыли и грязи я вообще молчу — понятно что их там вообще не должно быть. Чистые комнаты на таком производстве на порядки чище, чем операционные в больницах! Люди буквально ходят в скафандрах. Любая, даже самая маленькая частичка грязи кожи воздуха может испортить и маску и зеркала!
А что же с источником? Просто поставили специальный лазер на более короткую длину волны и все? Проблема в том, что ни лампочек, ни лазеров, ни каких-либо других нормальных источников света, которые излучают на такой длине волны просто не существует в природе.
И как же тогда получают нужное излучение? Элементарно, Ватсон — нам нужна плазма.
Надо нагреть оловянный пар до температур в 100 раз больших, чем температура поверхности солнца! Всего-то! И за этим стоит почти 2 десятилетия разработок.
В установке для производства процессоров по EUV-литографии, о которой мы поговорим отдельно установлен специальный углекислотный лазер, который опять же может производиться в тандеме всего двух компаний в мире — немецкой фирмой Trumpf и американской Cymer. Этот монстр мощностью в 30 киловатт стреляет по 2 импульса с частотой 50 килогерц.
Лазер попадает в капли олова, первый выстрел фактически плющит и превращает каплю в блин, которая становится легкой мишенью для второго залпа, который ее поджигает. И происходит это 50 тысяч раз в секунду! А образовавшаяся плазма и излучает этот свет в экстремальном УФ спектре.
И естественно, это только самая база, но мы попробовали нарисовать вам картину того насколько это сложный и крутой процесс.
Компания, стоящая за производством всех процессоров
О технологии рассказали, значит ее кто-то придумал и реализовал,но ее разработка оказалась настолько дорогой, что даже крупные гиганты и воротилы не способны потянуть такие бюджеты!
В итоге, чтобы это стало реальностью всем пришлось скинуться — Intel в 2012 году, а TSMC и Samsung где-то в 2015 году приняли участие в общем проекте. Суммарные инвестиции составили, по разным оценкам от 14 до 21 млрд долларов! Из которых почти 10 млрд были вложены в одну единственную нидерландскую компанию ASML. Именно она и стоит за всем производством процессоров в мире по методу EUV-литографии! Вау! Что за ASML и почему мы о ней ничего не слышали? Компания из Нидерландов — что за темная лошадка?
Мы выяснили, что эта компания делает одни из самых технологичных девайсов, в котором собраны все знания человечества и на них производят процессоры все IT-гиганты сразу!
Но не только ASML стоит за спиной нам известных IT-гигантов. Их установки состоят из более чем 100 тысяч деталей, которые производятся более чем тысячей компаний по всему миру. Все эти компании связаны друг с другом!
Будущее
Но что же будет дальше! Вы что — думали, что мы оставим вас оставим в дне сегодняшнем? Нет — мы подглядели в будущее! Мы раздобыли информацию что будет после пяти или даже двух нм!
А во-вторых, и это вообще взрывает мозг, ASML уже заканчивает разработку установок, которые позволят производить процессоры на 2 нанометровом техпроцессе и даже меньше всего через 4-5 лет!
Для этого ребята из нидерландской компании совместно с немецкой Zeiss разработали новые зеркальные линзы, с высокими значениями апертуры. Это анаморфная оптика — она и многое другое позволит увеличить разрешающую способность.
Сам процесс по сути тот же EUV, но с приставкой High-NA EUV. А сами агрегаты буду занимать еще большие размеры, посмотрите вот так для них делают оптику!
Этот год тяжелый для всех, но в тоже время — посмотрите какими шагами начинают развиваться технологии, все шире и шире. Нас ждут новые процессоры с мощностями, которые нам и не снились.
Кроме этого развиваются совершенно новые типы процессоров такие как NPU — для нейровычислений.
СОДЕРЖАНИЕ
Маски
Производство
Орудие труда
Инструмент состоит из управляемого лазером плазменного источника света из олова (Sn), отражающей оптики, состоящей из многослойных зеркал, находящихся в среде газообразного водорода. Водород используется для предотвращения осаждения олова на зеркале коллектора EUV в источнике.
Современные системы EUVL содержат как минимум два конденсаторных многослойных зеркала, шесть проекционных многослойных зеркал и многослойный объект (маску). Поскольку зеркала поглощают 96% света EUV, идеальный источник EUV должен быть намного ярче, чем его предшественники. При разработке источников EUV основное внимание уделялось плазме, генерируемой лазерными или разрядными импульсами. Зеркало, отвечающее за сбор света, напрямую подвергается воздействию плазмы и уязвимо для повреждения ионами высокой энергии и другим мусором, например каплями олова, которые требуют ежегодной замены дорогостоящего коллектора зеркала.
