近日，美國NIST發布了一個有關EUV光刻機的重磅報告。在其中，他們對EUV光刻的發展現狀和未來進行了總結和展望。
以下為文章正文：
引言
2022年，半導體市場規模約為0.6萬億美元，商業分析師預計到2030年將翻一番，達到1.0萬億至1.3萬億美元。半導體制造業的大幅增長可以在光刻工藝中體現出。光刻是一種圖案化工藝，將平面設計轉移到晶圓基板的表面，形成晶體管和布線互連等復雜結構。這是通過一個復雜的多步驟過程，選擇性地將光敏聚合物或光刻膠暴露在特定波長的光下完成的。最近，光刻技術的進步在生產最先進的半導體方面創造了競爭優勢，使人工智能（AI）、5G通信和超級計算等最先進的技術成為可能。因此，先進的半導體技術會很大程度上影響國家安全和經濟繁榮。
當今最先進的半導體光刻工藝使用EUV光源，特別是13.5nm的光。EUV光允許在半導體中構建更小的單位特征。據報道，EUVL系統目前耗資1.5億美元，由ASML于2019年首次部署，該公司一直保持著100%的市場份額。迄今為止，ASML已經交付了三種不同型號的EUVL系統，即Twinscan NXE:3400 B/C和NXE:3600D，NXE系統的總出貨量從2019年第一季度的31臺增長到2022年最后一季度的181臺。
本報告的組織結構如下。引言的其余部分包括EUVL的技術背景、EUVL國際和國內狀況的背景以及NIST和CHIPS研發計量計劃的概述。其中，第2節包含工作組會議中討論的EUVL技術狀況和需求。第3節概述了工作組會議的調查結果和關于前進道路的建議，以此作為報告的結尾。
EUV光刻技術背景
EUVL是制造下一代半導體芯片的關鍵步驟。EUV光是由高純度錫產生的高溫等離子體產生的。固體錫在液滴發生器內熔化，該儀器在真空室中每分鐘連續產生超過300萬個27?m的液滴。平均功率為25kW的二氧化碳（CO2）激光器用兩個連續脈沖照射錫液滴，分別使液滴成形并電離。最初，產生了數千瓦的EUV光，但由于沿著光路的吸收和散射損失，只有一小部分光到達光刻掩模。13.5nm光的輸出功率和光束質量是從間接閃爍體相機的測量中推斷出來的。多層聚光鏡系統將光引導到光敏聚合物或光刻膠上，從而將圖案轉移到硅片上。反光鏡通過H2氣體的恒定流動保護從而免受錫碎片的破壞。自動晶圓臺在每次曝光后以≤0.25 nm的分辨率定位晶圓，每秒進行20000次循環檢查調整過程。總的來說，這個過程需要在許多不同的工程系統之間進行精確的協調。圖1顯示了ASML-EUVL組件的照片。
EUV光刻技術的現狀與未來
先進半導體制造業的增長來自美國以及歐洲和亞洲地區的新EUV制造設備。如前所述，目前唯一生產EUVL掃描儀組件的公司是總部位于荷蘭的ASML。ASML向英特爾、總部位于中國臺灣的臺積電（TSMC）和總部位于韓國的三星等公司銷售EUV掃描儀組件。然后，這些公司在其半導體制造設備中使用EUV掃描儀。EUVL系統并非僅在荷蘭制造，而是由全球開發的許多模塊組成，這些模塊在交付給客戶之前，將被運送到荷蘭的ASML總部進行最終組裝和測試。讀者可以參考相關文獻報告，了解微電子制造生態系統中供應鏈的更多細節。
從美國的角度來看，ASML的EUV光源的研發和制造基地位于加利福尼亞州圣地亞哥。EUVL掃描儀組件的光源組件如圖2所示。應注意的是，光源組件包括位于EUVL掃描儀組件中的源容器以及其它許多組件，包括激光計量、光束傳輸系統和驅動激光器及其輔助設備。駐扎在圣地亞哥的Cymer是要負EUV光源相關工作，由ASML于2012年收購。此外，鑒于EUVL在半導體制造方面的優勢，出口管制保護了這項技術。具體而言，2022年10月，美國工業和安全局（BIS）發布了一項規則——87 FR 62186，對包括極紫外光刻在內的技術進行出口管制。
ASML表示，EUV光刻的未來發展包括將數值孔徑（NA）從0.33增加到0.55（“High NA”）。High NA可用于減少目前0.33NA所需的多重圖案化步驟的數量，并能夠解決更精細的幾何尺寸。這與公開發布的2022年IEEE國際器件和系統路線圖（IRDS）一致，是到2037年繼續將晶體管規模擴大到0.5納米所必需的。新NA平臺的目標是提高晶圓和掩模狀態的變化速度，以實現幾何芯片縮放。High NA系統預計將于2023年交付給客戶，用于大批量制造的全平臺工藝預計將于2025年投入運營。2023年初，ASML宣布，他們創造了兩項新的EUV功率記錄，即一小時運行600 W EUV的High NA 的光刻機型號EXE：5200符合劑量穩定性規范并且能夠進行700 W開環運行。在實現EUV大批量制造之前，600 W的演示比五年前交付的250 W有所增加。第2.1節和第2.2節包含了關于液滴發生器和激光功率的600 W功率演示的詳細信息。關于High NA的其他詳細信息不在本報告的范圍內。盡管如此，讀者還是可以參考Levinson 2022年的一篇論文，了解關于High NA EUVL的現狀和前景的更多信息。
