「EUV （极紫外光刻）」是一项什么样的技术？ 第1页

内容仅作为个人的学习用途，参考网站和文献见文后

简介

在沙子变成CPU的过程中，光刻的过程就是CPU生产的核心，这一过程就是在光刻机中完成的

先看一下光刻机的工作视频：

荷兰ASML公司 (全称： Advanced Semiconductor Material Lithography，目前该全称已经不作为公司标识使用，公司的注册标识为ASML Holding N.V)，中文名称为阿斯麦尔

ASML光刻机的基本工作原理如下图所示：

首先是激光器发光，经过矫正、能量控制器、光束成型装置等之后进入光掩膜台，上面放的就设计公司做好的光掩膜，之后经过物镜投射到曝光台，这里放的就是8寸或者12英寸晶圆，上面涂抹了光刻胶，具有光敏感性，紫外光就会在晶圆上蚀刻出电路。

同样地，这个过程说起来很简单，实际上超级复杂，ASML的光刻机靠着沉浸式及双机台等技术打败了原本由日本佳能、尼康公司占据的光刻机市场，别的不说，光是双机台技术就不知道有多高的要求了，芯片生产是nm级别的精度，两个机台的精度控制需要极高的工艺水平，也许差了几nm就可能导致报废。

从这里也可以看出光刻机的结构也很复杂，其中最重要的部分主要有激光器、物镜及工作台，其中激光器负责光源产生，而光源对制程工艺是决定性影响的，而且激光的产生过程需要耗费能量，这也是光刻机需要消耗大量电力的根源。

还有物镜系统，光刻机里面的光学镜片不是一两片，而是一套多达数十个光学镜片组成的系统，视不同结构，镜片数量可能达到20片以上，而且面积很大，有如锅盖一般大小，不仅制作复杂，还需要精确的反射控制，玩单反的爱好者就知道镜头设计是多么复杂的了，更何况光刻机使用的是超大、超多组镜片了。

还有就是工作机台，双机台大幅提高了晶圆生产的效率，可以一边测量一边曝光，但是双机台的控制又提高了复杂度，对工艺要求非常高。

光刻的基本原理

光刻，使用光在硅上印刷微小的图案，是批量生产计算机芯片的基本步骤。

光刻系统的本质是投影，光刻机发出的光投射通过具有图形的光罩并对感光硅晶圆曝光，晶圆上的光刻胶见光后会发生性质变化，从而使光罩上的图形复印到薄片上，具有电子线路图的作用。

光罩一般是芯片预设图案面积的四倍大，设计好的图案暴露在光线下，系统的光学器件会收缩并将图案聚焦到感光硅晶圆上。完成一个芯片图案后，通过晶圆微调便可以继续另一次图案打印。重复此过程，直到晶片被图案覆盖为止，从而完成了晶片芯片的一层。

制造一颗完整的微芯片，单层过程需要重复100次或以上，建立起一系列具有多层次的网络结构，构造出一个具有街道和建筑物的纳米级城市。根据每层的差异化，打印出的特征尺寸也不同，意味着所需求的光刻系统和光源技术也有所不同，比如用于最小特征尺寸的 EUV（极紫外光）系统和较大特征尺寸的 DUV（深紫外光）系统。

在过去的40年里，各种各样的光刻技术得到了发展

首先，采用全晶片扫描系统的一比一投影方案在20世纪70年代中期被引入。在该系统中，必须覆盖整个晶圆，而数值孔径(NA)不能做得足够大以获得更高的分辨率。然后我们在70年代末发展了减少投影曝光方案。随着缩小投影曝光系统的发展，实际分辨率的提高进程已经开始

在第一阶段，使用接触印刷方案制造大规模集成电路(LSI)芯片。在该方案中，使用了一种一对一的接触口罩。用10X标线[20]的光中继器制作掩模。这些是由图案发生器制作的。通过使用这种一对一掩模、接触式打印机和负色调抗蚀剂材料，我们制作了几代DRAMS，如1 kb, 4 kb, 16 kb和64 kb；通过使用这种接触式印刷系统，可以描绘出几微米范围内的图案。在这个系统中，缺陷的产生是主要问题。由于wafer和mask之间的接触，无法消除缺陷。将掩模与晶圆分离是解决这一问题的关键。为了解决这一问题，提出了一种投影曝光方案。通过这种投影系统，可以将掩模和晶圆分离，大大减少了缺陷。改进的第一阶段，光源为高压汞灯的g线，曝光波长为436 nm。NA为0.28，分辨率约为1um；NA从20世纪70年代末的0.28提高到80年代中期的0.5以上。然而，更高的NA系统会迅速失去焦点深度。在20世纪80年代末，我们在g线(436 nm)旁引入了i线(365 nm)曝光[H.I. Stover et al., Proc. SPIE 470 (1984) 22. && N. Hasegawa et al., Tech. Digest VLSI Tech. Symp. 78 (1985).]。也有几次尝试引入KrF准分子激光(248 nm)来代替i线光。进一步引入了ArF准分子激光(193 nm)[H. Nakagawa et al., IEEE 1989 VLSI Symp. Tech. Dig. (1989) 9.]。在ArF曝光的情况下，投影曝光系统也是一种单色系统，主要使用石英材料。之后进一步是13.5nm的EUV。

