張興強,王 騏
(1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 理學(xué)系,湖北 十堰 442002;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 可調(diào)諧激光技術(shù)國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱150001)
電子工業(yè)領(lǐng)域半導(dǎo)體元器件的生產(chǎn)和集成電路制造是國家走向現(xiàn)代化的技術(shù)保障,而超大規(guī)模集成電路(VLSI)既是微電子學(xué)的主體,也是電子工業(yè)的核心。為實現(xiàn)我國集成電路專用設(shè)備的跨越式發(fā)展,國家將2020年實現(xiàn)45~22 nm刻線制定為微電子中長期發(fā)展規(guī)劃。自集成電路問世,電路的最小特征線寬遵循摩爾定律 (每3年減小約30%)的變化規(guī)律。隨著集成度的提高,表征VLSI工藝水平的電路最小特征線寬已進(jìn)入納米范圍[1]。
傳統(tǒng)的光學(xué)光刻技術(shù)采用投影方法將掩模板上大規(guī)模集成電路的結(jié)構(gòu)圖形“刻”在涂有光刻膠的硅片上[2]。在此基礎(chǔ)上,隨著對光刻分辨率要求的提高,又發(fā)展出深紫外光刻[3-4]、極紫外光刻(EUVL)、電子束投影光刻、離子束投影光刻等。光學(xué)光刻受衍射效應(yīng)的約束,最小分辨率無法突破R為0.2 μm的極限;電子束投影光刻可以獲得很高的分辨率,但較低的生產(chǎn)效率、昂貴的生產(chǎn)設(shè)備和繁瑣的電子注入易增加生產(chǎn)成本,不適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn);離子束投影光刻具有更高的分辨率,但因生產(chǎn)效率、設(shè)備投入和技術(shù)因素等方面的問題尚未解決,也不不適于工業(yè)應(yīng)用。極紫外光刻是傳統(tǒng)的光學(xué)光刻方法向極紫外(EUV)波段的延伸,它采用光學(xué)系統(tǒng)將掩模板上的圖形縮小成像在光致抗蝕劑上,其優(yōu)勢體現(xiàn)在:具有很高的分辨率(30 nm,甚至達(dá)到7 nm);具有一定的產(chǎn)量優(yōu)勢;圖形縮小成像降低了掩模板制作的難度;繼承了傳統(tǒng)的光學(xué)光刻方法,易被VLSI廠商接受;比較符合設(shè)計規(guī)則,受到IC設(shè)計人員的歡迎;所需的費用低,降低了生產(chǎn)成本。這些優(yōu)勢促使許多發(fā)達(dá)國家甚至一些發(fā)展中國家都在積極投資,努力研發(fā)極紫外光刻設(shè)備,爭取在國際先進(jìn)光刻技術(shù)市場上占有一席之地[5-10]。
根據(jù)瑞利法則和焦深公式,要同時滿足光刻的分辨率和焦深要求,合理的辦法是縮短曝光波長。然而隨著波長的縮短,物質(zhì)對光的吸收加強,尋找合適的反射鏡材料成為極紫外光刻研究中無法回避的難題。鉬硅多層反射鏡對10~16 nm的極紫外光有高達(dá)30%~70%的反射率,特別是在13.5 nm附近,反射率峰值高達(dá)65%。極紫外光刻的另一關(guān)鍵問題是光刻膠的抗蝕性能。采用PMMA型無顆粒光刻膠,對13.5 nm的輻射僅需5~10 mJ/cm2的感光量。如果光源采用重復(fù)頻率工作,即使較低的輻射也能滿足光刻要求。
極紫外光源主要采用3種裝置方案:同步輻射源、激光等離子體(LPP)EUV光源、氣體放電等離子體(DPP)EUV 光源。 同步輻射源(0.6~1.0 nm)是當(dāng)前亮度最高的X射線源,可降低接觸曝光的像場邊緣的陰影效應(yīng),獲得高分辨率和較大的焦深。但這種X射線源造價高,電子的注入繁瑣,不適合工業(yè)生產(chǎn)。LPP極紫外光源歷經(jīng)幾十年的發(fā)展,在選取靶材和提高能量轉(zhuǎn)換效率等方面都取得了長足的進(jìn)步,但能量的三級轉(zhuǎn)換不僅降低了轉(zhuǎn)換效率,且投資和運營成本也較高。DPP極紫外光源具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率,裝置結(jié)構(gòu)簡單,投資和運營成本低,易于操作,適合各種工業(yè)應(yīng)用。毛細(xì)管放電是4種氣體放電方式(等離子體聚焦、中空陰極等離子體、Z-箍縮和毛細(xì)管放電)之一,將毛細(xì)管放電應(yīng)用于極紫外光源研究近年來十分活躍[6,11]。
圖1 毛細(xì)管放電極紫外光刻光源演示裝置
圖2 主脈沖電路
毛細(xì)管放電具有很多優(yōu)勢,圖1是我國首臺毛細(xì)管放電極紫外光刻光源演示裝置,包括主脈沖電源、毛細(xì)管放電室、羅蘭圓譜儀、工控計算機等。主脈沖電源由初級充電、中間儲能脈沖形成和脈沖壓縮3個功能區(qū)組成,電路如圖2所示。初級充電區(qū)由交流接觸器、調(diào)壓器、大功率整流變壓器和三相全橋整流電路構(gòu)成,通過調(diào)壓器控制儲能電容C0的充電電壓;中間儲能脈沖形成區(qū)采用諧振式倍壓電路對中儲電容C1充電后,中儲電容再對脈沖變壓器放電,此區(qū)域的開關(guān)采用閘流管;脈沖壓縮區(qū)采用三級磁脈沖壓縮,脈沖壓縮比分別為6和4。最后一級磁開關(guān)直接與負(fù)載連接,磁開關(guān)飽和時短路放電,相當(dāng)于一個放電開關(guān),調(diào)節(jié)最后一級磁脈沖壓縮單元的電容可改變脈沖寬度。第一、二級磁開關(guān)磁芯的復(fù)位采用中儲電容C1的充電電流,最后一級磁開關(guān)磁芯的復(fù)位采用單獨的直流電源。主脈沖電路的工作過程為:電網(wǎng)電壓經(jīng)變壓器T升壓后,通過三相全橋整流電路對儲能電容C0充電至約5 kV。當(dāng)C0充電結(jié)束后,觸發(fā)閘流管K1導(dǎo)通,使大的儲能電容C0通過諧振式倍壓電路對中儲電容C1充電至10 kV左右;當(dāng)C1充電到最大值時,流過閘流管K1的電流變?yōu)榱?,K1自斷,此時閘流管K2導(dǎo)通,中儲電容通過脈沖變壓器PT對電容C2充電;當(dāng)C2充電到最大值時磁開關(guān)MS1的磁芯飽和,電感迅速下降,電容C2通過磁開關(guān)的飽和電感對C3迅速放電,C3電壓迅速上升,能量從C2轉(zhuǎn)移到C3,完成第一級磁脈沖壓縮。同理當(dāng)C3電壓達(dá)到最大值,磁開關(guān)MS2的磁芯飽和,C3通過磁開關(guān)的飽和電感對C4迅速放電,C4電壓上升,完成第二級磁脈沖壓縮;當(dāng)C4電壓達(dá)到最大值時,磁開關(guān)MS3的磁芯飽和,由于磁開關(guān)后面直接連有負(fù)載,C4短路放電,磁開關(guān)的飽和電感非常小,流過負(fù)載的電流脈寬很窄,幅值很大。從能量的角度估算,中儲電容每次將其存儲的100 J能量通過磁脈沖壓縮單元傳遞到最后一個電容C4,考慮到C1放電的效率以及磁開關(guān)的損耗,最后輸出到負(fù)載的脈沖能量為60~80 J。經(jīng)三級磁脈沖壓縮后電壓平均值約30 kV,在等效阻抗放電的條件下,當(dāng)重復(fù)工作頻率為200 Hz時,測得主脈沖電壓波形如圖3所示。單次工作時,測得主脈沖電壓和電流波形如圖4所示,可見,電壓達(dá)到約34 kV,持續(xù)時間為220 ns;電流峰值達(dá)到約32 kA,脈寬196 ns,上升沿100 ns。與設(shè)計電壓17.8~35.6 kV和電流峰值20~40 kA比較,主脈沖的工作性能和放電參數(shù)符合設(shè)計要求。
圖3 主脈沖200 Hz工作的電壓波形
圖4 主脈沖電壓
毛細(xì)管放電極紫外光刻光源演示裝置安裝完成后,對充氣的實際毛細(xì)管負(fù)載進(jìn)行了放電試驗。毛細(xì)管長度為10 mm、內(nèi)徑為5 mm,Al2O3陶瓷材料。當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)充入40 Pa氬氣、30 Pa氬氣和80 Pa氦氣時,利用羅蘭圓譜儀測得的等離子體光譜如圖5所示。為便于光譜比較和分析,測譜時考慮到所測極紫外光譜的范圍在10~50 nm,因此把羅蘭圓譜儀的中心波長設(shè)定在中間值35 nm附近,以最大限度地獲取較多的光譜信息。從圖5中可見,3種情況下中心波長設(shè)定在30.7 nm,這便于光譜對比。氦的 4條標(biāo)準(zhǔn)譜線 24.3 nm、25.6 nm、30.3 nm和53.7 nm,用羅蘭圓譜儀測得24.4 nm、25.6 nm、30.3 nm和 53.7 nm,如圖 5c中的 He1、He2、He3 和 He4 所示,中心波長30.7 nm左側(cè)的He1被放大了0.1 nm。其中He1和He2譜線明顯,He3可見,He4只顯出一個小尖峰。
圖5a中47.8 nm譜線比圖5b中的強,在圖5c中它仍然顯出一個小尖峰,從實驗現(xiàn)象可以判斷,這條譜線同時出現(xiàn)在氬等離子體和氦等離子體光譜中,必然出自同一來源,那么這條譜線既不是氬離子的,也不是氦離子的。毛細(xì)管用純凈的Al2O3陶瓷材料制作,強電流通過毛細(xì)管時,管壁很容易剝蝕,由此推測,47.8 nm譜線可能來自鋁離子或氧離子。與鋁離子或氧離子的標(biāo)準(zhǔn)譜線對比,發(fā)現(xiàn)Al6+的 2s2p33p (5S0)-2s2p33d (3D0) 躍 遷 產(chǎn) 生 的47.856 nm 譜線和 O3+的 2s23p-2p23s(1D)躍遷產(chǎn)生的47.6513 nm譜線都有很大的躍遷幾率。此外,圖5b中的28.3 nm譜線也出現(xiàn)在圖5c中,但在圖5a中測得它為28.2 nm,同理,28.2 nm譜線也應(yīng)該來源于鋁離子或氧離子。與鋁離子或氧離子的標(biāo)準(zhǔn)譜線對比,發(fā)現(xiàn)Al6+的2s2p4-2p5躍遷產(chǎn)生的28.266 nm譜線有很大的躍遷幾率,而O3+在28.2 nm附近沒有標(biāo)準(zhǔn)譜線。綜上可知,47.8 nm譜線應(yīng)該來源于Al6+。圖5c中的20.1 nm譜線很強,圖5b中它在20.5 nm譜線前露出一個小尖峰,在圖5a中完全被噪聲淹沒。與鋁離子的標(biāo)準(zhǔn)譜線對比,發(fā)現(xiàn)Al7+的2s22p3s-2s2p23d躍遷產(chǎn)生的 20.1804 nm和20.2893 nm譜線都有很大的躍遷幾率,這2條譜線與20.5 nm無關(guān)。從47.8 nm、28.2 nm和20.1 nm譜線的強度可以推測,氬等離子體有利于Al6+離子的產(chǎn)生,而氦等離子體有利于Al7+離子的產(chǎn)生。
圖5 40 Pa和30 Pa的氬等離子體光譜及80 Pa的氦等離子體光譜
圖5a中26.1 nm譜線非常強,在圖5b中測得26.2 nm,但在圖5c中這條譜線消失了,由此推測,這條譜線是氬等離子體的。與氬離子的標(biāo)準(zhǔn)譜線對比,發(fā)現(xiàn)Ar7+的2p63d-2p64f躍遷產(chǎn)生的26.250 nm、26.330 nm和26.350 nm譜線都有很大的躍遷幾率。事實上,Ar7+離子從12.0087 nm到23.0867 nm共產(chǎn)生9條標(biāo)準(zhǔn)譜線:2p63s-2p65p躍遷產(chǎn)生的12.0087 nm和12.0158 nm譜線;2p63s-2p64p躍遷產(chǎn)生的 15.8925 nm和 15.9180 nm譜線;2p63d-2p65f躍 遷 產(chǎn) 生 的 18.4258 nm、18.4302 nm和18.4308 nm譜線;2p63p-2p64s躍遷產(chǎn)生的22.9428 nm和23.0867 nm譜線,這些譜線都有很大的躍遷幾率。圖5a和圖5b中的15.3 nm譜線都很強,圖5b中的16.1 nm譜線遠(yuǎn)大于圖5a中的情況,但這2條譜線在圖5c中都消失了,因此它們是氬等離子體產(chǎn)生的??紤]Ar7+離子的標(biāo)準(zhǔn)譜線和譜線間隔,以及羅蘭圓譜儀的測量誤差,推測這2條譜線是15.8925 nm和15.9180 nm標(biāo)準(zhǔn)譜線,離中心波長30.7 nm向左側(cè)偏離越遠(yuǎn),譜線間隔被放大得越多,因為羅蘭圓譜儀測量光譜的探頭沿著羅蘭圓圈運動,探頭的接收面卻不是沿著羅蘭圓圈的曲面,而是平面,這樣所測的中心波長正好落在羅蘭圓圈上,誤差最小。偏離中心波長向左(短波長端)越遠(yuǎn),所測波長是羅蘭圓圈上真實值的投影,誤差越大;偏離中心波長向右(長波長端)越遠(yuǎn),所測波長是未達(dá)到羅蘭圓圈上真實值的截斷值,誤差也偏大。由于探頭平面的放置方位對后者有利,前者的誤差更大一些,這就是2條標(biāo)準(zhǔn)譜線15.8925 nm和15.9180 nm的間隔被放大得較多的原因。
直接放電試驗表明,充氣氣壓為30 Pa和40 Pa的氬氣在放電過程中都產(chǎn)生了Ar7+離子,2種氣壓下的放電電流峰值分別約28 kA和約34 kA,符合最初的設(shè)計要求。
毛細(xì)管放電極紫外光刻光源演示裝置在等效阻抗放電的條件下,測得放電電流峰值約32 kA;對30 Pa和40 Pa氬氣的實際負(fù)載放電時,測得放電電流峰值分別約28 kA和約34 kA。與設(shè)計的放電電流峰值20~40 kA相比,2種情況下的放電試驗結(jié)果都滿足放電要求。放電過程中同時也進(jìn)行了測譜試驗。當(dāng)氬氣氣壓為30 Pa和40 Pa時,都測到Ar離子的極紫外光譜。這表明整套裝置性能良好,可用于極紫外光刻光源的進(jìn)一步研究。
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