Требования к ресурсам
| Утилита | Выход 200 Вт EUV | Выходная мощность 90 Вт ArF с иммерсионным двойным рисунком |
|---|---|---|
| Электрическая мощность (кВт) | 532 | 49 |
| Расход охлаждающей воды (л / мин) | 1600 | 75 |
| Газовые линии | 6 | 3 |
Источник: Gigaphoton, Sematech Symposium Japan, 15 сентября 2010 г.
Типичный инструмент EUV весит 180 тонн.
Краткое изложение основных характеристик
В следующей таблице приведены основные различия между разрабатываемыми системами EUV и иммерсионными системами ArF, которые сегодня широко используются в производстве:
Различная степень разрешения инструментов с числовой апертурой 0.33 объясняется различными вариантами освещения. Несмотря на потенциал оптики для достижения разрешения ниже 20 нм, вторичные электроны в резисте практически ограничивают разрешение примерно до 20 нм.
Мощность источника света, пропускная способность и время безотказной работы
Производительность зависит от мощности источника, деленной на дозу. Более высокая доза требует более медленного движения ступени (меньшей пропускной способности), если мощность импульса не может быть увеличена.
Отражательная способность коллектора EUV ухудшается на
0,1-0,3% на миллиард импульсов 50 кГц (
2 недели), что приводит к потере времени безотказной работы и пропускной способности, в то время как даже для первых нескольких миллиардов импульсов (в течение одного дня) все еще остается 20%. (+/- 10%) колебание. Это может быть связано с накоплением упомянутого выше остатка олова, который не удаляется полностью. С другой стороны, обычные инструменты иммерсионной литографии для создания двойного рисунка обеспечивают стабильную производительность в течение года.
В последнее время осветитель NXE: 3400B отличается уменьшенным коэффициентом заполнения зрачка (PFR) до 20% без потери пропускания. PFR максимален и превышает 0,2 с шагом металла 45 нм.
2% света источника EUV.
Время безотказной работы инструмента
Источник света EUV ограничивает время безотказной работы инструмента, помимо производительности. Например, в двухнедельный период может быть запланировано более семи часов простоя, в то время как общее фактическое время простоя, включая незапланированные проблемы, может легко превысить день. Ошибка дозы более 2% гарантирует простой инструмента.
Сравнение с другими источниками света для литографии
Требуемая мощность для литографии EUV составляет не менее 250 Вт, в то время как для других традиционных источников литографии она намного меньше. Например, источники света для иммерсионной литографии рассчитаны на 90 Вт, сухие источники ArF 45 Вт и источники KrF 40 Вт. Ожидается, что для EUV-источников с высокой числовой апертурой потребуется не менее 500 Вт.
Стохастические проблемы EUV
Склонность к стохастическим дефектам усиливается, когда изображение состоит из фотонов от различных паттернов, таких как паттерн с большой площадью или от расфокусировки по заполнению большого зрачка.
Для одной и той же совокупности могут существовать несколько режимов отказа. Например, помимо перекрытия траншей, линии, разделяющие траншеи, могут быть нарушены. Это может быть связано со стохастической потерей сопротивления вторичных электронов.
Сосуществование стохастически недоэкспонированных и переэкспонированных дефектных областей приводит к потере окна дозы на определенном уровне дефектов после травления между скалами формирования паттерна с низкой и высокой дозой. Следовательно, выигрыш в разрешении от более короткой длины волны теряется.
Подложка из резиста также играет важную роль. Это могло быть связано с вторичными электронами, генерируемыми подслоем. Вторичные электроны могут удалить более 10 нм резиста с обнаженного края.
Фотонный дробовой шум может быть связан со стохастическими дефектами через наличие дозозависимого размытия (моделируется как гауссово).
Фотонный дробовой шум также приводит к стохастической ошибке размещения края, которая может превышать 1 нм.
Фотонный дробовой шум обычно удаляется с помощью факторов размытия, таких как вторичные электроны или кислоты в химически усиленных резистах, но, когда размытие слишком велико, также снижает контраст изображения по краям. Поскольку размытие меньше, чем размер элемента, общая замкнутая область объекта все еще может иметь колебания. Это хуже для длин волн EUV, чем для длин волн DUV из-за более низкой плотности фотонов при обычно используемых дозах, а также меньших размеров элементов, представленных меньшими пикселями.