核心的光源系统

首先得说一下分辨率：

光刻机决定了半导体工艺的制程工艺，光刻机的精度跟光源的波长、物镜的数值孔径是有关系的，有公式可以计算：

光刻机分辨率=k1*λ/NA

k1是常数，不同的光刻机k1不同，λ指的是光源波长，NA是物镜的数值孔径，所以光刻机的分辨率就取决于光源波长及物镜的数值孔径，波长越短越好，NA越大越好，这样光刻机分辨率就越高，制程工艺越先进。

在现有技术条件上，NA数值孔径并不容易提升，目前使用的镜片NA值是0.33，大家可能还记得之前有过一个新闻，就是ASML投入20亿美元入股卡尔·蔡司公司，双方将合作研发新的EUV光刻机，许多人不知道EUV光刻机跟蔡司有什么关系，现在应该明白了，ASML跟蔡司合作就是研发NA 0.5的光学镜片，这是EUV光刻机未来进一步提升分辨率的关键，不过高NA的EUV光刻机至少是2025-2030年的事了，还早着呢，光学镜片的进步比电子产品难多了。

NA数值一时间不能提升，所以光刻机就选择了改变光源，用13.5nm波长的EUV取代193nm的DUV光源，这样也能大幅提升光刻机的分辨率。

光刻机主要分为紫外光源（Ultraviolet, UV）、深紫外光源(Deep Ultraviolet, DUV)、极紫外光源（Extreme Ultraviolet, EUV）。

最早的光刻机光源为汞灯产生的紫外光源（UV），其特征尺寸在微米级别，可以满足0.8-0.35 微米制程芯片的生产，为了适应 IC 集成度逐步提高的要求，之后行业领域内采用准分子激光的深紫外光源（DUV），将波长进一步缩小到 ArF 的193 nm，业内实际上通过浸入技术实现更高的分辨率，可以将最小制程工艺提高到22nm。

所谓浸入技术，就是让镜头和硅片之间的空间浸泡于液体之中，由于液体的折射率大于1，使得激光的实际波长会大幅度缩小。主流采用的纯净水折射率为1.44，所以ArF加浸入技术实际的等效波长为193 nm/1.44=134 nm。但是由于157 nm波长的光线无法穿透纯净水，浸入技术出现了局限。因此，准分子激光光源只发展到了ArF。

通过浸没式光刻和步进光刻等工艺，第四代 ArF 光刻机最高可以实现 22nm 制程的芯片生产，接近了它的能力终点。但是在摩尔定律的推动下，半导体产业对于芯片制程的需求已经发展到 14nm、 10nm、甚至7nm，ArF 光刻机已无法满足这一需求，一种全新的技术--极紫外光刻技术 EUV 出现了，EUV的吸收波长从 193nm 直接下降到了 13.5nm，最小制程达到了 7nm，半导体产业将希望寄予了第五代极紫外光刻机。

为了获得波长更短的极紫外光源（EUV），目前ASML主要采用的办法是将高功率二氧化碳激光脉冲照射在直径为30微米的锡滴液靶材上，激发出高功率的 13.5 nm的等离子体，作为光刻机的光源。

参考的是TRUMPF公司制作的CO2 激光器

发生器使锡液滴落入真空室 (3)，接着来自通快的脉冲式高功率激光器 (1) 击中从旁飞过的锡液滴 (2) ——每秒 50,000 次。锡原子被 电离，产生高强度的等离子体。收集镜捕获等离子体向所有方向发出的 EUV 辐射，将其集中起来并最终传递至光刻系统 (4) 以曝光晶片 (5)。

用于纳米光刻的 EUV 辐射的激光驱动锡等离子体源的物理学

[Plasma Sources Science and Technology,Volume 28,Number 8CitationOscar O Versolato 2019Plasma Sources Sci. Technol.28083001]

产生所需的 13.5 nm EUV 光的首选方法是来自高电荷离子的等离子体发射。三种最有希望的候选元素是 Li、Sn 和 Xe，它们都具有在所需带宽内具有强共振跃迁的离子。然而，由于多种原因，锂基和氙基等离子体源获得的转换效率远远落后于锡基等离子体源的转换效率[Bakshi V (ed) 2006EUV Sources for Lithography(Bellingham, WA: SPIE Press)].在 13.5 nm 波长附近，Sn 高电荷离子的 EUV 光谱主要由强烈的（UTA [Bauche J, Bauche-Arnoult C and Peyrusse O 2015Atomic Properties in Hot Plasmas(New York: Springer International Publishing)]）主导，主要来自

