摘要：極紫外光刻技術(shù)被認(rèn)為是下一代最有潛力的光刻技術(shù)，對推動集成電路發(fā)展具有重要作用。極紫外光源是極紫外光刻技術(shù)的源頭，其技術(shù)水平直接制約了光刻技術(shù)的發(fā)展。氣體放電等離子體極紫外光源結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)換效率高，適合大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，具備良好的應(yīng)用前景。現(xiàn)有氣體放電等離子體光源包括毛細(xì)管放電等離子體極紫外光源、激光輔助等離子體極紫外光源、等離子聚焦極紫外光源和中空陰極管放電等離子體極紫外光源等。近年來，極紫外光光刻技術(shù)工業(yè)化進(jìn)展較快，該文對氣體放電等離子體技術(shù)做了綜述，掌握最新研究進(jìn)展有助于推動我國相關(guān)領(lǐng)域研究。

　　關(guān)鍵詞：極紫外光源；氣體放電等離子體；毛細(xì)管放電；激光輔助放電；等離子體聚焦；中空陰極觸發(fā)等離子體箍縮

0引言

　　目前，半導(dǎo)體器件制造業(yè)采用ArF（193 nm）浸漬式投影光刻技術(shù)，其最小線寬可到達(dá)4X nm，配合采用二次曝光套刻技術(shù)可以將最小線寬拓展至2X nm節(jié)點(diǎn)。ArF投影光刻技術(shù)固有局限和二次曝光套刻技術(shù)復(fù)雜程度制約了其未來應(yīng)用發(fā)展。極紫外光刻技術(shù)（Extreme Ultraviolet Lithography，EUVL）的出現(xiàn)為22 nm及以下節(jié)點(diǎn)制造技術(shù)提供了新的解決方案。EUVL采用波長為13.5 nm的極紫外光源，可以直接獲得1X nm最小線寬，被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的新一代光刻技術(shù)。極紫外光刻技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)包括極紫外光源、光致刻蝕劑、無缺陷掩模等［1］。

　　EUV光源仍然是EUVL行業(yè)技術(shù)應(yīng)用發(fā)展面臨的最困難的技術(shù)挑戰(zhàn)。至今為止，尚未有能夠在保證光源可靠性和正常運(yùn)行時間前提下提供足夠高功率輻射輸出的技術(shù)出現(xiàn)［2］。

　　極紫外光源可以采用3種技術(shù)方案實現(xiàn)：各種同步輻射源、激光等離子體（Laser Produced Plasma，LPP）EUV光源、氣體放電等離子體（Discharge Produced Plasma，DPP）EUV光源。同步輻射光源具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如高準(zhǔn)直、高偏振、高純凈度、高亮度、窄脈沖、可精確預(yù)知等。利用同步輻射光源產(chǎn)生X射線可以獲得高分辨率和較大焦深。但是這種光源造價太高，電子注入過程復(fù)雜，不適合大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。LPP EUV經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)較為成熟，是目前實現(xiàn)極紫外光刻采用的主要技術(shù)路線。但是，由于電能向光能再向等離子體能轉(zhuǎn)化過程的效率不高，加之激光器投資運(yùn)營成本較大，使該技術(shù)的發(fā)展和推廣也受到了一定限制。

　　DPP EUV光源采用將電能直接轉(zhuǎn)化為等離子體能的技術(shù)方案，與LPP EUV方案相比，由于可以建造較大功率電源系統(tǒng)，能量轉(zhuǎn)換效率有所提高，采用DPP光源時在中心焦點(diǎn)（Intermediate Focus，IF）所獲的功率大幅度提高［3-4］。此外，DPP EUV光源結(jié)構(gòu)簡單，投資運(yùn)營成本低，適合大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。DPP EUV光源有著良好的技術(shù)前景，但仍有許多關(guān)鍵問題尚未解決，如碎屑控制、重復(fù)頻率放電條件下光源穩(wěn)定性、增大光源輸出角等。本文將對氣體放電等離子體極紫外光源的主要技術(shù)路線、現(xiàn)有研究與工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，以期對相關(guān)方向研究者有所幫助。