了解EUVL的國際和國內形勢有助于了解研發合作機會，并且強調了技術領域的競爭格局和科學領導的必要性。最后，鑒于《芯片法案》的資助是為了提高美國半導體制造業的彈性，人們必須意識到通過一流的計量實踐來幫助生產這一關鍵制造工藝的重要性。
NIST和CHIPS研發計量計劃概述
CHIPS研發計量項目和NIST博爾德實驗室主任Marla Dowell博士在工作組會議上發表了受歡迎的演講。主題演講首先提醒與會者NIST的使命：
通過推進測量科學、標準和技術，以增強經濟安全和提高我們的生活質量，促進美國的創新和工業競爭力。
它強調了NIST的核心能力：（1）測量科學，（2）嚴格的可追溯性，以及（3）標準的開發和使用。Dowell博士提供了更多關于芯片研發計量計劃細節、組織關系和NIST國家研究機構的背景信息。Dowell博士強調了工業界和NIST之間聯合研究的必要性，以合作解決對芯片至關重要的緊迫微電子挑戰。他提醒聽眾，NIST是一個非監管實驗室。因此，NIST一直是專有信息的可靠合作伙伴，保持中立、客觀，并通過傳播支持美國創新和產業競爭力的高質量測量、數據和研究來促進關鍵技術的發展。具體而言，在博爾德，NIST有大約900名員工和超過500000平方英尺的實驗室空間，涵蓋六個領域，包括（1）先進通信技術，（2）量子科學與工程，（3）時間與頻率計量，（4）先進材料表征，（5）精密成像，（6）激光和光電子。Dowell博士隨后強調，NIST在微電子領域有著悠久的歷史和廣泛的目標投資組合，涵蓋了許多領域。
Dowell博士后來轉而針對《美國芯片法案》發表演講。對美國芯片基金的戰略進行了概述，包括它將如何支持三項不同的舉措：（1）對尖端制造業的大規模投資；（2）成熟和當前一代芯片、新技術和專業技術以及半導體行業供應商的新制造能力；（3）加強美國研發領導地位的舉措。對390億美元的制造業激勵和110億美元的研發激勵進行了區分，重點是研發資金和NIST計量科學部分的撥款。Dowell博士討論了如何通過七個已確定的美國半導體制造業戰略機遇，以多種形式尋求行業、學術界和政府利益相關者的廣泛反饋，其中包括EUVL工作組會議等活動。
通信技術實驗室（CTL）提供了一個材料計量的例子，在成為芯片研發計量項目主任之前，她曾擔任運營部門主任，主要負責5G材料的標準參考材料（SRM）。作為計量學增強微電子元件和產品安全性的能力的一個例子，演講強調了她與人合著的NIST SP1278文件。
在結束主題演講時，Dowell博士向與會者介紹了2022年8月發布的NIST出版物，該出版物介紹了芯片相關的計量機會。此外，她的部門于2023年4月25日上午發布的一份文件概述了國家半導體技術中心的愿景和戰略，描述了行業與NIST之間未來的互動方式。
美國國家標準與技術研究院材料計量實驗室（MML）代理主任Stephanie Hooker博士在工作組會議上發表主旨演講，歡迎與會者在下午會議前發言。Hooker博士重申了NIST的使命，并強調NIST最大的優勢是其世界級領先的工程師和科學家的聲譽。除了分享NIST的規模和能力外，還將重點放在NIST提供的測量服務上。測量服務包括1100多種標準參考物質（SRM）、約100種標準參考數據（SRD）產品、五個質量保證計劃以及眾多數據工具和登記冊。還強調了文件標準，以及400多名NIST技術人員如何參與100多個標準委員會，并在許多國際標準機構擔任領導職務。因此，參與標準化提高了美國在全球范圍內的競爭力。她的演講強調了NIST參與并正在擴展的關鍵技術領域，包括人工智能（AI）、量子科學、先進通信、先進制造和生物經濟。Hooker博士最后介紹了一些既定的參與領域和與NIST合作的方式，包括本報告重點討論的工作組會議、財團、CRADA和MTA。
這兩篇主題演講展示了工作組成員和NIST領導層之間的凝聚力和參與度，從而激發了當天活動中的討論。
EUVL的技術方面
在工作組會議上介紹和討論的EUVL的技術方面在這一章節將詳細說明。以下三個部分專門討論EUV光源模塊（第2.1節至第2.3節）。然后，討論了與EUV光相互作用的表征組件的現狀和需求（第2.4節）。第2.4節中與EUV光相互作用的兩個組件都與第2.1節到第2.3節有技術研究聯系。最后，介紹了EUV光如何被用作半導體制造過程中分析組件的計量工具（第2.5節）。EUV光作為一種工具的計量方面與第2.2節中討論的輻射測量有直接關系。這些章節在技術上很深入，展示了EUVL生態系統中運行的計量、光生成和半導體材料之間的相互關系。這里討論的技術細節已經公開發布。盡管如此，將行業和NIST研究的技術專長和現狀結合到一份報告中更有助于了解技術前景。報告中加入一部分參考資料，以補充提供相應的技術細節。