共振跃迁[O’Sullivan Get al2015J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys.48144025]

极紫外光刻机的光源主要采用激光辅助放电等离子体(LDP)或激光等离子体(LPP)中高价Sn离子辐射的13.5 nm荧光。在极紫外光刻技术的发展过程中, 极紫外光源的输出功率较低, 曾长期是极紫外光刻机不能实现大规模工业生产的主要原因之一。为了达到工业上每小时100 片的产能, 要求极紫外光刻光源在中间焦点(IF点)处的功率大于200 W[FomenkovI,Brand tD,ErshovA,et al.Light sources for high-volume manufacturing EUV lithography: Technology, performance, and power scaling[J].Advanced Optical Technologies,2017,6(3/4):173-186.]。在国际上处于领先地位的荷兰阿斯麦(ASML)公司已经推出了两代极紫外光刻机样机。第一代光刻样机NXE3100主要采用LDP极紫外光源, 最初其光源IF点的功率只有4~5 W[Hermans JV,LaidlerD,FoubertP,et al.Progress in EUV lithography towards manufacturing from an exposure tool perspective[J].Proceedings of SPIE,2012,8322:832202.]; 第二代光刻样机NXE3300主要采用LPP极紫外光源, 其光源IF点功率已经达到210 W[FomenkovI,Brand tD,ErshovA,et al.Light sources for high-volume manufacturing EUV lithography: Technology, performance, and power scaling[J].Advanced Optical Technologies,2017,6(3/4):173-186.], 能够满足工业生产的要求。

现在来介绍一下这个光源

ASML 的 NXE:3300B EUV 扫描仪的第二代激光产生等离子体 (LPP) 光源的开发已经完成，并且第一批装置已在芯片制造商客户处安装和运行。下面内容描述了源的不同方面和性能特征、剂量稳定性结果、功率缩放和 EUV 源的可用性数据，并报告了新的开发结果；极紫外 (EUV) 光刻有望在用于亚 10 纳米关键层图案化的 193 纳米浸没式多重图案化技术中取得成功。为了取得成功，EUV 光刻必须证明它可以满足以下关键领域的行业要求：功率、稳定性、发散度、光谱成分和寿命。目前，ASML 的 NXE:3300B EUV 扫描仪的第二代激光产生等离子体 (LPP) 光源的开发已经完成，并且第一批装置已在芯片制造商客户处安装和运行。

EUV 光刻研究始于 80 年代末，到 1990 年代初，已经发表了第一个成功的结果[G. D. Kubiak and D. R. Kania, Eds., in ‘OSA Proceedings on Extreme Ultraviolet Lithography’, (Optical Society of America, Washington DC, 1995) Vol. 23]。此时，EUV 光产生的主要概念是基于激光产生的等离子体[G. Kubiak, L. Bernardes, K. D. Krenz, D. O’Connell, R. Gutowski, et al., in ‘OSA Trends in Optics and Photonics, Vol. 4, Extreme Ultraviolet Lithography’, Eds. By G. D. Kubiak and D. R. Kania (Optical Society of America, Washington, DC, 1996) pp. 66–71.]。还提出了几个用于 EUV 光产生的概念，包括各种类型的放电产生的等离子体[EUV Sources for Lithography, Ed. By V. Bakshi, Volume PM149 (SPIE, 2006).]。还讨论了 EUV 源向大批量制造 (HVM)的进一步发展和 EUV 功率可扩展性的技术方面的概述。使用高功率 CO2 激光和 Sn 液滴靶的光源的不同方面和性能特征以及相关的研究和开发进展在早期的一些出版物中进行了详细描述

EUV 光源的示意图如上图所示。 LPP 光源由几个主要组件组成：(i) 由主振荡器和功率放大器master oscillator and power amplifiers (MOPA) 组成的高功率 CO2 激光器，(ii) 光束传输系统 (BTS)beam transport system，包括聚焦和光束位置控制，(iii) 真空容器，其中装有液滴发生器droplet generator、收集器和计量模块。 CO2 激光聚焦在液滴发生器提供的锡液滴上。激光等离子体相互作用发生在椭球ellipsoidal收集镜的主焦点处。激光液滴对准通过光学计量模块和传感器进行测量，传感器提供反馈以保持同步和最佳性能。椭球镜传输从等离子体收集的 EUV 光，并将其重新引导通过中间聚焦孔进入扫描仪的照明光学系统 。下图显示了 ASML NXE:3300B 光源，光源和激光系统与光束传输系统相连

五个重要指标：(i) power, (ii) spectral content, (iii) etendue, (iv) dose stability, and (v) lifetime.(i) 功率，(ii) 光谱成分，(iii) 发散度，(iv) 剂量稳定性，和 (v) 寿命