1EUVL 光刻技術(shù)對光源要求

　　在實際工業(yè)應(yīng)用中，綜合考慮生產(chǎn)速率、鏡頭轉(zhuǎn)換率、光感刻蝕劑感光度等因素，極紫外光光刻機(jī)光源功率需要達(dá)到 115 W~180 W。表 1所示為極紫外光刻技術(shù)達(dá)到實際工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)時，極紫外光源需要滿足的技術(shù)參數(shù)［4］。表1極紫外光源綜合指標(biāo)光源參數(shù)參數(shù)指標(biāo)光源波長/nm13.5EUV 光源功率/W115 W~180 W*@5mJ/cm2重復(fù)頻率/kHz>7~10 kHz**（無上限）能量集中穩(wěn)定性/%3σ（50 次重復(fù)脈沖）光源輸出能量/mm2sr最大 3.3 mm2sr（max）最大立體出光角/sr0.02~0.3

　　表1中所列舉的EUV光源指在焦點(diǎn)處可收集到的功率。實際上，由于出光角和收集效率的限制，焦點(diǎn)處可收集到的功率是極為有限的。例如，某DPP 極紫外光源可以在球面度 2π 范圍內(nèi)輸出功率 645 W，但是只能在焦點(diǎn)處獲得42 W功率輸出。目前，極紫外光源面臨的三大難題包括光源輸出功率低、光源穩(wěn)定性差和光源壽命短。光源輸出功率直接制約了極紫外光刻技術(shù)的可行性和應(yīng)用能力；光源穩(wěn)定性決定了極紫外光刻技術(shù)產(chǎn)出芯片質(zhì)量和成品率；而光源壽命則關(guān)系到該技術(shù)的成本和投入。 這三大技術(shù)難題需要逐步全面攻克，才能保證EUVL真正付諸工業(yè)應(yīng)用，發(fā)揮其能力。

2放電等離子體EUV光源

　　現(xiàn)階段，放電產(chǎn)生極紫外光主要有4種技術(shù)路線：毛細(xì)管放電技術(shù)、激光輔助放電等離子體技術(shù)、等離子體焦點(diǎn)技術(shù)和中空陰極管放電技術(shù)。

　　2.1毛細(xì)管放電EUV光源

　　美國卡羅拉多州立大學(xué)（ Colorado State University）學(xué)者Rocca于1988年發(fā)表論文，首次提出用毛細(xì)管放電產(chǎn)生軟X射線或極紫外激光的臺式激光器的構(gòu)想。1994年，Rocca小組首次實現(xiàn)了毛細(xì)管放電類氖氯產(chǎn)生46.9 nm的激光，并實現(xiàn)了類氖硫和類氖氯等其他波段的軟X射線激光。此后，各國學(xué)者展開了毛細(xì)管放電產(chǎn)生軟X射線的廣泛研究。1997年，美國學(xué)者Klosner的研究組利用LiH毛細(xì)管放電獲得了13.5 nm的軟X射線輸出，但實驗發(fā)現(xiàn) LiH毛細(xì)管的壽命較短，難以滿足工業(yè)應(yīng)用對極紫外光源持續(xù)工作時間的要求，無法實際推廣。1998年，該研究組在充有Xe的毛細(xì)管放電過程中觀測到強(qiáng)度較高的10~16 nm軟X射線輸出，并改變了毛細(xì)管材料，毛細(xì)管壽命問題得到了較好的控制。毛細(xì)管放電產(chǎn)生非相干光在工業(yè)應(yīng)用上展現(xiàn)出光明前景。至此，毛細(xì)管放電用于極紫外光源的研究逐步得到學(xué)者們的廣泛關(guān)注，并得到不斷發(fā)展。

　　毛細(xì)管結(jié)構(gòu)長度在十幾到幾十厘米，截面直徑在數(shù)毫米，具有較大長度與截面直徑比，該特征結(jié)構(gòu)使得毛細(xì)管中的高溫高密度能夠維持較長時間，因此等離子體具有較好的均勻性和空間穩(wěn)定性。這有利于提高光源輸出功率穩(wěn)定性。

　　圖1所示為典型毛細(xì)管放電裝置示意圖［5］。

　　高壓電極布置在毛細(xì)管兩端。毛細(xì)管中填充Xe等氣體，充氣氣壓通常為幾帕至幾百帕。如圖1所示，毛細(xì)管放電裝置結(jié)構(gòu)包含電極陽極、毛細(xì)管、陰極、Xe氣注入通道。去離子水冷卻裝置環(huán)繞電極陰極和陽極。毛細(xì)管長度和直徑均為放電裝置的重要參數(shù)，需要結(jié)合脈沖電流波形設(shè)計選擇。毛細(xì)管EUV光源在工作時，首先會向其施加預(yù)脈沖，填充的Xe氣在預(yù)脈沖作用下放電產(chǎn)生初始等離子體。在一定時延之后，通過高壓電極向毛細(xì)管施加高壓脈沖。此時，毛細(xì)管中流過的強(qiáng)電流脈沖將會沿毛細(xì)管產(chǎn)生環(huán)形磁場。初始等離子體在強(qiáng)洛倫茲力的作用下向毛細(xì)管軸心Z箍縮，形成高溫高密度等離子體，輸出EUV輻射。毛細(xì)管EUV裝置結(jié)構(gòu)較為簡單，容易實現(xiàn)裝置小型化。毛細(xì)管放電EUV光源自誕生之初就受到廣泛的關(guān)注。哈爾濱工業(yè)大學(xué)可調(diào)諧（氣體）激光技術(shù)國家級重點(diǎn)實驗室對毛細(xì)管放電技術(shù)進(jìn)行了一系列深入研究［6-7］。其實驗平臺如圖2所示。

