光刻(ke)技術（photolithography）是集(ji)成(cheng)電路製造的重要(yao)環節，利用(yong)光(guang)學(xue)-化(hua)學反應原(yuan)理(li)和(he)化學、物理刻蝕(shi)方法(fa)，將電路(lu)圖(tu)形(xing)傳(chuan)遞(di)到(dao)單(dan)晶(jing)表麵或(huo)介質(zhi)層上，形成有效(xiao)圖形窗(chuang)口(kou)或功能圖形的工(gong)藝技術。

光刻是(shi)製造芯片(pian)的關鍵(jian)技術，光刻機通過光源(yuan)發(fa)出(chu)的光通(tong)過具(ju)有(you)圖形的光罩（Reticle,Mask，又(you)稱光掩模版、掩(yan)膜版）在經(jing)過縮(suo)圖透鏡(jing)將(jiang)光罩的圖案(an)照射(she)到塗(tu)有光刻膠(jiao)的矽(xi)片上，光刻膠在見光後會發生性(xing)質變化，從而使(shi)光罩上(shang)的圖形在矽片上刻錄，使矽片具有電(dian)子(zi)路線的作(zuo)用。

▲ 光刻機工作原理圖

本文主(zhu)要介紹(shao)EUV光源技術的激光等(deng)離(li)子體（LPP,Laser Produced Plasma）技術。

當氣體溫(wen)度不斷升(sheng)高(gao)，這(zhe)時(shi)構成分子的原子發生分離，形成為獨(du)立的原子，如氮分子會(hui)分裂成兩個(ge)氮原子，我們(men)稱(cheng)這種過程(cheng)為(wei)氣體(ti)中分子的離解(jie)。如果(guo)再(zai)進一步升高溫度，原子中的電子就(jiu)會從原子中剝(bo)離出來，成為帶(dai)正(zheng)電荷的原子核(he)和帶負(fu)電荷的電子，這個過程稱為原子的電離。電離過程的發生，形成了等離子體，等離子體中(zhong)電子具有較(jiao)大(da)的動(dong)能(neng)，以(yi)較高的速(su)度在氣體中飛行(xing)，而且電子在運動過程中與其他粒子會產生碰(peng)撞(zhuang)，使更(geng)多的中性粒子電離。在大量(liang)的中性粒(li)子不斷(duan)電離的同(tong)時，還有一個與電離相反的過(guo)程，就是複(fu)合現(xian)象。所(suo)謂(wei)複合就是兩種帶電的粒子結合形成中性原子。在複合過程中，電子將能量以光的形式放(fang)出來，這種現象(xiang)就稱之(zhi)為離子發光。

由光電效應方程，可知當(dang)電子從高能級(ji)躍(yue)遷到低能級放出的能量以光子的形式(shi)發出，也就是釋(shi)放出光子，而光子分為可見(jian)光和不可見光，當從n≥2向(xiang)基態(tai)躍遷(qian)時發射的是紫(zi)外線(xian)、 當從n≥4向(xiang)n=3躍遷時發射的是紅外(wai)線是不可見的，隻(zhi)有從n≥3向(xiang)n=2躍遷時發射的是可見光。

EUV的產生(sheng)是通過激(ji)光將錫滴(di)作為燃料(liao)使其產生(sheng)等離子體的過程。LPP EUV是將高功率(lv)的的二(er)氧化碳激光打在直(zhi)徑約(yue)為20微米的錫(xi)液滴上，通過高功(gong)率激光使錫滴膨脹(zhang)蒸(zheng)發形成錫蒸汽(qi)，然後(hou)將蒸汽加(jia)熱產(chan)生等離子體，這個過程會產生(sheng)極(ji)紫外光。產生(sheng)EUV的燃(ran)料可以是錫（Sn）、氙(xian)（Xe）、鋰（Li），由於氙(xian)（Xe）和鋰（Li）在實際測試中其產生(sheng)的功率及工藝無法達到生產要求，錫滴被作為EUV製造的理想(xiang)燃料。

LPP EUV係(xi)統(tong)主要包(bao)括錫滴發生器(qi)、激光器、源收集器、輻射收集器組成。

錫滴發生器用於(yu)產生作為燃料的錫液滴，用於(yu)產生20um的錫滴；

激光器用於提供能量源，用於激發錫滴，通過引(yin)導激光束至錫滴來激發錫滴產生等離子體；

源收(shou)集器是一個中空(kong)的腔體，其內部(bu)為真空環(huan)境(jing)用於支(zhi)持(chi)等離子體；

輻射收集器接(jie)收EUV輻射，在產生等離子體的過程中會發生EUV輻射，通過輻射收集器進行收集並(bing)將輻射狙擊成EUV光束進(jin)行後續(xu)工作。