大批量制造 EUV 光源要求

(i) 功率

EUV 光刻的主要挑战是实现足够高的晶圆产量。 EUV 反射镜的反射率通常小于 70%，这导致对 EUV 光源功率的要求非常高，以克服高损耗。为了在 60% 的典型扫描仪占空比下实现每小时 100 个晶圆 (WPH) 的吞吐量，晶圆上的功率应大于约 550 mW，这意味着 EUV 源功率在中间焦点处提供给曝光工具应大于 200 W 或 10 Wcm2/mJ，如下图 所示。相比之下，目前用于光刻的 193 nm 光源的功率水平为 90 W，可支持 200 WPH的吞吐量

为了产生这种级别的 EUV，扫描仪等离子体的功率是使用聚焦在 Sn 液滴上的高功率激光束产生的，从激光脉冲能量到 EUV 脉冲能量的平均转换效率约为 5% 。在由于收集等离子体光的效率（收集立体角）和源内背景气体的传输造成的损失之后，需要超过 20 kW 的激光功率才能在中间焦点处产生 200 W 的 EUV 功率

(ii) 光谱成分

EUV 扫描仪使用许多利用 Mo/Si 多层膜的反射面。为此，源光谱需要在 2% 的带宽内以 13.5 nm 为中心，如下图 所示。即使在这种情况下，光传输也非常低效。例如，在从中间焦点 (IF) 到晶片的 10 次反射和 67% 的峰值反射镜反射率的扫描仪中，总透射率约为 2%

EUV 光源还必须是光谱纯净的，以限制 DUV/UV 范围（130 nm–400 nm）以及 IR 范围（主要是驱动激光器的波长）的光量。这是因为这些波长的光也可能被扫描仪光学器件传输并导致不希望的光刻胶曝光或过度的热负荷

(iii) 发散度

源光发散对于匹配 EUV 扫描仪很重要。它被定义为 EUV 发射等离子体的面积与收集器光学器件所对的立体角的乘积。该规格通常被接受为小于 1–3.3 mm2 sr，并取决于照明器和投影光学器件的光学设计 [3]。如果光源的光学发散太大，则并非所有光都可以耦合到扫描仪的光学系统

(iv)剂量稳定性和控制

光刻工艺控制依赖于控制传递到晶片以曝光抗蚀剂的能量的能力。对于关键特征，曝光宽容度仅为几个百分点。为了实现充分的控制，源本身应贡献剂量误差的百分之几。在脉冲源操作中，这种稳定性可以通过高重复率和严格的脉冲到脉冲能量控制来实现。当前的 LPP 源以 50 kHz 的重复频率运行，剂量误差小于 0.5%

(v) 寿命

EUV 光源的另一个非常重要的特性是其使用寿命。就拥有成本和 EUV 光刻的经济可行性而言，这是至关重要的。早期，为源的最关键组件设定了 30000 小时的目标。对于 LPP 光源，由于其所处的恶劣环境和大型弯曲超光滑多层镀膜 EUV 光学器件的成本，收集器可以说是寿命方面最关键的组件。来自等离子体的锡碎片、高能离子和中性粒子会与收集器表面相互作用，并有可能随着时间的推移降低其反射率

激光生产的等离子源系统

ASML NXE 系统使用具有多级放大功能的 CO2 激光器，以达到所需的 >20 kW 的功率水平。它可以在 ~50 kHz 的脉冲模式下运行，由MHz的射频 (RF)泵浦。激光器通常与其射频发生器和水-水热交换器一起安装在子晶圆厂中。源控制器可以打开和关闭用于曝光 26 × 33 毫米场大小的脉冲串。突发开启的时间与突发周期的比率定义了占空比。随着源功率的增加，扫描全场的时间减少，使得在场之间步进的开销时间成为整体吞吐量预算中更重要的部分

光束在离开驱动激光器时可以扩展，以将 BTS 反射镜上的能量密度保持在某个工作范围内。转向镜可用于允许光束从次晶圆厂穿过waffle-slab floor传播到晶圆厂，并具有所需的灵活性，以便相对于上方地板上的源容器（和扫描仪）定位激光器。激光器和 BTS 通常是完全封闭和互锁的，以满足 1 类激光器的要求。 BTS 将光束传送到聚焦光学系统，在该系统中，10.6 微米波长的光被聚焦到最小光斑尺寸。聚焦光束通过收集器中的中心孔传播，并在源容器腔室的真空空间内的椭圆形收集器反射镜的主焦点处撞击液滴

液滴发生器以 50 kHz 的重复率将直径约 30 微米的液态锡液滴输送到同一位置；激光脉冲和液滴都经过控制和定时，以确保正确瞄准。激光脉冲将锡汽化并加热成等离子云。等离子体发射的 EUV 光可以被收集并用多层涂层椭球镜传输到 IF，在那里它通过一个小孔径进入容纳照明光学器件的扫描仪体积。源容器上的其他模块可能包括一些用于测量 EUV 能量以及用于液滴和等离子体成像的计量模块。