　　基于毛細(xì)管放電Z箍縮Xe等離子體EUV光源實驗平臺，哈爾濱工業(yè)大學(xué)相關(guān)學(xué)者探究了施加預(yù)-主脈沖延時和Xe氣流量對輸出特性的影響，探索了低氣壓下毛細(xì)管放電產(chǎn)生EUV的電流閾值、毛細(xì)管內(nèi)徑、電極距離對等離子體狀態(tài)和光譜的影響。還嘗試了在Xe中混合He、Ne或Ar等氣體，優(yōu)化放電介質(zhì)，研究了輔助氣體對Xe放電的影響。實驗結(jié)果表明，采用Xe/He混合氣體可以提高光源輻射功率，但電源穩(wěn)定性變差。采用Xe/He/Ar混合氣體時，可以在提高光源輻射功率的同時保證電源系統(tǒng)穩(wěn)定性［8-11］。

　　除了充入氣體作為放電介質(zhì)產(chǎn)生初始等離子體外，也可以在毛細(xì)管管壁添加涂層，利用初始脈沖消融涂層材料產(chǎn)生初始等離子體。毛細(xì)管直徑越小，管壁消融效應(yīng)越強(qiáng)烈。管壁消融毛細(xì)管增加了等離子體材料的選擇范圍，使固體材料也能得到利用。消融型毛細(xì)管放電裝置的結(jié)構(gòu)更加簡單，但在工作過程中會產(chǎn)生更多的碎屑，其壽命也受到限制［12］。

　　2.2激光輔助放電EUV光源

　　與毛細(xì)管放電EUV光源采用氣體介質(zhì)不同，激光輔助放電光源通常采用Sn作為初始等離子體產(chǎn)生介質(zhì)。氣體放電等離子體通常為靜態(tài)固體電極結(jié)構(gòu)，電能經(jīng)過電極結(jié)構(gòu)傳輸至等離子體，會引起電極結(jié)構(gòu)燒蝕。此問題在激光輔助放電等離子體裝置中可以得到較好解決。激光輔助放電光源的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示［13］。

　　圖3激光輔助等離子體裝置結(jié)構(gòu)在此結(jié)構(gòu)中，兩個可以轉(zhuǎn)動的圓盤作為正負(fù)電極。圓盤邊緣涂有Sn介質(zhì)。工作時，圓盤轉(zhuǎn)動，激光器發(fā)出激光脈沖照射靶材Sn，產(chǎn)生初始等離子體。隨后初始等離子體在正負(fù)電極中部匯聚，Z箍縮效應(yīng)下產(chǎn)生高溫高密度等離子體，實現(xiàn)EUV的輸出。通常，為了保證光源的長時安全穩(wěn)定運(yùn)行，通常充入惰性氣體氬氣作為環(huán)境介質(zhì)。與激光等離子體相比，激光輔助放電等離子體將電能直接轉(zhuǎn)換為等離子體能量，減少了電能向激光光能的轉(zhuǎn)化過程，具有更高的轉(zhuǎn)換效率。

　　激光輔助放電極紫外光源的技術(shù)路線具有更高的轉(zhuǎn)換效率和低碎屑水平，對提高光源輸出功率、減小光學(xué)系統(tǒng)損傷、延長系統(tǒng)使用壽命具有重要作用［14］。

　　2.3等離子體焦點(diǎn)EUV光源

　　等離子焦點(diǎn)EUV光源典型放電結(jié)構(gòu)如圖4所示［15］。

　　放電部分由圓筒狀電極和同軸柱狀電極構(gòu)成。當(dāng)兩電極間施加脈沖電壓時，將會在其間隙形成放電通道，在洛倫茲力作用下箍縮，在柱狀電極端部形成高溫高密度等離子體匯聚區(qū)域，從而輸出 EUV。這種放電結(jié)構(gòu)體積較小，外部回路電感較小，電能轉(zhuǎn)換率較高，同時具有較大的光源收集角。