▲ EUV光刻機工作原理示(shi)意圖

其步驟(zhou)為：

（1）錫液發生器使錫液滴落入真(zhen)空室(shi)③。

（2）脈(mai)衝式高功率激光器①擊(ji)中從旁飛過的錫液滴②—每秒 50,000 次(ci)。Laser分為兩(liang)部分，前(qian)脈衝(chong)和功率放大器。前脈衝和主脈衝擊中錫液(ye)使其氣(qi)化。

（3）錫原子被電離，產生高強(qiang)度的等離子體。

（4）收集鏡捕獲等離子體向所有方向發出的 EUV 輻(fu)射，匯聚形成光源。

（5）將集中起來的光源傳遞至(zhi)光刻係統④以曝光晶片⑤。

▲ EUV光源示意(yi)圖

錫滴產生

液體在壓力作用下(xia)從噴(pen)嘴(zui)流出形成束流，束(shu)流(liu)在一段(duan)距(ju)離後將自(zi)然破(po)碎形成液滴，這種現象被稱為瑞利不穩定現象（瑞利(li)破碎），瑞(rui)利不穩(wen)定性描(miao)述(shu)了圓(yuan)柱(zhu)形的流體在表(biao)麵張力的驅動下,分(fen)解為若幹(gan)個球形液滴的現象。產生錫滴的過程即瑞利(li)破碎，產生錫滴的機(ji)構(gou)有噴墨壓電噴頭、機械式噴射閥(fa)、氣壓式噴射閥，該機構可以通過機械輔助或調整瑞利(li)破碎機製生成連續的液滴束流，並且液滴束流具有可調節(jie)的液滴頻率。

本節主要介(jie)紹基於噴墨壓電噴頭(tou)機構的錫滴發生器。錫滴發生器主要包含(han)儲(chu)液器、錫材料、定(ding)製化的壓電噴頭、加熱器。儲液器用於存(cun)儲燃料液體，燃料液體由錫材料製成，在超過235℃高溫下融(rong)化，在氣體壓(ya)力作用下通過壓電噴頭擠(ji)出，由於瑞利破碎形成液滴。

錫滴產生原理

定製化的壓電噴頭中心(xin)一端有3-5um的小(xiao)孔(kong)為毛細(xi)玻璃管，毛(mao)細玻璃管外壁(bi)粘(zhan)結壓電陶(tao)瓷，壓電陶瓷在電信號的作用下會發生形變產生振動，振(zhen)動從壓電陶瓷傳遞至毛細玻璃管。儲液器連(lian)接至毛細玻(bo)璃(li)管(guan)的另一端，儲液器中的錫材料在加熱到高於235℃時形成錫溶液，錫溶液在氣壓作用下從毛細玻璃管擠出，產生束流。在沒有壓電陶瓷的情(qing)況下，束流將在液滴發生一段距離（約噴嘴直徑(jing)的100-1000倍(bei)）後自然(ran)破碎形成液滴，其液滴直徑大約為噴嘴直徑的2倍(bei)或略小，兩液滴間(jian)隔(ge)是噴嘴直徑的大約4.5倍(bei)，雖(sui)然毛細玻璃管外壁沒(mei)有壓電陶瓷的作用液可以產生瑞利破碎，但壓電陶瓷(ci)可以通過控製毛細玻璃管內(nei)的壓力控製瑞利破碎，從而使形成液滴的位(wei)置(zhi)更加明確(que)。

如(ru)果噴嘴的直徑為4um，燃料液滴可以通過瑞利破碎(sui)形成約7um直徑的液滴，液滴分開大約18um的距離，噴嘴的液滴產生速率對應的瑞利頻率與(yu)噴嘴處(chu)燃料的平(ping)均速度和噴嘴的直徑相關：

雖然在沒有壓電陶瓷製動的情況下也可以發生燃料液體束流的瑞利破碎，但(dan)壓電陶瓷可以通過控(kong)製毛細玻璃管內的壓力控製瑞利破碎，調製毛細玻璃管內的壓力調製離開噴嘴的液體燃料的排出速度，並使液體燃料的束流在離開(kai)噴嘴之後以受控製的方式直接破碎為液滴。如果通過壓電陶瓷施加的頻率足夠(gou)接近瑞利頻(pin)率，則燃料液滴形成，液滴被分開的距離由(you)離開燃料噴嘴的平均(jun)排出速度和由壓電陶瓷施(shi)加的頻率決定。