一、液滴發生器：極端條件下的熱物理特性和建模
液滴發生器是EUVL掃描儀組件中的重要部件（圖3）。液滴發生器控制進入EUV光源腔的材料的尺寸、速度和重復率，以通過產生13.5nm EUV光的CO2激光器進行電離。因此，必須可靠地輸送液滴，才能產生EUV光，因為故障會影響所有下游組件，從而停止運行。液滴的典型直徑為27μm，速度為80 m/s，重復頻率為50 kHz。液滴發生器觸發CO2激光脈沖的發射，使其被稱為整個EUV掃描儀組件的“心跳”。
錫是EUVL應用中液滴發生器的工作流體，因為它在電離成等離子體時會產生特定的13.5nm波長的光。近幾十年來，研究人員研究了錫以外材料的可能性，如氙和鋰。安全性、成本和性能等因素已證明錫是EUVL制造應用中激光產生等離子體的最佳材料。在半導體制造中，除了錫之外，暫時沒有其他材料能夠進入EUV光源的公開路線圖，因此在基礎科學層面了解這種材料的投資將在近期和長期產生影響。該行業對單一材料源錫的定位，使其成為用于產生EUV光的復雜激光-物質相互作用所需的基本材料特性的理想選擇。
液滴發生器的工作原理是將固體高純度錫（>99.999wt.%）裝入容器中，加熱至其熔點（~232°C）以上。然后，通過高純度氣體（通常是氮氣）將壓力施加到容器中液體的一側，使熔融錫通過過濾器流到另一側的噴嘴。錫液滴的射流通常由產生機械振動的壓電（PZT）晶體調制。第一代液滴發生器的示意圖及其照片如圖3所示。液滴位置穩定性?? 約為1μm。
液滴發生器在2021年取得了新的進展，具有同步再填充功能，如圖4所示，在不中斷下游EUV掃描儀性能的情況下減少了系統停機時間。這種新的液滴發生器設計，已經實現了超過3000小時的連續操作。
提高生產率以獲得更高的EUV功率需要增加驅動激光功率（見第2.2節）和每秒更多的液滴。為了增加液滴頻率，液滴發生器的壓力需要增加，這反過來又會產生更大的液滴間距。這在概念上如圖5所示。
目前，在高于大氣壓的壓力下，熔融金屬缺乏可靠的材料特性。標準數據的缺乏阻礙了對液滴發生器進行數值模擬的工作。科學家和工程師描述的當前做法包括從已發表的文獻中尋找最接近的材料特性，并推斷出粗略的估計值。然后，他們依靠在操作條件下對整個系統的經驗觀察來調整材料特性和操作參數之間的關系。一位行業發言人舉了一個例子，說明設計如何需要平衡，確保工作流體（熔融金屬）的溫度足夠高，可以處于液相，但也不能太高，無法熔化壓電元件。
工作會上海介紹了目前NIST關于金屬材料性能的計量資源，重點介紹了NIST合金數據庫，該數據庫是一個精心策劃的數據庫，包含金屬（包括錫）的實驗熱物理性能。目前，由于材料基因組計劃（MGI）的資助和熱力學研究中心（TRC）的監督，整個數據庫是免費的，并向公眾開放。為了繼續開發，可以將數據庫轉換為SRD，以便根據2017年通過的《美國標準參考數據法更新法》核算維護成本。能夠為美國工業提供公正和專業驗證的材料特性數據，可以為液滴發生器的操作提供富有成效的設計見解和創新。SRD在材料性能方面的優勢已在國際上得到關注，韓國計量研究所最近的一份出版物證明了這一點。
NIST計量能力有用性的一個限制因素是適用于EUVL液滴發生器的高壓下熔融錫的實驗數據存在差距。液滴發生器中工作流體的材料特性決定了一種稱為瑞利破裂的現象，這種現象會導致液滴形成并發生聚結。在過去的40年里，人們對這一現象進行了深入的研究。2011年，瑞士蘇黎世聯邦理工學院Rollinger等人的研究證明了熔錫液滴直徑和速度的壓力高達4MPa和頻率高達100kHz之間的關系。中國研究人員于2023年發表的一份出版物顯示了他們在研究領域的積極追求。
考慮到熔融錫的參考數據缺失，可以測量參考質量數據以填充數據庫的新儀器將是有價值的。聲速（SoS）是一種特別有用的材料性質，因為它可以與單個（T，p）點的密度和等壓熱容數據相結合，從而可以導出任何溫度、T和壓力下的密度、等壓膨脹率和等壓熱容量的附加熱物理性質。NIST的研究人員已經展示了制冷劑材料的SoS測量值。準確的SoS測量對于實現使用狀態方程（EoS）對材料熱力學特性建模的最終目標至關重要。在模擬精度上使用不同的EoS已被證明對即使是最簡單的幾何形狀的精度也有顯著影響。NIST目前正在開發一種儀器，用于在升高的壓力和溫度下測量SoS。SoS儀器是Elizabeth Rasmussen博士的國家研究委員會（NRC）金屬增材制造博士后研究基金的一部分。該儀器的設計和操作已于2022年10月提交美國專利。新的金屬SoS儀器是NIST現有儀器的擴展，該儀器在不太極端的溫度和壓力下運行。新儀器目前正在開發中，需要額外的專用資源來進行錫測量。
