實現(xiàn)極紫外寬帶光源的最高轉(zhuǎn)換效率

中國科學院上海光學精密機械研究所林楠研究員提出了一種基于空間束縛激光錫等離子體的寬帶極紫外光高效產(chǎn)生方案，可用于先進節(jié)點半導體高通量量測，該方案獲得了高達52.5%的轉(zhuǎn)換效率，是迄今為止報道的極紫外波段最高轉(zhuǎn)換效率，與目前商用的高次諧波光源相比轉(zhuǎn)換效率提升約6個數(shù)量級。研究論文以“空間束縛等離子體極紫外寬帶光源高轉(zhuǎn)換效率實驗研究”為題發(fā)表在《激光與光電子學進展》第3期，被選為封面文章。

封面解讀

封面展現(xiàn)了可用于芯片三維結(jié)構(gòu)檢測的高效極紫外寬帶光源產(chǎn)生。在先進節(jié)點半導體量測中，寬帶極紫外計量已經(jīng)展現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢，本文提出的基于空間束縛激光錫等離子體的寬帶極紫外光產(chǎn)生方案，可為未來半導體先進節(jié)點高通量量測的發(fā)展提供技術支撐。

文章鏈接：何梁, 胡楨麟, 王天澤, 林楠, 冷雨欣. 空間束縛等離子體極紫外寬帶光源高轉(zhuǎn)換效率實驗研究[J]. 激光與光電子學進展, 2025, 62(3): 0314001.

1、研究背景

目前，半導體芯片制造中3 nm制程已實現(xiàn)量產(chǎn)，并且正在向更高制程邁進。極紫外（EUV）光不僅應用于EUV光刻，還廣泛用于先進制程芯片中關鍵工藝的計量與檢測，包括光刻膠的光化缺陷檢測和研究、關鍵尺寸（CD）、套刻誤差（Overlay）和邊緣放置誤差（EPE）測量等。先進節(jié)點的芯片特征尺寸縮小到納米尺度，使得不同層之間的對準出現(xiàn)了巨大的挑戰(zhàn)。

此外，隨著先進節(jié)點下全環(huán)繞晶體管（GAA FET）這類復雜三維結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，基于可見光光源的散射測量方法已經(jīng)無法達到先進節(jié)點工藝所要求的量測精度。最新研究報道顯示，基于10~20 nm寬帶EUV光源的散射測量方法具有顯著優(yōu)勢：一是采用EUV波段相比于可見光波段可獲得更高的空間分辨率；二是采用EUV波段可以從散射信號中提取出輪廓信息；三是該波段攜帶了更多的物理信息?；诖?，發(fā)展EUV寬帶光源對先進節(jié)點下半導體芯片制造過程中的量測至關重要。

2、研究原理

（1）激光等離子體極紫外寬帶光源實驗系統(tǒng)

圖1為激光等離子體極紫外（LPP-EUV）寬帶光源實驗系統(tǒng)，主要包括真空腔室、EUV光譜儀、EUV能量計、真空泵組、錫靶和等離子體驅(qū)動光源等。錫靶安裝在四維調(diào)節(jié)裝置上，四維調(diào)節(jié)裝置可實現(xiàn)錫靶的X、Y、Z和角度調(diào)節(jié)。真空腔室由真空泵組進行抽氣，保持真空度為1×10-5帕斯卡。等離子體輻射由EUV平場光譜儀和EUV能量計進行測量。LPP-EUV寬帶光源的驅(qū)動光源為一臺Nd: YAG脈沖激光器，輸出波長為1064 nm、激光器出口光斑直徑為8.5 mm、輸出脈寬為5.8 ns、最大輸出能量為600 mJ。此外，激光光束在錫靶上的聚焦光斑大小通過改變聚焦透鏡焦距和移動靶面改變離焦距離實現(xiàn)。

圖1 LPP-EUV寬帶光源實驗布局圖

錫等離子體發(fā)射的13.5 nm（2%帶寬）輻射能量是通過自研的EUV能量計實現(xiàn)測量。EUV能量計由一組Mo/Si多層膜平面鏡、光闌和光電二極管組成。EUV輻射經(jīng)過一對Mo/Si多層膜平面鏡反射后，通過直徑為4 mm的光闌對EUV光立體角進行限制，照射到鍍有鋯膜的光電二極管陣面上，最終由示波器記錄信號。

圖2 EUV光譜儀

為了研究LPP-EUV寬帶光源的輻射特性，自研了一套覆蓋10~20 nm波段EUV光譜儀。如圖2所示，EUV光譜儀由收集模塊和色散模塊組成，錫等離子體產(chǎn)生的輻射先經(jīng)過收集模塊收集后再傳輸?shù)缴⒛K。收集模塊由鍍金平面反射鏡和Kirkpatrick-Baez反射鏡組成。色散模塊采用平場掠入射結(jié)構(gòu)，可以將光譜平直的成像到焦平面上，由平場EUV光柵和CCD組成。