噴嘴穩定性

噴嘴的穩定性或堵(du)塞是任何噴墨打印應(ying)用時在使用噴嘴期(qi)間可能會出現的問題。噴頭堵塞(sai)可能是錫溶(rong)液中的汙染物造成的，噴嘴堵塞會造成噴嘴的損(sun)壞(huai)或維(wei)護(hu)需(xu)求，並因(yin)此(ci)限製光刻機的後續工作。

通過在噴嘴前端增(zeng)加過濾器可以過濾比(bi)噴嘴直徑大的障礙物，然而，比噴嘴直徑小的障(zhang)礙(ai)物 和噴嘴內的障礙物可能導(dao)致(zhi)噴嘴的有效幾何(he)結構的改(gai)變(bian)。

有效幾何結構的改變可能導致所生成的液滴束流的參(can)數(shu)的改變，例(li)如液滴形狀、尺寸(cun)，或更可能的是液滴束流的軌跡的方向。在許(xu)多應用中，這些參數將需要滿(man)足(zu)嚴(yan)格的要求。尤其在EUV輻射源中，液滴生成裝置在液滴束流的軌跡(ji)方麵的要求將極其嚴格。例如，在等離子體形成位置處，液滴位置可以需要精確至幾(ji)個微米，但是噴嘴本身(shen)需要放置相對(dui)遠離等離子體形成位置，例如幾十厘米左右的距離。這導致液滴束流的軌(gui)跡的方向穩定性要求也(ye)許小於10微弧(hu)度。總(zong)的結果是，即(ji)使是沉積在噴嘴的內表麵上的極小的微粒汙染(ran)物也可以將噴嘴的有效幾何結(jie)構改變至確保(bao)不滿足方向穩定性要求的這種 程度(du)。這又可以對輻射源的操作產生有害(hai)的影(ying)響(xiang)並因此對光刻設備作為整體產生有害的影響，例如在生成輻射方麵。

顆(ke)粒 40 是汙染物的一個示例。汙(wu)染物可以是微粒的形式，或可以是用以形成液滴束流的燃料內存在的其它任何物體（例如，薄片、結塊、溶液等）。汙染物可能由於燃料的氧化引起。例如，如果燃料是錫，則汙染物可能是錫氧化物顆(ke)粒等。

為了(le)防止噴嘴被(bei)汙染物堵塞，由此導致噴嘴的有效幾何結構的改變。一種提出的解決方案是在燃料流動係統中使用細的或較細的過濾器以防(fang)止具有小於噴嘴直徑的平均直徑的汙染物（即，噴嘴的開口）到達(da)噴嘴。然而，這隨後可以導致燃料流動係統整體的堵塞（即，在該過濾(lv)器處），這又導致需要定期維護或修(xiu)複液滴生成裝置，由此造成輻射源和/或光刻設備作為整體的相當長(zhang)的停(ting)工時間。

為了解決噴嘴堵塞的問(wen)題，噴嘴內表麵特(te)意地(di)配(pei)置成防止(zhi)在用以形成燃料液滴的燃料中存在的汙染物沉積在該內表麵上，這可以通過確保內表麵對汙染物是不具有粘性的和/ 或通過確保內表麵足夠光滑以避(bi)免這樣的沉積發生來(lai)實現。這種方法的優點在於，不促成 進一步的堵塞等。相反，汙染物被衝洗(xi)離開燃料流動係統，並且尤其是衝離噴嘴，因此防止 了堵塞，並因此防止噴嘴的有效幾何結構的改變。

塗層可以是多種不同材料中的一種或包括(kuo)多種不同材料中的一種，例如 ：氟(fu)化 物（CaF2,BaF2）；氮化物 ；DLC（類金剛(gang)石(shi)碳(tan)）；特氟隆（即，PTFE- 聚(ju)四(si)氟乙烯）；或由溶膠凝膠 CN 103748969 A 說 明 書(shu) 9 8/9 頁(ye) 10 塗覆工藝得到的材料（例如，基(ji)於矽或矽石的塗層，例如諸(zhu)如 SiO2:CH3）。 

