2023年8月22日，美國國家標準與技術研究院（NIST）發布《極紫外光刻（EUVL）工作組會議報告：現狀、需求和前進道路》。圍繞EUVL的研究、開發和制造，2023年4月25日NIST舉行了交叉工作組會，對EUVL的許多關鍵技術問題和所需計量學進展進行了富有成效的討論。根據EUVL工作組會議討論結果，報告簡要概述了EUVL五方面技術主題并提出了行業發展建議，最后總結了調查結果和后續工作開展建議。

EUVL工作組會議上，行業參與者的發言為報告概述EUVL的科學現狀、挑戰、需求和未來加速創新的機遇提供了信息；NIST介紹了已經開始或繼續支持美國半導體行業的一些工作，集中展示了NIST的核心能力和部分研究，為外部利益相關者提供了可見性和發表意見的機會。此次會議為行業參與者和NIST研究人員提供了相互了解的平臺，確定NIST的計量知識如何協助EUVL研究，以建立有針對性的研究合作，加快半導體制造創新。

一

EUVL的五大關鍵技術主題及行業發展建議

EUVL是下一代半導體芯片制造的關鍵步驟。目前唯一一家生產EUVL掃描儀組件的公司是總部位于荷蘭的ASML。EUVL系統并非僅在荷蘭制造，而是由在全球開發的許多模塊組成，然后運送到荷蘭的ASML總部進行最終組裝和測試，最終交付給客戶。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，該儀器在真空室內每分鐘連續產生超過300萬個27 μm液滴。平均功率為25 kW的脈沖二氧化碳（CO2）激光器用兩個連續脈沖照射錫滴，分別對錫滴進行成形和電離。最初，會產生數千瓦的EUV光，但沿著光路的吸收和散射損耗，只有一小部分到達光刻掩模。13.5 nm光的輸出功率和光束質量通過間接閃爍體相機（scintillator-camera）測量推斷。多層收集鏡系統將光引導至光敏聚合物或光刻膠，將圖案轉移到晶圓上。通過恒定的氫氣流保護收集鏡免受錫碎屑的影響。每次曝光后，自動晶圓臺以≤0.25 nm的分辨率定位晶圓，并每秒進行20,000次循環檢查調整過程。總體而言，EUVL過程需要許多不同的工程系統之間的精確協調，主要包含以下五方面關鍵技術主題：

1. 液滴發生器

液滴發生器是EUVL掃描儀組件中的重要組件。液滴發生器控制進入EUV光源室材料的尺寸、速度和重復頻率，這些材料被CO2激光器電離從而產生13.5 nm EUV光。因此，液滴發生器必須連續可靠地輸送錫滴才能產生EUV光，否則會影響所有下游組件并導致運行停止。液滴的典型直徑為27 μm，流速為80 m/s，重復頻率為50 kHz。液滴發生器觸發CO2激光脈沖發射，因此被稱為整個EUV掃描儀組件的“心跳”。從美國立場來看，ASML EUV光源的研發和制造均位于加利福尼亞州圣地亞哥。

近幾十年來，研究人員研究了錫以外材料的可能性，例如氙和鋰。從安全性、成本和性能等因素來看，錫是EUVL制造應用中激光產生等離子體的優質材料。除錫以外，目前還沒有公開的半導體制造中EUV光源材料路線圖，因此在基礎科學層面投資了解這種材料將產生近期和長期影響。業界對錫這一單一材料源的關注，使得未來有必要投入更多精力，來了解用于產生EUV光的復雜激光與物質相互作用所需的基本材料特性。

行業發展建議：目前對于高于大氣壓壓力下的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工作。為了提高性能，需要在極端條件（>500 K、>10 MPa）下對純錫進行參考質量的熱物理性能測試，并以標準參考數據（SRD）格式發布數據。

2. EUV生成的輻射計量學

工業EUVL工具主要涉及兩種類型的光：用于電離熔融錫的脈沖高功率紅外（IR）激光以及用于光刻的13.5 nm EUV光。前者由專用CO2激光器（λ = 10.6 μm）提供，以50 kHz重復頻率發射約30 kW的平均功率。錫電離過程涉及兩個快速連續的紅外激光脈沖。紅外激光器的輸出對于開發未來光刻工具至關重要，因為EUV功率擴展需要更高的CO2激光功率。

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目前為微加工行業提供光刻校準，但僅限于193 nm和248 nm波長。EUV波長范圍內的校準是可能的，但只能在比EUVL工具產生的功率（毫瓦）低得多的情況下進行。