（2）寬帶EUV輻射轉(zhuǎn)換效率表征方法

圖3 效率表征。（a）金鏡反射率；（b）EUV光柵衍射效率；（c）CCD量子效率；（d）EUV光譜儀傳輸效率

為了獲得LPP-EUV寬帶光源在10-20 nm輻射能量和轉(zhuǎn)換效率，EUV光譜儀采用Si的吸收邊和Sn離子發(fā)射的特征譜線進行波長標定。此外，EUV光譜儀對不同波長EUV光響應率不同，因此需要對EUV光譜儀傳輸效率進行矯正。EUV光譜儀的傳輸效率由反射鏡反射效率、EUV光柵衍射效率和CCD探測器量子效率組成。圖3（a）、（b）和（c）分別為金鏡反射率、EUV光柵衍射效率和CCD探測器量子效率。圖3（d）EUV光譜儀傳輸效率為EUV光譜儀各個光學元件效率的乘積。獲得EUV光譜儀傳輸效率曲線后，將EUV光譜儀的實測光譜數(shù)據(jù)除以傳輸效率曲線，即可獲得EUV光譜的真實強度分布。進一步通過EUV能量計對EUV光譜儀進行校準后，可以獲得EUV光譜儀矯正后的光譜強度和絕對光子數(shù)之間的矯正系數(shù)。

3、結(jié)果與討論

圖4展示了不同激光峰值功率密度下首次轟擊和第二次轟擊同一錫靶表面位置時的EUV光譜。在激光錫等離子體中，10~20 nm波段的EUV輻射來自于不同電離態(tài)和激發(fā)態(tài)的Sn離子，特別是Sn8+-Sn14+的4p64dN-4p54dN+1和4dN-4dN-14f (N=6~0)共振態(tài)占據(jù)了主要的EUV發(fā)射。

圖4 在不同激光峰值功率密度下首次脈沖和第二次脈沖的EUV光譜

如圖4所示，觀測到第二次脈沖轟擊產(chǎn)生的EUV光譜相較于首次脈沖存在明顯的光譜加寬。當激光峰值功率密度較低時，第二次脈沖產(chǎn)生的錫等離子體輻射明顯增加。當激光峰值功率密度較高時，第二次脈沖產(chǎn)生的等離子體在13.2-14.4 nm波段的輻射強度下降，EUV光譜加寬，出現(xiàn)了明顯的自吸收效應。這是由于等離子體的離子和電子密度增加，導致錫等離子體對13.5 nm附近EUV輻射吸收增加。

圖5 在不同激光峰值功率密度下第一次脈沖和第二次脈沖的轉(zhuǎn)換效率。（a）13.5 nm（2%帶寬）轉(zhuǎn)換效率；（b）10~20 nm總轉(zhuǎn)換效率

為評估錫等離子體的發(fā)光效率，計算了13.5 nm（2%帶寬）轉(zhuǎn)換效率（CE13.5 nm）和10-20 nm總轉(zhuǎn)換效率（CE10~20 nm）。如圖5所示，在首次激光脈沖時，CE13.5 nm和CE10~20 nm隨著激光功率密度提升而增加，最高分別為3.3%和43.9%。這是由于隨著激光能量的提升，等離子體電子溫度升高，靶面燒蝕作用加強，EUV發(fā)射變強。對比首次脈沖和第二次脈沖，當激光峰值功率密度小于1×1010W/cm2時，第二次脈沖的CE13.5 nm更高。當峰值功率密度大于1×1010W/cm2時，第二次脈沖的CE13.5nm降低。而第二次脈沖在不同峰值功率密度下都會有效的提升CE10~20 nm，最高CE10~20nm可達52.5%，與第一發(fā)產(chǎn)生ce結(jié)果相比提升約20%。這是由于第二次脈沖下的錫等離子體雖然發(fā)射增強，但隨著激光峰值功率密度升高，錫等離子體的光厚急劇增加，13.5 nm處的自吸收愈發(fā)嚴重。

圖6 第一次激光脈沖和第二次激光脈沖燒蝕靶面的對比

已有研究表明，到凹槽型靶面會導致等離子體在膨脹過程中被有效的約束和加熱，最終延長了極紫外發(fā)光時間和增大了發(fā)射面積。圖6展示了臺階儀測量第一次和第二次脈沖激光燒蝕錫靶表面形貌，激光在燒蝕靶面后會出現(xiàn)凹槽。激光燒蝕形成的凹槽對后續(xù)脈沖產(chǎn)生的錫等離子體進行有效的約束，在形成有效等離子體發(fā)射條件的同時也增加了等離子體光厚。

4、總結(jié)與展望

本文針對先進節(jié)點半導體量測對桌面式EUV寬帶光源的發(fā)展需求，開展了激光產(chǎn)生錫等離子體10-20 nm波段寬帶輻射的優(yōu)化研究。原位第二次脈沖實現(xiàn)了高達52.5%的轉(zhuǎn)換效率（2π立體角，10-20 nm），是迄今為止報道的極紫外波段最高轉(zhuǎn)換效率，與目前商用的高次諧波光源相比轉(zhuǎn)換效率提升約6個數(shù)量級。相關研究結(jié)果可用于下一代半導體高通量原位量測。