EUV對極端條件下熔融錫的傳輸特性數據（表面張力、粘度等）有額外的需求。滿足這一需求將需要一種新的定制計量儀器和相關資源。SoS將具有世界級的計量能力，因此需要專業技能來執行設計、制造和操作。
一旦收集到數據，就可以在EoS中對其進行關聯。這種傳播的一個例子是熱力學EoS。錫的傳輸特性目前有一個參考相關性，但沒有參考EoS。錫傳輸特性的相關性與實驗數據相差5-10%，并且僅在大氣壓下有效。這為先進計量帶來了機遇。NIST在通過REFPROP（REFerential fluid PROPerties）計劃創建制冷劑和天然氣材料的參考相關性、EoS和SRD方面擁有專業知識，可追溯到20世紀90年代。因此，可以對金屬進行類似的測量，特別是對錫，并將EoS開發為SRD，以實現高保真度模擬和數據驅動的EUVL開發。這種發展可能包括增加EUV發射和數字孿生創建，這將使參考材料特性、參考相關性和EoS成為可能。SRD或模型在美國工業中的傳播可以通過NIST制定的SRD計劃以可控的方式進行，如圖6所示。目前，沒有任何商業軟件系統能夠提供關于高于大氣壓的液相金屬的精確或預測性模擬指導。從數據用戶和模擬數據通道的角度來看，工作組的行業成員正在積極推進這項計量工作。
圖6 液態錫材料特性如何有助于數據驅動EUV光刻的液滴發生器操作的流程圖。
除了在極端溫度和壓力下缺乏熱力學和傳輸特性外，關于組件的結構和壓電數據也很有限。這通過限制預測可能的材料不相容性的能力來限制液滴發生器的設計。學者們討論了如何將新型高溫（>300°C）壓電材料作為當前設置的優勢，一位成員提到并分享了Tittmann等人最近發表的一篇文章，即存在此類材料，但可用性較低，價格較高。因此，必須作出權衡。
金屬液滴發生器存在于純錫之外，幾十年來一直用于焊接和制造金屬增材制造粉末等應用，包括鉛、錫、銦、銅、銀和金合金。鑒于應用領域的成熟度，令人驚訝的是，在基本材料特性方面依然存在很大的知識差距。盡管EUVL以外的液滴發生器的使用不在工作組的范圍內，但值得注意的是，該領域的發展也可能影響其他關鍵技術領域。
總之，重點對EUVL掃描儀組件內的液滴發生器進行了優化。明確了液滴發生器持續、可靠和精確操作的必要性，以及改進設計以提高EUV芯片生產的必要性。在測量高壓下熔融錫的基本熱力學和傳輸特性方面的計量進步，可以為材料特性創建參考相關性，并以SRD的形式傳播。將SRD集成到模擬軟件中可以實現液滴發生器的數字孿生模擬。因此，能夠模擬液滴發生器的環境可以有助于當前設備的操作和未來設計的創新，從而實現High NA EUV掃描系統。
二、EUV生成的輻射測量
工業EUVL工具主要涉及兩種類型的光：用于電離熔融錫（Sn）的脈沖高功率紅外（IR）激光和用于光刻的13.5nm光。前者由專門制造的CO2激光器（λ=10.6?m）提供，以50 kHz的重復頻率發射約30 kW（平均功率）。錫電離過程包括兩個快速連續的紅外激光脈沖：一個預脈沖將液滴從球體變平為圓盤，另一個主脈沖能量更高，用于電離。IR激光器的輸出對于開發未來的光刻工具至關重要，因為“EUV功率縮放需要更高的CO2激光功率……”在實驗室演示的600 W的當前商用光刻工具中，非相干13.5 nm EUV光的最大輸出功率約為250 W。雙脈沖系統如圖7中的圖表格式所示。
NIST目前支持IR校準，但不支持商業EUVL所需的功率和脈沖條件。盡管NIST目前為微制造行業提供針對光刻的校準，但其波長僅為193nm和248nm。EUV波長范圍內的校準是可能的，但僅在比EUVL工具產生的功率（毫瓦）低得多的情況下進行。在這些降低的功率下，NIST可以提供輻射硬化硅光電二極管和氧化鋁光電發射探測器。在EUV中進行了其他光學特性測試，包括濾波器傳輸和空間均勻性測試。計量研究的機會是擴展NIST的校準能力，以覆蓋輸入IR激光、用于推斷功率中游的EUV閃爍體和直接最終輸出的EUV光，所有這些都是在與工業EUVL相關的條件下進行的。這將通過為關鍵工藝參數提供可追溯的計量，對半導體制造工藝的發展產生直接影響。此外，通過提供高保真度數據來驗證EUV生成的模擬，對未來的EUV儀器開發將產生長期影響。
絕對輻射測量不僅對光刻工藝開發和儀器驗收測試很重要，而且對EUV光生成過程的精確量化也很重要。這一過程的預測模擬滯后于EUV工具本身的開發。提高模型精度需要模型輸入和輸出的精確實驗數據。在與工業EUV光產生相關的條件下開發特定于IR激光器和13.5nm光的新的輻射測量工具將提供這樣的數據。