EUV 功率转化

随着 MOPA 预脉冲技术的出现，在产生 HVM 所需的更高 EUV 功率水平方面取得了重大进展。已经证明了约 200 W 左右的中间焦点的 EUV 功率 [18]。过去几年，随着更高功率 CO2 激光器的发展，以及通过改进激光-等离子体能量耦合实现的更高转换效率，中频 EUV 功率出现了数量级的增长。在这里，我们描述了一些最近的发展，并提供了一些关于历史架构变化和未来改进背后的动机的见解。

高功率 CO2 激光器的架构对于成功转化成激光产生的等离子体发射的 EUV 功率非常重要，因为它决定了 EUV 产生的等离子体是如何产生的。历史上，已经采用了三种不同的驱动激光器架构和产生 EUV 等离子体的方法。它们通常被称为 NOMO（无主振荡器）、主振荡器、功率放大器 (MOPA) 和带有预脉冲的 MOPA。 NOMO 是一种产生等离子体的技术，通过将光栅或镜子放置在激光增益介质的背面[23]。当锡滴穿过焦点区域时，它就像一面镜子来完成激光腔。理想情况下，存储的总激光能量仅在液滴进入聚焦体积后才传输。这种架构的优点包括其简单性和精确的激光到液滴的定时，无需任何液滴检测或控制，因为它是一个固有的自定时和稳定系统。这是 2010 年末安装在客户现场的 NXE:3100 光源的工作原理（图 5）。到 2011 年，这些光源在多个客户站点产生高达 10 W 的剂量控制 EUV 功率 。在这种配置中，激光器在液滴上产生大约 8 kW 的功率（被锡液滴拦截的激光能量可以转化为 EUV），平均 CE转化效率 为 ~0.8%，剂量开销接近 45%。这项技术允许芯片制造商在 HVM 工具可用之前大约 5-7 年开始利用 EUV 图案化的设备制造工艺开发

在考虑如何将 EUV 功率从 10 W 扩展时，很明显，激光功率和 CE 都必须比 NXE:3100 NOMO 值大幅增加。用于 EUV 功率转化的 NOMO 架构有两个主要缺点。首先，激光器中存储的能量受到寄生反射的限制，这会导致自发辐射放大，从而耗尽可用于制造等离子体的增益并限制总激光功率。其次，由于 NOMO 激光脉冲取决于液滴和激光增益介质之间的随机过程，因此无法控制精确的激光脉冲形状，从而限制了 CE。因此，NOMO 具有 EUV 转化效率限制，必须通过架构解决方案来克服

随着 NOMO 技术的发展，该架构过渡到种子激光放大器技术，即 MOPA 和带有预脉冲的 MOPA（图 6）。这两种技术都涉及一个主振荡器，它产生一个激光脉冲，为功率放大器提供种子以进行单程增益提取。种子脉冲由锡滴临时触发，使得激光脉冲和锡滴在精确的同一时刻到达主焦点。 MOPA 脉冲生成和整形组件都包含在种子系统模块中，该模块在 2011 年和 2012 年首次与 NXE:3100 三级功率放大器系统配对进行研发。通过将激光功率放大器与 MOPA 架构配对，可以大大增加激光功率并展示 30 W 的 EUV 满足剂量规格。然而，在没有预脉冲的情况下，NXE:3100 MOPA 架构的 CE转化效率 相对较低，约为 1%

通过在 MOPA 架构中加入预脉冲技术，CE(转化效率) 可以显着提高。预脉冲是一种激光脉冲，它在主脉冲之前撞击液滴，将液滴转变为增强等离子体形成的改进目标。预脉冲将初始液滴修改为更大的目标，从而增加表面积和更有利的密度，表明精确控制材料分布以获得更好的激光能量耦合的重要性。下图说明了预脉冲是迄今为止采用的关键 EUV 功率缩放方法之一，显示了 CE 与预脉冲产生的目标尺寸之间的关系。

