氣體放電等離子體（DPP）極紫外光源研究進(jìn)展*

趙紅軍，李昊罡，顏 亮，3，李 川（.綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，四川綿陽6000；.西安交通大學(xué)，電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安70049；3.南方電網(wǎng)綜合能源有限公司，廣東廣州50075）

綜述與評論

氣體放電等離子體（DPP）極紫外光源研究進(jìn)展*

趙紅軍1，李昊罡2，顏 亮2，3，李 川1
（1.綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，四川綿陽621000；2.西安交通大學(xué)，電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049；3.南方電網(wǎng)綜合能源有限公司，廣東廣州510075）

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。

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

O 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 U1travio1et 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(shí)現(xiàn)：各種同步輻射源、激光等離子體（Laser Produced P1asma，LPP）EUV光源、氣體放電等離子體（Discharge Produced P1asma，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(shí)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。

1 EUVL光刻技術(shù)對光源要求

在實(shí)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(shí)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)

表1中所列舉的EUV光源指在焦點(diǎn)處可收集到的功率。實(shí)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)（Co1orado 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(shí)現(xiàn)了毛細(xì)管放電類氖氯產(chǎn)生46.9 nm的激光，并實(shí)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K1osner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(shí)驗(yàn)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(shí)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］。

圖1 毛細(xì)管放電裝置典型結(jié)構(gòu)

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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺如圖2所示。

圖2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)極紫外光源研究平臺

基于毛細(xì)管放電Z箍縮Xe等離子體EUV光源實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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］。

圖4 等離子焦點(diǎn)技術(shù)典型結(jié)構(gòu)

圖5 中空陰極觸發(fā)等離子體典型電路結(jié)構(gòu)

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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室、美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室等重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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Phi1iPs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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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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The recent Progress of dis?
charge Produced P1asma extreme u1travio1et source

Zhao Hongjun1，Li Haogang2，Yan Liang2，3，Li Chuan1
（1.DePartment of Information Engineering，M ianyang Po1ytechnic，M ianyang 621000，China；2.State Key Laboratory of E1ectrica1 Insu1ation and Power EquiPment，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China；3.China South Power Grid Synthesis Co.Ltd，Guangzhou 510075，China）

：Extreme u1travio1et 1ithograPhy（EUVL）is regarded as the most Promising 1ithograPhy technique in the next generation，which P1ays an imPortant ro1e in Promoting the deve1oPment of integrated circuit industry.Extreme u1travio1et（EUV）source is the fundamenta1of the EUVL，and its technica11eve1 confines the EUVL deve1oPment.Discharge Produced P1asma（DPP）EUV source characterized by simP1e structure，high conversion efficiency which is suitab1e for 1arge-sca1e commerce aPP1ication and it has a bright aPP1ied ProsPect.Current1y，DPP EUV source inc1uded caPi11ary discharge EUV source，1aser assisted discharge Produced P1asma EUV source，dense P1asma focus EUV source and ho11ow cathode triggered P1asma Pinch EUV source，etc.In recent years，EUVL has been in the raPid industria1ization Process.The overview of DPP source and the recent Progress cou1d acce1erate the deve1oPment in re1ated fie1ds of our country.

EUV source；DPP；caPi11ary discharge；1aser assisted discharge；dense P1asma focus；ho11ow cathode triggered P1asma Pinc

TN23

A

10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.003

趙紅軍，李昊罡，顏亮，等.氣體放電等離子體（DPP）極紫外光源研究進(jìn)展［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，35（9）：8-11.

四川省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（14ZB0267）

2016-01-13）

趙紅軍（1980 -），男，碩士，講師，主要研究方向：電力拖動，信號處理。

李昊罡（1988 -），男，碩士，主要研究方向：高壓電技術(shù)。

顏亮（1986 -），男，碩士，工程師，主要研究方向：建筑節(jié)能。