如果沒有行業合作，就無法開發這些探測器，因為這里討論的工業光刻工具是唯一能夠產生這些探測器將要測量的光量的工具。考慮到與這些工具相關的知識產權數量，政府和行業代表的合作將非常重要。工作組會議上的初步討論表明，如果沒有保密協議的保護，行業不愿意討論相關細節。由于這有時會給聯邦雇員帶來問題，因此應尋求雙方都同意的解決方案，以便及時進行有意義的互動。
三、等離子體物理與建模：光與物質的相互作用
EUVL利用13.5nm的光子來生產集成電路。這種光的主要來源是用強大的激光產生的非常熱的錫等離子體。調整激光參數以產生主要在13.5nm附近發射的錫離子（例如Sn 10+-Sn 15+）。雖然大多數等離子體特性都在大量實驗中進行了探索，但可靠和有效的理論支持對于開發更好的錫等離子體源至關重要。在整個工作組會議期間，幾次專題介紹涵蓋了等離子體物理學的討論，并將其合并為報告的一個領域。本節重點討論等離子體物理學、當前技術計量狀態以及美國工業界和NIST研究人員推進該領域的需求。
激光產生的錫等離子體的光發射的高級計算通常使用大規模碰撞輻射（CR）代碼進行，該代碼試圖解釋導致光子輻射的最重要物理過程。其中包括電子碰撞激發、去激發和電離、輻射、介電和三體復合以及自電離等等。此外，輻射傳輸和不透明度以及輻射流體動力學建模也變得非常必要。
等離子體建模也受到諸多限制，因為關于支撐物質相互作用的基本物理機制的信息有限。這可能導致支持更大批量制造的等離子體工程的進展是漸進的，而不是變革性的。過去，業界與政府的實驗室合作伙伴一直試圖了解并控制等離子體過程，并報告了他們的進展。來自業界的模擬專家還指出，復雜的模擬如何在不同的時間尺度上覆蓋多個物理領域。等離子體建模在指導工程提高EUV光生成和效率方面的實用性存在懸而未決的問題。例如，對帶外光子以及離子和電子的發射進行建模可以提供預測性見解，這將極大地提高芯片生產的效率。另一個感興趣的領域是EUV光刻膠的光子、電子和化學相互作用，這是EUVL行業非常感興趣的研究之一。因此，等離子體物理建模也適用于EUV光學元件。EUV光學器件和材料見下節（第2.4節）。
在過去的三年里，EUVL建模社區通過組織EUVL代碼研討會，啟動了CR代碼的長期驗證計劃。該方法是根據NIST原子光譜小組組織的一系列非局部熱力學平衡（NLTE）代碼比較研討會建模的，該研討會持續了25年多。因此，NIST的原子光譜小組（ASG）被要求開發一個新的EUVL數據庫和現代比較工具，用于智能比較EUVL的CR代碼。迄今為止，所述工作已在沒有直接財政支持的情況下成功完成，最近兩次歐盟虛擬實驗室講習班的參與者使用數據庫和用戶界面對其軟件包進行了比較。盡管如此，未來的研討會旨在分析需要對數據庫和用戶界面進行大量修改的新物理參數。因此，需要穩定的資金來支持這一研究領域的長期發展。
NIST研究人員報告的一個未來方向是研究更短的波長方案，主要基于多層反射鏡的可用性。這將產生比錫更重的元素在更高電離態（所謂的“超EUV”）下產生的更短的光子波長。不幸的是，更廣泛的研究界對20多次電離的高Z元素的光譜的了解是不夠的。NIST ASG具有充分的實驗和理論能力，可以為EUVL社區提供未來等離子體源最準確的光譜數據。為此，NIST電子束離子阱（EBIT）不僅可以產生電荷高達70+的離子，而且由于在該光譜范圍內可以使用精密光譜儀，因此可以在EUV和軟X射線范圍內記錄最準確和詳細的光譜。NIST ASG團隊還使用最先進的原子方法和代碼進行高精度的大規模光譜計算。經證實的能力應滿足EUVL對未來等離子體源準確數據的需求。應該注意的是，當行業代表被問及EUV的未來來源時，他們表示，在不久的將來，沒有使用錫以外的原料的公開計劃。
總之，行業利益相關者希望對錫等離子體進行建模，NIST正在進行的工作可能加大支持力度，但需要額外投資。此外，將任何代碼集成到設計工程師和科學家的商業軟件中，對于優化EUV芯片生產能力都很有價值。工作組會議上的討論是技術性的，但應考慮如何將任何此類代碼與商業合作伙伴整合，以確保美國公司的利益。最后，對等離子體和相互作用進行建模可以幫助減少碎片對EUVL組件的負面影響，這將在第2.4.2節中進行討論。
四、與 EUV 相互作用的元件的表征
本節介紹 EUVL 掃描儀組件中與 EUV 光相互作用的兩個組件：(1) 光刻膠和 (2) 收集鏡。工作組的行業參與者提出了大批量制造 (HVM) 需求的總體主題。具體來說，HVM 的興趣集中在提高使用 EUVL 制造的芯片的產量和良率上。NIST目前擁有的一些可能的計量解決方案將在第 2.5 節中介紹。
（1）光刻膠：聚合物表征
光刻膠加工對于半導體行業至關重要。所有器件元件和相關結構（從場效應晶體管 (FET) 中的通道到器件之間的電氣互連）都需要光刻制造的納米級圖案。Rent規則指出，端子或互連的數量隨著邏輯塊或門的數量的增加而增加。這與單元級別有關，當標準單元縮小時，與單元的連接也需要縮小。這個概念如圖 8 所示。