到 2013 年，正在开发的 NXE:3100 MOPA 预脉冲系统能够提供 50 W 的 EUV 功率，同时满足约 30% 开销的剂量规格。通过对 NOMO 技术的架构改进，驱动激光器能够提供约 12 kW 的液滴上功率和约 2.5% 的 CE。然而，用于 EUV 功率转化的 NXE:3100 MOPA 预脉冲开发系统存在两个问题：透射聚焦光学器件在较高激光功率下的热性能欠佳，以及三级功率放大链中可用的激光功率不足。为了解决这些缺点并为客户提供更高的 EUV 功率，NXE:3300 MOPA 预脉冲架构应运而生。除了预脉冲能力外，还增加了一个额外的功率放大级，从而增加了可用的激光功率，同时将聚焦光学器件改为全反射设计，以实现更好的热性能。第一批 NXE:3300 系统在 2014 年年中投入使用，并使用 MOPA 预脉冲技术产生了 >40 W 的剂量控制 EUV 功率 ，后来增加到 80 W，然后增加到 100 W 的剂量。为了扩展到 100 W 以上，启动了高功率种子系统 (HPSS)high-power seed system 的开发。该架构必须提供更好的脉冲整形能力、更大的预放大和更好的寄生效应隔离。作为开发活动的一部分，为了清楚地评估 HPSS 提供的性能增强，将试验板 HPSS 与标准 NXE:3100 三级放大链配合使用。由于 HPSS 具有更大的前置放大，它可以使功率放大器更深地饱和，从而带来许多好处。这些好处之一是增加了放大链出口处激光脉冲的峰值瞬时功率。实际上，HPSS 在这种配置中提供了约 4% 的 CE 。因此，HPSS 不仅可以提高激光功率，还可以提高 CE。与 HPSS 所采用的试验板开发方法类似，第一个高功率驱动激光器 (HPDL) 是利用四级功率放大器构建的。 HPDL 还使用更强大的放大器，在验证新架构的工厂验收测试中，与标准种子系统结合时可达到约 30 kW（在相同条件下比标准 NXE:3300 驱动激光器增加约 25%）。

2015 年，在典型条件下运行的内部研究平台上成功展示了完全集成 HPSS 与 HPDL 的性能。关于瞬时激光功率，HPDL 与 HPSS 一起产生的激光脉冲比 NXE:3300 激光系统高出大约 2-3 倍的峰值功率。除了目标地层的发展之外，主脉冲特性的这种改进使得可以获得更有利的等离子体条件，从而导致平均 CE 超过 5% 。到 2015 年底和 2016 年初，带有 HPSS 和 HPDL 的改进型 NXE:3300B 源已经展示了 1 小时剂量控制的 EUV 功率，功率为 210 W，表明 LPP EUV 源技术能够满足 HVM 需求。这些结果显示在下图 中，代表了迄今为止报告的全占空比下最高剂量控制的 EUV 源功率。

下图 将最近演示的 >200 W 剂量控制性能放在历史 EUV 功率缩放的背景下。自 2016 年初以来，功率扩展方面的进展与这一历史趋势一致

锡靶

EUV LPP 光源的关键技术之一是在高频下产生极小且稳定的锡 (Sn) 液滴，用作产生等离子体和 EUV 光的燃料。液滴发生器向收集器的焦点提供恒定的液态锡液滴流，在那里使用 CO2 激光脉冲产生发光等离子体。液滴发生器的主要要求是以激​​光脉冲的重复率传送相同尺寸和间距的小液滴目标。在一个月的操作时间内，始终如一地产生具有高度时间和空间稳定性的液滴

为了使 EUV 源能够稳定运行，液滴应该具有完全相同的尺寸，并且应该始终如一地到达同一位置，并且位置误差明显小于液滴尺寸。此外，液滴之间的时间间隔也应该是高度可重复的，在百分之几之内。最后，液滴之间应该有足够的距离和动量，以最大限度地减少等离子体对即将到来的下一个液滴的影响。当前液滴生成系统实现的典型参数总结在表 1 中

下图显示了小液滴在液滴发生器附近从连续射流中破裂时立即形成的典型模式，以及在一定距离处通过聚结过程形成的液滴。在此示例中，使用大约 100 个平均频率为 5 MHz 的小液滴来产生 50 kHz 液滴，液滴间距为 1.5 毫米

缩放液滴发生器性能以实现更高的源功率需要增加液滴速度以增加液滴与液滴的分离距离。这需要对抗源自等离子体事件的液滴上的力。材料，从被激光束照射的液滴飞出，以及来自等离子体的辐射会显着扭曲下一个液滴；因此，功率缩放需要更大的液滴与液滴分离。图 11 说明了液滴间分离随液滴速度的增加。为了产生更高速度的液滴，需要更高的驱动气体压力

随着液滴发生器所需性能的实现，EUV 源上液滴发生器的寿命和整体可靠性已成为开发工作的重点。最重要的突破出现在该技术的材料科学方面。此外，最近在保护锡免受污染方面取得的重大进展为液滴生成系统架构的根本转变铺平了道路，重点是防止锡供应限制液滴发生器的运行时间

预脉冲技术

Sn 液滴的典型尺寸明显小于其焦点位置处的激光束直径。因此，一旦液滴离开液滴发生器，就需要对目标进行进一步的“调节”。这是通过使用预脉冲实现的

使用预脉冲形成的目标的尺寸和材料分布对于 CE 和 EUV 功率缩放至关重要。除了这些参数之外，目标密度及其轮廓以及目标材料的体积分布对于进一步提高 CE 和 EUV 功率缩放至关重要。主脉冲与优化目标的耦合导致更高的 CE、可管理的碎片和改进的 EUV 功率缩放。下图A 显示了使用预脉冲技术生成的典型低密度目标的阴影图。为了进行比较，下图B 显示了一个盘目标。优化后的锡靶具有比液体靶更低的密度，并且当受到主驱动激光脉冲的照射时，会产生没有陡峭密度梯度的等离子体