行業發展建議：需要在工業EUV光刻相關條件下，為所用光（用于激發熔融錫滴的高功率紅外激光和等離子體電離發射的13.5 nm光）開發專門的輻射計量工具，以提供關鍵工藝參數的可追溯計量。

3. 等離子體物理和建模

EUVL利用13.5 nm光生產集成電路。這種光的主要來源是用大功率激光產生高溫錫等離子體。雖然大多數等離子體特性都是在大量實驗中探索出來的，但可靠且經過驗證的理論支持對于開發更好的錫等離子體源至關重要。一旦激光擊中錫滴光源，就需要對光與物質的相互作用有一個準確的物理理解。

對激光產生的錫等離子體光發射進行高級計算時，通常使用大規模碰撞輻射（collisional-radiative，CR）代碼建模，這些代碼試圖解釋導致光子輻射的最重要物理過程，包括電子碰撞激發、去激發和電離、輻射、雙電子復合、三體復合以及自電離等。此外，輻射傳輸和不透明度以及輻射流體動力學建模可能也是必不可少的。值得注意的是，等離子體建模的局限性還在于物質相互作用的基本物理機制的信息有限。

行業發展建議：行業利益相關者希望對錫等離子體進行建模。利用先進的碰撞輻射和輻射傳輸代碼的驗證，可以進行實現預測能力的模擬。建模實驗將為當前模型奠定基礎，擴展國際代碼庫的薈聚基礎，從而在數據驅動模型的基礎上選擇“最佳”模型。

4. EUV組件的表征

報告主要討論了EUVL掃描儀組件中EUV光相互作用的兩個重要組件：光刻膠和收集器反射鏡。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都需要光刻制造的納米級圖案。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，因此半導體制造工藝不斷迭代，但使用EUVL大批量制造存在困難，其中光刻膠環節的改進尤為重要。由于大多數材料都會強烈吸收13.5 nm光輻射，因此使用EUV光進行圖案化帶來了許多新的挑戰，需要使用反射鏡而不是透鏡在真空中引導光至光刻膠模板，同時錫碎屑導致多層反射鏡生產效率低下、成本高昂。整個收集區域的波長匹配和紅外光譜過濾是多層收集器反射鏡的關鍵特性。此外，產生足夠數量的EUV輻射極其困難，因此必須努力確保反射器具有盡可能高的反射率和空間均勻性。

行業發展建議：EUV光刻膠對于圖案化至關重要，為了提高成品率需要了解每個長度尺度上的材料特性，因此針對各尺度工藝變化進行化學形態測量，創建高通量計量學來表征變化特征。業界在保護EUV收集器反射鏡方面有了一些重大改進，但仍需了解“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”以及“錫發生了什么變化以及如何對其進行管理”。NIST提供與位置相關的EUV反射率測量，這些數據可供評估光學器件的使用壽命和錫碎屑減緩技術的有效性。

5. EUV光分析工具

報告討論了使用EUV光作為分析工具協助半導體制造行業的三種方法：高次諧波發生（源）、同步加速器和原子探針斷層掃描。高次諧波發生（源）具有緊湊的占地面積，允許在研發和制造設施中部署，并可以連續探測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，盡管不適用于大批量制造EUV光源但可以助力該目標的實現，例如研究收集鏡退化機制等。原子探針斷層掃描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，這對于研究EUV光刻膠很有用。

行業發展建議：業界就這些工具在協助EUVL制造方面的潛在用途提供了反饋。NIST法律委員會必須積極采取行動，針對保密協議（NDA）請求制定解決方案，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。

二

調查結果和后續建議

在各技術主題調查結果及行業建議之外，工作組提出兩項綱領性調查結果及后續建議：

1. EUVL的國際競爭格局導致需要簽署保密協議才能與NIST研究人員進行深入技術對話。建議簡化NIST研究人員和業界之間的保密協議流程，使項目啟動的周轉時間少于兩個月。應向NIST工作人員和管理層提供有關保密協議流程的教育，以正確執行步驟。

2. 面對面的互動可以產生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能從工作組會議轉變為研討會再到聯盟，但這種轉變會導致成本（10,000美元-100,000美元以上）和規劃工作（40–200多個小時）的增加。為了幫助減輕成本和工作量，建議未來的活動可以安排在經常性的專業會議上舉行。

EUVL工作組未來可能采取的行動包括擴大NIST和行業的參與、調整研究小組以滿足EUVL的特定需求，以及執行工作組會議和未來任何大型會議中討論的優先研究事項。通過與美國EUVL行業的合作，預計將促進合作，加速半導體制造創新。

END