業內人士強調，為利用新的電池架構和新穎的器件材料，需要積極地縮小間距。會議還討論了實現新型細胞結構和材料的 HVM 的困難程度，其中產量是一個主要問題。例如，給定每個芯片 1010個觸點，芯片良率（Yd =良品數/總數）至少為99%。就上下文而言，第三代英特爾酷睿處理器（四核）包含 14.8 億個晶體管。在 99% 的良率下，148 萬個晶體管將有缺陷——目標是 99.99996% 的良率或 6 Sigma (6 ?? )。良率必須非常好——良率完全取決于過程控制和缺陷。如果良率足夠，制造 EUV 芯片的成本由生產率（吞吐量）決定。換句話說，更好的Pitch分辨率是必要的，但對于 HVM 來說還不夠。
影響良率的主要工藝變化是邊緣貼裝誤差 (EPE)。當光刻膠線條圖案的邊緣和側壁顯示出意外的納米級不規則性時，就會發生這種情況。這些不規則性是隨機的，通俗地稱為線邊緣粗糙度 (LER) 偽影。隨著器件尺寸持續縮小，LER 偽影可能會嚴重影響尺寸控制，并且隨機 LER 波動的幅度開始與線路圖案公差競爭。LER 的控制對于提高器件性能和制造產量至關重要。LER 可能是由加工流程中的許多因素引起的，包括光刻和蝕刻步驟中的錯誤以及光刻膠化學中的納米級變化。因此，EUVL 行業需要更好地了解 LER 的原因，以及緩解這些問題的新工具。
減少線/空間抗蝕劑校正誤差的策略之一是通過定向自組裝（DSA），因為它可以修復小于Pitch的缺陷。EUV + DSA 工作原理的示例如圖 9 所示。一位行業成員在工作組會議上介紹了EUV、DSA 和自對準雙圖案化 (SADP)在 18 nm 和 21 nm 金屬Pitch的協同組合的案例研究。
總而言之，圍繞 EUV 光刻膠的關鍵點是，單元尺寸縮小需要新穎的工藝架構、新穎的器件材料以及將互連間距縮小到 12 nm 的Pitch間距。如果芯片良率足夠高，EUVL 半導體芯片成本主要受到生產率（吞吐量）的限制。成品率主要由導致邊緣放置誤差的隨機工藝變化決定。金屬氧化物抗蝕劑平臺在緊密間距下顯示出令人印象深刻的分辨率和缺陷性能，并且 DSA 從根本上改善了光刻膠的系統和隨機變化。
最后，業內人士強調，當前的每一個過程變化都需要進行實驗探索，NIST 計量能力和專業知識在這些活動中發揮著關鍵作用。具體來說，工藝變化實驗探測的四個主要小節：
(1) 需要評估數千億個特征之間的工藝變化，因此需要實驗室規模的高通量方法，可能像高諧波發生 (HHG) 設備，這將在第 2.5.1 節中討論。
(2) 抗蝕劑中隨機缺陷的化學形態是一個不可或缺的工具——可以在同步加速器源中進行分析，這將在第 2.5.2 節中討論。
(3) 需要在每個長度尺度上探測工藝變化，并且越來越多地在三維中探測。注意，這可以使用原子探針斷層掃描（APT）技術來完成，這將在第 2.5.3 節中討論。
(4) 在這些小長度尺度上，表面和界面占主導地位，因此不存在尖銳的界面。
當問及前景以及行業向研究界傳達的信息時，一份需求清單被給了出來。對于光刻膠：(a) 具有更高量子數的新型光刻膠 (b) 光刻膠/底層特征和缺陷形成的起源 (c) MOx 光刻膠中隨機缺陷的化學形態 (d) 有機光刻膠的光刻膠浮渣緩解策略 (e) 有機光刻膠的干式顯影技術。隨著 EUVL 制造從低 NA 過渡到高 NA 及以上，這種需求尤其重要，如圖 10 所示。
對于Rectification校正，行業需求是（a）對粗糙度和缺陷進行與節距無關的校正，以保留目標布局，如圖11所示，（b）具有高chi材料的新DSA分子，具有高選擇性干法蝕刻和選擇性滲透， (c) 3 噸 ABC 嵌段共聚物，以及 (d) 功能性嵌段共聚物和刷子（可光圖案化、可交聯等）。
（2）EUV 收集鏡：錫離子、蒸氣和顆粒表征
大多數材料強烈吸收 13.5 nm 輻射，因此使用 EUV 光進行圖案化帶來了許多新的挑戰。由于強烈的材料相互作用，這需要在真空中使用鏡子而不是透鏡來產生和引導光。初始等離子集光鏡是凹形和橢球形的，等離子體在第一個焦點處產生。在第二個或中間焦點處，等離子光被引導至曝光工具（圖 12）。整個收集區域的波長匹配和紅外光譜過濾是多層收集鏡的關鍵特性。
此外，產生足夠數量的 EUV 輻射極其困難，因此必須努力確保鏡子具有盡可能高的反射率和空間均勻性。此外，多層反射鏡的反射率在光刻工具的操作期間必須保持高。光刻工藝涉及將圖案暴露于光刻膠，光刻膠存儲圖案以供進一步處理（第 2.4.1 節）。EUV 輻射會導致光刻膠發生化學變化，從而產生揮發性化合物，這些化合物可能會通過真空系統遷移并吸附到表面上。盡管光刻膠會影響鏡面，但這對于收集鏡來說并不是主要問題。業內人士表示，影響收集鏡的兩種主要碎片類型是（1）直接來自等離子體的碎片，其中熱量和動量傳遞到周圍的緩沖H2氣體中；(2) 在與任何表面碰撞之前，進入收集器的錫助熔劑，該助溶劑由 (i) 停止的離子的擴散、(ii) 錫蒸氣和 (iii) 錫微粒組成。