通过创建分布式激光吸收而不是局部激光吸收，可以获得更有效的目标材料使用和更有效的激光吸收。更多的锡离子参与发射 EUV 导致更高的转换效率。使用较低密度的目标，证明了更高的转换效率和 EUV 功率（如下图所示），已经在开发实验室的测试源上证明了 6% 的 CE 和低占空比下的 375 W 突发 EUV 功率

没有陡峭梯度的均匀低密度锡靶不仅增强了 EUV 的产生，而且还降低了离子的动能。在等离子体膨胀过程中，由于快电子和慢离子的分离而产生静电场。该电场将离子从其等离子体温度（即几个 10 eV）加速到几个 keV，具体取决于等离子体密度分布。电场可以描述为与等离子体密度梯度成反比，这意味着较低的等离子体密度梯度导致较长的等离子体长度，从而导致较低的电场和较低的离子动能。这意味着低密度目标也有助于减少锡碎片和光学寿命

EUV 收集器和碎片减缓

LPP 光源的一个优势是等离子体的隔离特性，可以在整个 4π sr 范围内开放访问 EUV 发射模式；然而，通常只有 ~2π sr 半球可用于收集 EUV。下图显示了具有 5.5 sr 收集角的收集器的示例图片。 挑战是在收集器的整个表面上实现高反射率，接受这样一个事实，即当入射角接近 45° 时，只有 s 偏振光被反射。用于制造大尺寸法向入射收集镜的基础设施已经到位。已经为 NXE 源制造了大量收集器。

实现长集电极寿命是将 EUV 光刻引入 HVM 的最困难的挑战之一。需要考虑真空容器内的源环境，因为来自等离子体的高能离子和中性物质可能会撞击收集器表面并造成不可逆转的损坏。为了保护多层反射涂层，可以在真空室内使用氢气缓冲气体来减慢高能离子的速度，同时使用特殊的收集器覆盖层。

在 LPP 源中实施的碎片减缓技术效率的改进导致在现场运行的实际源中实现了更长的寿命，如下图 所示，显示了 (A) 收集器寿命改进的历史和 (B)两个 NXE 3300 收集器样本的典型收集器反射率与脉冲数 (b)。已经证明了超过 1000 亿个脉冲集电极寿命 [26]。随着源功率的增加，需要调整收集器保护以延长 EUV 收集器的使用寿命。开发了一种使用氢自由基的锡清洁技术，以提高从集电器中去除锡的速度。 EUV 源容器内 Sn 管理的持续改进与辅助锡清洁相结合，为实现前面提到的 30000 小时的寿命要求提供了途径

源头中的碎片减少依赖于使用氢气作为缓冲气体。 EUV 源中的缓冲气体有几个要求。它必须有效地冷却等离子体附近的区域，它必须有效地阻止快速的 Sn 离子，并且它应该能够有效地从集电极表面蚀刻 Sn。它必须在不施加过高的 EUV 吸收的情况下完成所有这三个功能。通常，在 EUV 功率预算中可以接受 20-30% 的缓冲气体的最大 EUV 吸收。最后但并非最不重要的是，缓冲气体对于源操作所需的数量必须是经济的。氢气满足所有这些要求，是缓冲气体的首选。例如，图 18 说明了氢气对激光等离子体产生的 Sn 离子的阻止能力

除了作为热性能和阻止离子的最佳气体外，氢气也恰好是 Sn 的良好蚀刻剂。这是非常幸运的，因为它允许在源中使用纯氢，而无需添加任何添加剂来蚀刻 Sn。用氢蚀刻 Sn 由以下反应描述：

氢自由基·H是通过分子氢的解离在源头产生的：

分子氢的离解通过源中的几种机制发生：等离子体区域的热离解、等离子体辐射的光离解、光电子的离解。一旦形成 SnH4（锡烷），它就可以被抽走，因为它在源条件下是气体。然而，竞争机制是锡烷的光解和锡覆盖表面的催化解离。这些机制往往会将 Sn 带回集电极表面，从而降低清洁率。碎片减缓的目标是最大限度地减少锡烷在容器中的停留时间并减少锡烷分子的壁碰撞次数，从而减少锡烷解离引起的锡再沉积的影响。因此，总的 Sn 清洁率是：

其中 Knet 是 Sn 的净蚀刻速率，KSnH4_formation 是 SnH4 形成的速率，而 KSn_redep 是 Sn 再沉积的速率。

所有需要在源头处理的碎片可以分为两大类，一次碎片和二次碎片。初级碎片是在与任何表面碰撞之前或在被源中的气流捕获之前直接来自等离子体的碎片。除了 Sn 材料外，快离子的动能也被释放到缓冲气体中。等离子体辐射被气体部分吸收。这两种效应不会直接导致收集器反射率下降，但它会通过加热气体并降低其在等离子体和收集器表面之间的体积密度来影响碎片减缓性能。为了减少这种影响，新鲜气体必须以高流速不断流入容器。