Оптические проблемы, характерные для EUV
Случайные вариации многослойной отражательной способности
GlobalFoundries и Lawrence Berkeley Labs провели исследование методом Монте-Карло для моделирования эффектов перемешивания между слоями молибдена (Mo) и кремния (Si) в многослойном слое, который используется для отражения EUV-света от EUV-маски. Результаты показали высокую чувствительность к изменениям толщины слоя в атомном масштабе. Такие вариации не могут быть обнаружены измерениями отражательной способности на большой площади, но будут значительными в масштабе критического размера (CD). Локальное изменение отражательной способности может составлять порядка 10% для стандартного отклонения в несколько нм.
Ширина полосы частот ( хроматическая аберрация )
В отличие от источников для литографии DUV, основанных на эксимерных лазерах, источники EUV-плазмы излучают свет в широком диапазоне длин волн. Хотя спектр EUV не является полностью монохроматическим и даже не таким спектрально чистым, как источники DUV-лазера, рабочая длина волны обычно принимается равной 13,5 нм. На самом деле отраженная мощность в основном распределяется в диапазоне 13,3-13,7 нм. Ширина полосы пропускания EUV-света, отраженного многослойным зеркалом, используемым для EUV-литографии, составляет более +/- 2% (> 270 мкм); изменения фазы из-за изменений длины волны при заданном угле освещения можно вычислить и сравнить с бюджетом аберраций. Зависимость коэффициента отражения от длины волны также влияет на аподизацию или распределение освещения по зрачку (для разных углов); разные длины волн эффективно «видят» разные источники света, поскольку они по-разному отражаются многослойной маской. Такой эффективный наклон освещения источника может привести к значительным сдвигам изображения из-за расфокусировки. И наоборот, максимальная длина отраженной волны изменяется по зрачку из-за разных углов падения. Это усугубляется, когда углы охватывают большой радиус, например кольцевое освещение. Длина волны пикового коэффициента отражения увеличивается при меньших углах падения. Апериодические многослойные слои были предложены для снижения чувствительности за счет более низкой отражательной способности, но они слишком чувствительны к случайным колебаниям толщины слоя, например, из-за неточности контроля толщины или взаимной диффузии. В частности, расфокусированные плотные линии с шагом, вдвое превышающим минимально разрешаемый шаг, страдают от сдвига края, зависящего от длины волны.
Более узкая полоса пропускания увеличила бы чувствительность к поглотителю маски и толщине буфера в масштабе 1 нм.
Эффекты фазы маски
Поглотитель маски EUV, из-за частичного пропускания, генерирует разность фаз между 0-м и 1-м порядками дифракции в линейно-пространственной структуре, что приводит к сдвигам изображения (при заданном угле освещения), а также к изменениям пиковой интенсивности (приводящим к ширине линии). изменения), которые дополнительно усиливаются за счет расфокусировки. В конечном итоге это приводит к различным положениям наилучшего фокуса для разных шагов и разных углов освещения. Как правило, смещение изображения уравновешивается из-за того, что точки источника освещения спарены (каждая на противоположных сторонах оптической оси). Однако отдельные изображения накладываются друг на друга, и результирующий контраст изображения ухудшается, когда сдвиги отдельных исходных изображений достаточно велики. Разность фаз в конечном итоге также определяет наилучшее положение фокусировки.
Мультислой также отвечает за сдвиг изображения из-за фазовых сдвигов от дифрагированного света внутри самого мультислоя. Это неизбежно из-за того, что свет дважды проходит через узор маски.
Отражающая оптика
Основным аспектом инструментов EUVL, возникающим в результате использования отражающей оптики, является внеосевое освещение (под углом 6 градусов, в разных направлениях в разных положениях внутри осветительной щели) на многослойной маске. Это приводит к эффектам затенения, приводящим к асимметрии в дифракционной картине, которая ухудшает ее точность различными способами, как описано ниже.
Эффекты затенения толстой маски
Наклонное падение в отражающей оптической системе приводит к эффектам затенения в присутствии поглотителя маски. Например, одна сторона (за тенью) будет казаться ярче, чем другая (в тени).
Асимметрия ВН
По сути, поведение световых лучей в плоскости отражения (влияющих на горизонтальные линии) отличается от поведения световых лучей вне плоскости отражения (влияющих на вертикальные линии). Наиболее заметно то, что горизонтальные и вертикальные линии одинакового размера на маске EUV напечатаны на пластине разного размера.
Асимметрии в наборах параллельных линий
Комбинация внеосевой асимметрии и эффекта затенения маски приводит к принципиальной неспособности двух идентичных элементов даже в непосредственной близости одновременно находиться в фокусе. Одной из ключевых проблем EUVL является асимметрия между верхней и нижней линиями пары горизонтальных линий (так называемая «две полосы»). Некоторые способы частично компенсировать это использование вспомогательных функций, а также асимметричного освещения.