目前用于保護收集鏡免受碎片影響的方法是通過氫氣流。約 100 Pa 的氫氣緩沖氣體會導致離子減速。氫氣從收集器流出，這降低了原子錫在收集器上的沉積速率。H自由基與錫反應形成錫烷(SnH 4 )，可以根據方程式(1)所示的反應將其抽走。
在帶有真空泵以去除熱氣體和錫蒸汽的容器中發生的抽氣動作也有助于保護收集鏡。此外，內部硬件會收集微粒。業界已對鏡子的清潔進行了研究以解決污染問題。業界為提高收集器反射鏡的使用壽命所做的努力已經取得了進展，特別是 2021 年的使用壽命超過 6 個月。
即使在保護 EUV 收集鏡方面有了這些重大改進，業內人士仍表達了兩個需求。首先，了解“光子和等離子體物質如何與 EUV 光源中的背景氣體、光學和等離子體表面相互作用？”有限的知識差距包括次級等離子體及其相互作用、傳輸和光譜、等離子體輻射壁物理化學和等離子體診斷。其次，了解“錫會發生什么以及如何對其進行管理？”這里的知識差距包括錫污染、錫的氫自由基清潔、錫烷形成過程以及相關的熱和質量傳輸和化學、小顆粒檢測。
五、EUV 光作為分析工具
在工作組會議上，NIST研究人員討論了關于使用EUV作為分析工具來協助半導體制造行業的三個主題。使用 EUV 光作為分析技術的三種方法是 (1) 高次諧波發生 (2) 同步加速器 (3) 原子探針斷層掃描。高次諧波產生具有緊湊的占地面積，可以部署在研發和制造設施中，并可以連續獲得在同步加速器光源上常規進行的深納米級微電子器件的尺寸、材料和動態特性。同步加速器光源允許研究 EUVL 的許多方面，并具有研究收集鏡退化的附加功能。原子探針斷層掃描是唯一能夠提供周期表中任何元素的亞納米同位素分辨原子級元素圖的 3D 化學測繪技術，這對于研究 EUV 光刻膠可能很有用。
業界就這些工具在協助 EUVL 制造方面的潛在用途提供了寶貴的反饋。NIST 法律委員會必須積積極主動地制定 NDA 請求的解決方案，以滿足潛在合作者的需求，同時滿足聯邦工作人員提出的獨特法律和行政要求，這些聯邦工作人員被明確禁止讓自己或組織承擔任何外部合同的義務。
（1）高次諧波發生（HHG）
隨著 EUVL 將光刻特征進一步推向深納米級層次，微電子行業正在呼吁新的測量和計量技術。NIST 正在進行一項計劃，利用 EUV 的短波長來探測深納米級微電子器件的尺寸、材料和動態特性。NIST 的高諧波發生 (HHG) 光源是寬帶（跨越 20-100 eV 光子能量）、超快（20 飛秒脈沖）和相干（類激光）光源。寬帶光譜可以實現許多微電子相關材料中的原子核躍遷，從而揭示元素和層的特定測量。圖 13 展示了這一點。這種測量通常在同步加速器光源下進行。然而，HHG 源的緊湊占地面積允許在研發和制造設施中部署并連續訪問。圖 14 顯示了 NIST 物理材料實驗室 (PML) 當前系統運行的照片，適合典型的實驗室空間。
短脈沖寬度能夠動態測量自旋和熱傳輸。最近的一項成功實驗是開發了與 EUV 脈沖同步的頻率梳發生器，其抖動優于兩皮秒。圖 15 演示了這種與 40 GHz 信號的同步。這比同步加速器所能達到的效果大約好一個數量級，并且允許我們在微電子設備的工作頻率下進行測量。這使得能夠實時測量功能器件內部和外部的熱流和自旋傳輸。
最后，光的相干性使得無透鏡成像技術成為可能，例如相干衍射成像、疊層照相技術和全息術，可在 EUV 波長下提供空間分辨率。此功能將使 NIST 能夠直接對功能設備進行成像。盡管這項工作不是NIST 完成的，但圖 16 顯示了將疊層記錄術與反射測量法相結合，以橫向空間分辨率測量硅中的摻雜劑分布的結果。這種方法可以對微電子中的界面和摻雜劑分布進行無損評估。
在工作組會議上，業界提到分析晶圓中的半導體元件來識別缺陷是多么有用。具體來說，Golani 等人最近展示了如何使用將光-結構相互作用模擬與光學系統模擬分離的模擬，并在后處理中執行后者，從而使許多光學配置能夠在相對較短的時間內測試。Golani 等人的模擬使使用 Ansys 商業求解器完成，并展示了強大的數字孿生的使用。
（2）同步加速器：NIST 的 SURF III
除了 NIST 實驗室規模的EUV光用于分析半導體元件的之外，Steve Grantham 博士在工作組會議上還介紹了 NIST 同步加速器紫外線輻射設施 (SURF III) 的大量資源。