二次碎片包括所有与表面（如血管壁）碰撞的碎片。这包括散射回收集器或以其他方式传输回收集器表面的 Sn 微粒。二次碎片还包括积聚在容器内的锡材料。 Sn 的积累会导致 Sn 碎片突出到 EUV 或 CO2 光路中，阻碍真空排气路径，从而改变容器中的气流以及积累的 Sn 掉落或滴落到收集器表面，因为它正对着收集器表面EUV 源中的重力。

氢气用于的另一个应用是保护扫描仪体积（照明光学器件）免受源中产生的碎片的影响，因为扫描仪具有许多更换非常昂贵且对污染非常敏感的光学表面。在等离子体位置产生的初级微粒通常被从等离子体到中间焦点的直接视线中的小遮挡物阻挡。这样，几乎 100% 的主要碎片都可以被阻止进入扫描仪体积。然而，仍然存在二次碎片渗入扫描仪的风险。通过仔细设计源容器的内部硬件，可以将这种风险降至最低。正如我们所看到的，氢气作为缓冲气体为 Sn 管理提供了多种功能，最重要的是减少到收集器的 Sn 通量、从收集器蚀刻 Sn、冷却等离子体区域以及将碎片带出容器

像差矫正

光刻机作为高端精密光学设备，它的光学镜头还是不可避免的有像差存在，导致成像发生畸变。对于光刻机来讲，图形发生畸变会导致实际曝光的图形和所需的图形不一致，从而使得需要实现电学连接的层与层之间不能很好的对准（套刻误差），最终导致芯片失效。

针对像差的补偿问题，ZEISS 联合ASML 开发出了FLEXWAVE 技术。理想的波前是一个球面（或者平面），而有像差存在的时候波前就不再是一个规则的球面（或者平面），因此如果可以对波前平面上不同位置的点的相位进行调节的话，就可以把不规则的波前调整成规则的球面（或者平面），也就可以做到对像差的补偿修正。

我们知道光在通过不同折射率的介质的时候，相位会发生变化，如果可以控制一个物体的折射率，那么就可以实现对相位的调制；而一种可以灵活控制物体折射率的方法就是通过温度调节来实现折射率的自由变化，进而实现对相位的控制。
Flexwave 就是使用一个透光的介质，将其放在光路中，透光介质划分成面积相同的网格，每个网格中分布有透明电极制成的电热丝，每个网格的电热丝都可以单独控制来对局部进行加热，从而实现对每个网格的折射率进行调节。控制原理和液晶显示器类似，通过gate line 和data line 的选择来对每个像素进行实时开关控制。所以，通过合适的电路控制，就可以精确的控制这个透光介质上每一个像素点的折射率，从而对经过的光线相位进行调制，来实现对整个成像的像差进行控制。

Flexwave 的原理到此就介绍完了，Flexwave 的最大优点是可以是实时快速的进行像差调节，而且调节范围几乎覆盖从低阶到高阶的所有像差，从而可以使得整个成像的像差大大降低，极大的提高了光刻机的套刻精度。
Flexwave 这么好用，只用来控制减小像差还有点太可惜了，既然可以补偿像差，当然也就可以引入像差；像差会使成像发生畸变，那么引入特定的像差就可以实现特定形状的畸变，从而将最终成像修正成我们想要的结果，并且整个过程还可以在曝光的同时快速完成，所以Flexwave 几乎相当于光刻机的Photoshop 功能一样，极大的提高了对曝光图形的精确度控制。

补充：像差可以通过Zernike多项式分解成不同成分，每一种成分对应一种特定的像差，每一种像差会导致成像发生特定畸变。

参考网站和文献如下：

高端光刻机有哪些不可思议、神乎其神的高科技？

超能课堂(145)：单价1.2亿美元的光刻机，全球只有一家公司生产 ... ... ...

二巨 Urge：ASML：EUV极紫外光刻机——物理极限摩尔定律的新高度

文献：

Microelectronic Engineering 133 (2015) 23–35

FomenkovI,Brand tD,ErshovA,et al.Light sources for high-volume manufacturing EUV lithography: Technology, performance, and power scaling[J].Advanced Optical Technologies,2017,6(3/4):173-186.

G. Kubiak, L. Bernardes, K. D. Krenz, D. O’Connell, R. Gutowski, et al., in ‘OSA Trends in Optics and Photonics, Vol. 4, Extreme Ultraviolet Lithography’, Eds. By G. D. Kubiak and D. R. Kania (Optical Society of America, Washington, DC, 1996) pp. 66–71.Search in Google Scholar