　　與毛細(xì)管放電相比，等離子體焦點(diǎn)放電的一致性較差，光源輸出穩(wěn)定性較差。此外，中心柱狀電極燒蝕較為嚴(yán)重，會產(chǎn)生較多碎屑，不利于整體裝置的長時穩(wěn)定運(yùn)行。因此，等離子體焦點(diǎn)技術(shù)需要對放電電極壽命和碎屑收集給予足夠重視。

　　2.4空心陰極觸發(fā)等離子體EUV光源

　　許多文獻(xiàn)對此種放電形式進(jìn)行了研究，包括放電和等離子體形成過程等，但大多數(shù)集中在對工程問題的解決上，例如電源功率控制、電極壽命研究、光源收集裝置的保護(hù)。目前，Xe氣仍作為空心 陰極觸發(fā)放電的填充氣體，但實驗結(jié)果證明其轉(zhuǎn)換效率低，不能滿足光源功率要求。為提高轉(zhuǎn)換效率，利用Sn作為輻射物的研究正在進(jìn)行。中空陰極觸發(fā)等離子體典型結(jié)構(gòu)如圖5所示［16］。

　　開關(guān)上下電極中部開孔，下電極的開孔較大， 作為EUV的輸出端。與其他幾種放電結(jié)構(gòu)相比，該技術(shù)方案的 EUV收集角較大，有利于提高 IF 處光源輸出功率。

3極紫外光源工業(yè)化現(xiàn)狀

　　1988年，極紫外光刻的概念被首度提出，此后，世界范圍展開了大量的實驗研究，獲得了200 nm節(jié)點(diǎn)的分辨率。20世紀(jì)90年代初，貝爾實驗室、美國圣地亞國家實驗室等重點(diǎn)實驗室開展了極紫外光刻研究；1997年，摩托羅拉、因特爾等企業(yè)聯(lián)合成立了研究機(jī)構(gòu)并對多所國家重點(diǎn)實驗室提供資金支持開展極紫外光刻技術(shù)研發(fā)，這極大推動了極紫外光刻技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程。

　　2003年Xtreme公司利用Xe氣在頻率1 kHz條件下放電，研發(fā)出了XTS 13-35 DPP極紫外光源樣機(jī)，該樣機(jī)在2π立體角內(nèi)獲得35 W極紫外輻射功率。這是該公司的第一臺商用樣機(jī)。

　　2004年，荷蘭 Philips 公司成功研制出 Nova Tin光源，該光源采用 Sn作為工作介質(zhì)，可以實現(xiàn)200 W的13.5 nm極紫外光輸出。此后，該公司對該光源不斷改進(jìn)，于2010年將輸出功率提高到 420 W，IF處輸出功率34 W。

　　2006年ASML公司激光輔助等離子體光源安裝了α樣機(jī)，但其IF處功率過低，不滿足工業(yè)化要求。2010年ASML公司成功安裝第二代曝光機(jī)NEX: 3100,其IF點(diǎn)功率達(dá)到100 W，滿足生產(chǎn)需求。該公司未來產(chǎn)品NEX：3100B、NEX：3100C 預(yù)計可以在 IF 點(diǎn)獲得 250 W 和 300 W 功率輸出。

　　國內(nèi)從事極紫外光刻技術(shù)研究的主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國原子能研究院、上海光機(jī)所等研究機(jī)構(gòu)。其中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)相關(guān)研究開始最早，其可調(diào)諧（氣體）激光技術(shù)國家級重點(diǎn)實驗室與中國原子能研究院合作搭建了基于毛細(xì)管放電產(chǎn)生軟X射線的實驗平臺，并進(jìn)行了大量毛細(xì)管放電產(chǎn)生極紫外光的相關(guān)研究。

4結(jié)論

　　極紫外光刻技術(shù)是新一代光刻技術(shù)，有著光明的應(yīng)用前景。極紫外光源是極紫外光刻的核心技術(shù)，主要包括三種技術(shù)方案，即同步輻射源、激光等離子體光源、氣體放電等離子體光源。其中，氣體放電等離子體光源結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)換率高，適合大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。氣體放電等離子體技術(shù)又包括毛細(xì)管等離子體光源、激光輔助等離子體光源、等離子體聚焦光源和空心陰極觸發(fā)等離子體光源。國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)仍在對極紫外光源技術(shù)不斷探索，推動其工業(yè)化應(yīng)用步伐。

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