當帶電粒子沿彎曲路徑行進時，會發射同步輻射。由于大多數加速器使用磁場來彎曲粒子軌跡，因此同步加速器輻射也稱為磁軔致輻射。發射的光譜是從微波（驅動射頻場的諧波）到 X 射線光譜區域的寬帶。輻射是垂直準直和偏振的。如果電子能量 E、彎曲半徑 ρ、電子電流 IB 、相對于軌道平面的角度 Ψ0 、到切點的距離 d 、垂直方向 Δψ 和水平方向接受度 Δθ 為已知，則可以計算同步輻射輸出。SURF的輸出功率如圖17所示。
反過來，NIST 的紫外線輻射小組將 SURF III 作為輻射測量和研究的穩定光源。SURF 涵蓋從遠紅外到軟 X 射線的波長范圍。表 1 概述了 NIST SURF III 的當前功能和光束線的未來計劃。業界指出，同步加速器光源不適用于大批量制造 (HVM) 環境中的 EUV 光源。盡管如此，同步加速器設施可能是有利的，因為它可以靈活地測試許多參數，以協助 EUVL 行業實現 HVM 目標，如本報告前面部分（2.2 和 2.4.2）所述。應該注意的是，某些波長系統的定義和術語會重疊并且可能不一致，因此應參考 ISO 21348 標準作為一般指南。
工作組會議上給出了一個研究在存在污染和/或清潔物質的情況下用 EUV 輻射照明時鏡子污染的例子。自 2000 年以來，NIST 一直是研究 EUVL 光學污染的領先中心，并研究了衛星常用濾光片的退化情況。最近，NIST 傳感器科學部門對半導體制造應用進行了類似的研究。NIST 目前在兩條光束線（光束線 1 和光束線 8）上擁有三個設施，專門用于光學污染的各個方面。研究污染的能力直接與本報告前面關于延長收集鏡壽命的重要性的討論相關（第 2.4.2 節）。需要支持來繼續和發展現有設施，以支持半導體行業的下一代 EUVL 制造。
（3）原子探針斷層掃描 (APT)
原子探針斷層掃描 (APT) 是唯一能夠提供周期表上任何元素的亞納米同位素分辨原子級元素圖的 3D 化學測繪技術。在圖 18 中，給出了 APT 操作的圖表，有關APT 的更多背景信息，請讀者參閱該主題的最新綜述。
商用 APT 儀器采用近紫外（NUV：3.5 eV）或深紫外（DUV：4.8 eV）激光輻射，其低于許多材料的功函數和大多數元素的電離能。因此，這些儀器很可能通過對所研究的樣本進行大量加熱來運行。事實上，對于有機材料的分析，來自 NUV 儀器的數據通常很復雜，顯示出有問題的碎片模式、場蒸發過程中聚合的證據，以及無法直接解釋為原子尺度圖的結果。相比之下，EUV (20-90 eV) 輻射的能量足以電離樣品表面的原子和分子，可能產生更小的、可直接解釋的 碎片模式。NIST 的方法是將 EUV APT 應用于薄膜光刻膠的研究，以尋找可能導致光刻不規則性隨機性質的納米級成分波動，包括 LER。因此，EUV APT 代表了研究與光刻膠加工和成分化學相關的隨機事件的關鍵計量學進步（第 2.4.1 節）。值得注意的是，這種方法以及前面第 2.3節中討論的工作將比較 EUV APT 與傳統 NUV 和 DUV APT 儀器之間的結果。
研究結果和建議
工作組會議的技術結果包含在第 2 節每個小節的末尾。提取關鍵特性的實驗將促進建模和模擬技術的發展，從而推動半導體的高產量、吞吐量和規模化。NIST 擁有獨特的 EUVL 實驗計量技能和理論模擬程序。因此，工作組會議的行業與會者鼓勵資助 NIST 提議的創建儀器或使用現有儀器向美國行業提供超準確數據的工作。在可能的情況下， NIST 科學家不應該只成為行業的設計工程師，而應該通過合作，將他們的領域知識與對 EUVL 的見解相結合，以實現互惠互利的結果。反過來，知識轉讓必須與資助的使命保持一致。工業界有方法支持國內利益，但 NIST 科學和管理領導人必須了解如何相應地調整任何新創造的競爭優勢。應考慮已建立的受控傳播方法，例如 CRADA、SRD 和 SRM。
從項目角度來看，工作組會議強調了 EUVL 的國際競爭格局如何導致需要保密協議 (NDAs) 才能與 NIST 研究人員進行深入的技術對話。因此，所有工作組會議參與者都建議簡化 NIST 研究人員和行業之間的 NDA 流程，使項目啟動后的周轉時間少于 2 個月。應向 NIST 工作人員和管理層提供有關 NDA 流程的教育，以正確執行步驟。
最后，從這次工作組會議中，面對面互動的價值帶來了富有成效的對話和可行的后續步驟。未來的利益相關者互動可以從工作組會議過渡到為研討會再到聯合會。隨著手續的增加，成本（10,000 美元 - 100,000 美元以上）和工作量（40 - 200 小時以上）也會增加。因此，將未來的活動安排在經常參加的專業會議上，例如 SPIE 或美國光學協會 (OSA) 的會議，可以幫助減輕成本和工作量。
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