Расширение корпуса с двумя стержнями до решетки, состоящей из множества горизонтальных линий, показывает аналогичную чувствительность к расфокусировке. Это проявляется в разнице КД между линиями верхнего и нижнего края набора из 11 горизонтальных линий. В таблице ниже приведена разница CD в диапазоне фокусировки 100 нм при освещении квазаров (освещение квазаров будет описано в разделе, посвященном оптимальному освещению в зависимости от шага).
| Подача | Горизонтальная 11-полосная разница КД между нижним и верхним краями в диапазоне фокусировки 100 нм (квазар) |
|---|---|
| 36 нм | 3,5 нм |
| 40 нм | 2,5 нм |
| 44 нм | 1,7 нм |
Для шагов 40 нм или ниже ширина линий составляет 20 нм или меньше, а разница CD составляет не менее 2,5 нм, что дает разницу не менее 12,5%.
Сдвиг паттерна от расфокусировки (нетелецентричность)
Вертикальное размещение объекта маски
Использование отражения делает положение экспонирования пластины чрезвычайно чувствительным к плоскостности сетки нитей и зажиму сетки. Поэтому необходимо поддерживать чистоту зажима сетки. Небольшие (в мрад) отклонения плоскостности маски на локальном склоне в сочетании с дефокусировкой пластины. Что еще более важно, было обнаружено, что расфокусировка маски приводит к большим ошибкам наложения. В частности, для слоя металла 1 узла 10 нм (включая шаги 48 нм, 64 нм, 70 нм, изолированные и силовые линии) неисправимая ошибка размещения шаблона составила 1 нм для сдвига z-положения маски 40 нм. Это глобальный сдвиг шаблона слоя по отношению к ранее определенным слоям. Однако элементы в разных местах также будут смещаться по-разному из-за различных локальных отклонений от плоскостности маски, например, из-за дефектов, скрытых под многослойным слоем. Можно оценить, что вклад неоднородности маски в ошибку наложения примерно в 1/40 раза превышает изменение толщины от пика к впадине. При спецификации холостого изображения от пика до впадины 50 нм возможна ошибка размещения изображения
1,25 нм. Изменения толщины холста до 80 нм также вносят свой вклад, что приводит к сдвигу изображения до 2 нм.
Расфокусировка пластины
Зависимость положения щели
20 ° (полевые данные NXE3400 показывают 18,2 °) на сканерах с числовой апертурой 0,33, при правилах проектирования 7 нм (шаг 36-40 нм) допуск на освещенность может составлять +/- 15 ° или даже меньше. Неоднородность и асимметрия кольцевого освещения также существенно влияют на изображение.
Эффекты кончика линии
Ключевой проблемой для EUV является противодействие масштабированию расстояния от наконечника до наконечника (T2T) при уменьшении полутона (hp). Частично это связано с более низким контрастом изображения для бинарных масок, используемых в литографии EUV, что не встречается при использовании масок с фазовым сдвигом в иммерсионной литографии. Закругление углов конца строки приводит к укорачиванию конца строки, и это хуже для двоичных масок. Использование масок сдвига фазы в литографии EUV было изучено, но сталкивается с трудностями из-за контроля фазы в тонких слоях, а также полосы пропускания самого света EUV. Более традиционно, оптическая коррекция приближения (OPC) используется для решения проблемы скругления углов и укорачивания концов линии. Несмотря на это, было показано, что разрешение от кончика до кончика и возможность печати на кончике линии идут вразрез друг с другом, фактически являясь компакт-дисками противоположной полярности. Кроме того, эффективность оптических коррекций зависит от других неоптических причин, таких как сопротивление размытию и эффекты диффузии, которые также могут включать размытие вторичных электронов (обсуждается в разделе, посвященном экспонированию фоторезиста). Кроме того, более высокие молекулярные массы и размеры, по-видимому, уменьшают закругление углов.
Для больших шагов, где можно использовать обычное освещение, расстояние от кончика до кончика лески обычно больше. Для линий с половинным шагом 24 нм с номинальным зазором 20 нм расстояние фактически составляло 45 нм, в то время как для линий с половинным шагом 32 нм такой же номинальный зазор давал расстояние от наконечника до наконечника, равное 34 нм. С OPC они становятся 39 нм и 28 нм для полушага 24 нм и полушага 32 нм соответственно.
Краткое описание эффектов кончика и углов линии EUV:
