Lithografiemaschinen der nächsten Generation, die neueste Mitteilung von ASML

Kürzlich haben Forscher von Carl Zeiss SMT und ASML ein technisches Papier veröffentlicht. In dem Artikel untersuchen die Forscher die Hyper-NA-EUV-Lithografie mit einer numerischen Apertur von mindestens 0,75 als Weg über das aktuelle 0,55-NA-Hoch-NA-System hinaus, einschließlich optischer Architektur, Auflösungspotenzialen, 3D-Effekten von Masken, Polarisation und den Anforderungen zur Erweiterung des bestehenden EUV-Ökosystems.

Unten finden Sie die Übersetzung des Originalartikels:

EUV-Scanner mit einer numerischen Apertur (NA) von 0,55 sind kürzlich auf den Markt gekommen und entwickeln sich derzeit in Richtung der Massenproduktion. Angesichts des langen Produktentwicklungszyklus von EUV-Scannern stellt sich bereits die Frage nach dem Nachfolgeprodukt des NA-0,55-Scanners.

Wir schlagen das Konzept eines EUV-Scanners mit einer numerischen Apertur von mindestens 0,75 vor, der als Hyper-NA-Scanner bezeichnet wird. Hyper NA sollte in der Lage sein, so viel wie möglich von der bestehenden lithografischen Infrastruktur wiederzuverwenden, z. B. Masken, Lichtquellen und die Produktionsanlagen zur Herstellung dieser Scanner.

Hyper NA kann NA 0,75 in fast demselben Volumenbereich wie die aktuellen NA-0,55-Scanner unterstützen. Bestehende Lichtquellen können direkt wiederverwendet werden, und moderne Maskenabsorber wie low-n oder high-k reichen auch für High NA aus. Die Erhöhung der NA und damit die Einführung von Hyper NA ist eine bessere Alternative zu den aktuellen NA-0,55-Scannern, da sie einen infrastrukturkompatiblen Weg bietet.

Unter den in diesem Artikel berücksichtigten Kriterien – Aufrechterhaltung der Kontinuität mit der aktuellen 13,5-Nanometer-EUV-Plattform, Wiederverwendung von Lichtquellen- und Maskeninfrastruktur, Kompatibilität mit etablierten Scanner-Herstellungstechnologien und begrenzte Änderungen des Scanner-Volumens – ist Hyper-NA die direkteste Erweiterung der aktuellen EUV-Scanner-Architektur.

Roadmap zu Hyper NA

Abbildung 1 gibt einen Überblick über alle früheren lithografischen optischen Systeme von Zeiss. Mit wenigen Ausnahmen folgen alle diese optischen Systeme derselben Kurve im Auflösungs-Zeit-Diagramm. Die Steigung dieser Kurve hat seit etwa 2010 abgenommen, was die zunehmende Zeit widerspiegelt, die die Branche benötigt, um höhere optische Auflösungen in kleinere Mustergrößen in der Massenproduktion umzuwandeln. Umgekehrt spiegelt die Verlängerung der Werkzeug-Iterationszyklen auch den größeren Aufwand wider, der für die Entwicklung dieser immer komplexeren optischen Systeme erforderlich ist.

Abbildung 1: Entwicklungsgeschichte der lithografischen Optik von Zeiss und ihrer entsprechenden optischen Auflösung

Durch direkte Extrapolation dieser Kurve lässt sich die Leistung des nächsten Generation-Werkzeugs leicht abschätzen: Es sollte eine optische Auflösung von 5 nm Half-Pitch haben und in etwa 10 Jahren einsatzbereit sein. Diese Auflösung von 5 Nanometern kann erreicht werden, indem die numerische Apertur (NA) auf mindestens 0,75 erhöht wird, weshalb sie als „Hyper-NA“ bezeichnet wird.

Abbildung 2: Projektionsobjektive haben unterschiedliche Designkategorien, auch als Faltgeometrien bezeichnet. Jede Faltgeometrie ist nur für einen bestimmten Wertebereich der numerischen Apertur (NA) geeignet.

Mit zunehmender numerischer Apertur von 0,25 auf 0,75 nimmt auch die Größe der Linsen zu. Der Übergang von Low-NA (0,33) zu High-NA (0,55) erfordert neue Produktionsanlagen zur Herstellung größerer Linsen, insbesondere neue Messtechniken, um die Form der Linsen während des Herstellungsprozesses zu messen. Die Auswirkungen dieser Änderungen beschränken sich jedoch auf den Linsenherstellungsprozess selbst und haben kaum Auswirkungen auf andere Bereiche.

Das steht im krassen Gegensatz zu den Folgen der Änderung der Faltgeometrie von NA 0,33 auf NA 0,55: Verschiedene Faltgeometrien führen zu einem erheblichen Anstieg der Systemgröße, was sich auf den Platzbedarf der Werkzeugnutzer und ihrer Fabriken auswirkt. Da der Übergang von NA 0,55 auf NA 0,75 in derselben Faltgeometrie erreicht werden kann, nimmt die Systemgröße kaum zu, wie in Abbildung 3 gezeigt, was eine fast nahtlose Einführung des Werkzeugs in die Fabrik ermöglicht. Darüber hinaus lässt es sich in die zukünftige hochproduktive Scanner-Plattform von ASML integrieren, die für alle numerischen Aperturen ab NA 0,33 universell ausgelegt ist.

Abbildung 3: Vergleich der Strahlengangsgröße von Hyper-NA (NA 0,75) mit seinem Vorgänger High-NA (NA 0,55). Hyper-NA-Designs mit NA-Werten bis zu 0,85 sind ebenfalls verfügbar; die daraus resultierende Vergrößerung der Systemgröße macht diese Lösung jedoch weniger attraktiv

Die numerische Apertur ist nicht auf 0,75 beschränkt; im Gegenteil, wir haben Optiken mit einer numerischen Apertur von bis zu 0,85 entworfen. Die Erhöhung der numerischen Apertur vergrößert jedoch die Systemgröße erheblich, was diese Lösung aus Sicht des Fabrikplatzbedarfs und der Herstellungskosten weniger attraktiv macht.

Maskeninfrastruktur

Die Hyper-NA-Technologie ermöglicht die Wiederverwendung des Großteils der bestehenden Infrastruktur. Für die Lichtquelle ist dies offensichtlich, aber es gilt auch für die grundlegende Maskentechnologie. Um dies zu erklären, verweisen wir auf Abbildung 4, die die Winkel darstellt, unter denen verschiedene Generationen von EUV-Lithografiemaschinenmasken liegen. Low-NA verwendet eine homogene Vergrößerung, sodass die Winkelverteilung (der Sinus des Winkels) nahezu kreisförmig ist. High-NA und Hyper-NA verwenden eine nicht-isomorphe Vergrößerung, d. h. die Vergrößerung in horizontaler und vertikaler Richtung ist unterschiedlich; daher ist die Winkelverteilung nahezu elliptisch mit einem Seitenverhältnis von etwa 1:2.

Abbildung 4: Das Diagramm zeigt den Vergleich der Winkelverteilung des EUV-Lichts an der Maske in Form eines Winkelraums. Das EUV-Licht kommt aus dem Beleuchtungssystem (unterhalb der zentralen horizontalen Linie im Diagramm) und wird dann von der Maske auf das Projektionsobjektiv reflektiert (oberhalb der zentralen horizontalen Linie im Diagramm), was die gespiegelte Struktur im Diagramm erklärt

Die Herausforderung besteht darin, den maximalen Winkel an der Maske zu begrenzen. Ein einfaches Skalieren wie im Fall von NA 0,55 würde den Sinus des maximalen Winkels um 36 % erhöhen. Das High-NA-Konzept umfasst jedoch Verbesserungen im optischen Design und im mechanischen Layout, die den maximalen Winkel erheblich reduzieren können. Der aktuelle Benchmark besteht darin, die Vergrößerung auf ihrem High-NA-Wert zu halten, d. h. 1/4 (für x) und 1/8 (für y), aber durch eine Änderung der Vergrößerung um einige Prozentpunkte kann der maximale Blickwinkel weiter (wenn auch geringfügig) verringert werden.

All diese Verbesserungen bedeuten, dass die maximalen Winkel, auf die ein Hyper-NA mit NA 0,75 trifft, nur geringfügig zunehmen. Um etwa 1 Grad im Vergleich zu High-NA-Werkzeugen ist diese Erhöhung sehr moderat, und wir erwarten, dass die aktuelle Maskeninfrastruktur ohne oder mit nur minimalen Änderungen wiederverwendet werden kann, was auch durch erste detaillierte Simulationen von Maskeneffekten bestätigt wird.

Bildgebungsvorteile von Hyper NA

Die durch Hyper-NA erzielte Erhöhung der numerischen Apertur kann auf zwei verschiedene Arten genutzt werden, die wir anhand von Abbildung 5 erläutern.