在一些(xie)情況(kuang)下，上述材料中的任(ren)一種或更多種可以用作塗層。然而，類金(jin)剛石碳可能不總是合適(shi)的，這依賴(lai)於噴嘴的縱橫比，噴嘴的縱橫比可能有礙類金剛石碳塗層容(rong)易 應用的沉積（例如使用氣相沉積）。氮(dan)化物可能會太(tai)粗糙(cao)，並且(qie)可能不足以防止汙染物在噴嘴內的聚積。由於可能太難(nan)以應用氟化物作為塗層的事實，氟化物可能是不合適的。相反(fan)，已經發現PTFE和通過溶膠凝(ning)膠塗覆工藝(yi)得到的材料（例如基於矽或矽石的塗層，例如諸如 SiC2:CH3）是特別合適的，滿足上麵限定的全部要求。

液滴加速

燃料液滴需要具有高的速度（例如100m/s或更高），這是因為速度越(yue)快，燃料液滴之間的間隔距離越大，從而減(jian)小由前麵的燃料液滴生成的等離子體與下一個燃料液滴相互作用的風險，被輸送(song)至等離子體形成位置的液滴的間隔應該為1mm或更大。

為了獲(huo)得(de)高速液滴，需要對液滴發生器中發生的液滴進行電場加速，液滴發生器前方增加第一電級和第(di)二電級，液滴發生器與第一電極連接調製電壓源，第一電極和第二電極連接恒(heng)定電壓源，第一電極接地，調製電壓源施加一個從恒定正壓Va切(qie)換(huan)到恒定負壓-Va的周期電壓信(xin)號(hao)，調製電壓源的頻率為液滴發生器頻率設置為特定關係，第一電極和第二電極中間施加一個恒定電壓源。當液滴發生器產生液滴時，液滴帶電(正電荷或負電荷(he))，其所帶電荷與第一電極電荷相反，液滴在電場作用下加速穿過第一電極到達第二電極，通過調製電壓源的信號周期與液滴發生器的周期，使其產生的液滴帶電情況類(lei)似(shi)為“+++---”，當液滴束流進入(ru)第一電極和第二電極中間時，攜(xie)帶“+”電荷的粒子將減速，攜(xie)帶“-”電荷的粒子將加速，一段束流內的液滴將融合變為一個中性的大液滴。

電壓Va改變極性時，在液滴發生器和第一電極之間進行的少(shao)量液滴可以被減速，因為他們是“錯(cuo)誤(wu)的”電荷，但是如果液滴發生器和第一電極之間的距離小，則這些液滴數量少，表示束流中的僅(jin)小部分液滴，並且不會顯著影響液滴的整體加速。

在液滴束流的第二半 322 已經發射之後，由調製電壓源 312 施加的電壓變為零(ling)並且液滴不帶電。電壓可以保持在零位時間段 t 沉默，其與帶電液滴的束流的末(mo)端(duan)和帶電液滴的下一個束流的開頭之間的時間段對應。時間段 t 沉默可以是任何合適的時間段。在一個實施例中，時間段 t 沉默(mo)可以是零，即，使得電壓立(li)即從 -Va 變為 Va。在一個實施例中，在液滴束流的第二半的末端和隨(sui)後的液滴束流的第一半的開始之間沒有間隙(xi)。

如果存在數量相同的帶正電的和帶負電的液滴並且全部這些帶電液滴具有相同幅(fu)值(zhi)的電荷，則所形成的聚結的較大的液滴將是電中性的。然而，可以通過形成數量不等的正、負帶電粒子（其可以通過使 Va 高的時間段和 Va 低的時間段不相等來實現）和 / 或通過具有幅值不等的正和負電荷（其可以通過具有不同幅值的正 Va 和負Va 來實現）形成具有電荷的聚結顆粒。如果聚結的液滴被形成在具有電荷的電極 314 和 318 之間，則這可以允(yun)許實現進一步(bu)的加速。

聚合形成的燃料液滴具有中性電荷。中性液滴到達等離子形成位置，並可以用以生成用於發射EUV輻射的等離子體。

參考(kao)資料：

[1] 新(xin)一代(dai)製程的關鍵：13.5奈(nai)米的「極端」紫外光

[2] 芯(xin)片的光刻技術

[3] 浸(jin)沒式光刻原理淺(qian)析(xi)

[4] 集成電路先進光刻技術與版(ban)圖設計優(you)化

[5] 光刻技術的原理和EUV光刻技術前景

[6] 光刻機詳解一：光源係統篇(pian)

[7] 光刻機詳(xiang)解二：光學鄰近(jin)校(xiao)正

[8] 光刻機結構組(zu)成及工作原理

[9] 光刻機發展史

[10] CN201280042339-輻射源和光刻設備

[11] ASML 簡(jian)介

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