Abbildung 5: Vergleich der Bildkontraste bei drei verschiedenen Werten der numerischen Apertur (NA). Diagramm (a) zeigt den idealen Fall ohne Masken- und Vektoreffekte, Diagramm (b) berücksichtigt den Einfluss der begrenzten Pupillenfüllrate, und Diagramm (c) berücksichtigt zusätzlich den Einfluss der Resistverschmierung.

Abbildung 5(a) zeigt einen Vergleich, wie die Erhöhung der numerischen Apertur (NA) den verfügbaren Bildkontrast unter zunehmend realistischen Annahmen verändert: Der Bildkontrast hängt nur von den Beugungsordnungen ab, die am Wafer interferieren; daher tritt für jeden NA-Wert eine begrenzte Anzahl von stufenweisen Änderungen der Kontrastkurve auf. Wenn eine begrenzte Pupillenfüllrate eingeführt wird [Abbildung 5(b)], werden diese Sprünge geglättet, aber es treten immer noch Plateaus auf, die diskreten NILS-Werten entsprechen. Wenn der Einfluss der Resistunschärfe weiter berücksichtigt wird [Abbildung 5(c)], werden diese Plateaus leicht geneigt, zumindest bei kleinen Half-Pitch-Werten. (Die Resistunschärfe wird als Gauß-Faltung des Raumbildes beschrieben. Der verwendete Unschärfeparameter beträgt 2,0 nm (1-Sigma). Effekte der Resistdicke, Dünnfilmabsorption, Stehwelleneffekte oder 3D-Masken-/Resisteffekte sind hier nicht enthalten.)

Die zwei Pfeile in Abbildung 5(c) markieren zwei verschiedene Wege, die Vorteile der erhöhten NA zu nutzen: Eine Möglichkeit besteht darin, sie zu nutzen, um die gedruckten Strukturen zu verkleinern (unter der Voraussetzung, dass NILS unverändert bleibt); der andere Weg besteht darin, die erhöhte NA zu nutzen, um den Bildkontrast zu verbessern, ohne die Strukturgrößen zu verkleinern, wodurch die Ausbeute in der Massenproduktion gesteigert wird.

Vektoreffekte und die Notwendigkeit einer polarisierten Beleuchtung

Bei der Diskussion der Hyper-NA-Technologie stößt man häufig auf das Thema Vektoreffekte: Wenn es große Winkelabstände zwischen den Beugungsordnungen am Wafer gibt (d. h. bei sehr kleinen Strukturen), kann nur eine von zwei Polarisationsrichtungen ein Raumbild mit vollem Kontrast erzeugen.

Ohne Vektoreffekte (und unter Vernachlässigung von Maskeneffekten zur Vereinfachung der Diskussion) würde bei einem festen k1-Wert – d. h. bei geeigneter Anpassung der numerischen Apertur für jeden Pitch – der Kontrast des Raumbildes unabhängig vom Pitch sein (wie die rote Kurve in Abbildung 6 zeigt). Wenn jedoch die Vektoreffekte berücksichtigt werden (was der Realität entspricht), variiert der Kontrast auch bei unverändertem k1 mit dem Pitch. Bei unpolarisierter Beleuchtung zeigt sich dies als grüne Kurve im Diagramm. Je nach Anwendungsszenario kann die Verwendung von polarisierter Beleuchtung diesen Kontrastverlust mildern (siehe blaue Kurve in Abbildung 6).

Abbildung 6: Bei Verwendung von unpolarisierter Beleuchtung reduzieren Vektoreffekte den Bildkontrast. Je nach Anwendungsszenario kann dieser Verlust durch polarisierte Beleuchtung gemildert werden

Abbildung 7(a) zeigt zwei der extremsten Anwendungsszenarien: Linien/Lücken und quadratische Kontakte. Die entsprechende Beleuchtungspupille ist in Abbildung 7(b) dargestellt. Für einen einzelnen Pol der Beleuchtungspupille sind die zugehörigen Beugungsordnungen in Abbildung 7(c) gezeigt, wobei angegeben ist, welche Beugungsordnungen interferieren. Bei quadratischen Kontakten beleuchtet jeder Beleuchtungspol bei den in EUVL verwendeten k1-Werten sowohl die horizontalen als auch die vertikalen Kanten der Struktur.

Abbildung 7: a) Entsprechende Strukturen, (b) entsprechende Beleuchtungspupille, (c) für einen Beleuchtungspol (schwarz), andere Beugungsordnungen (grau) und welche Beugungsordnungen interferieren können (blau), sowie (d) für jedes Interferenzpaar die optimale Polarisationsrichtung (rot)

Für ein gegebenes Paar von Beug