EUV光刻技術(shù)代表了人類最高的科學(xué)技術(shù)水平，同時(shí)也是半導(dǎo)體得以迅速發(fā)展的關(guān)鍵推動(dòng)力。新一代EUV光刻機(jī)已采用波長(zhǎng)為13.5nm的極紫外光作為光源，可實(shí)現(xiàn)5nm以下制成。本文主要介紹MicroFab的Inkjet技術(shù)在EVU上的應(yīng)用，并詳細(xì)介紹了EUV中極紫外光源產(chǎn)生的原理及錫液滴發(fā)生的過(guò)程。

光刻機(jī)是在半導(dǎo)體領(lǐng)域必不可少的設(shè)備，無(wú)論生產(chǎn)制造什么樣的芯片，都脫離不了光刻機(jī)，如果說(shuō)航空發(fā)動(dòng)機(jī)代表了人類科技領(lǐng)域發(fā)展的頂級(jí)水平,那么光刻機(jī)則是半導(dǎo)體工業(yè)界最為耀眼的明珠，其具有技術(shù)難度最高、單臺(tái)成本最大、決定集成密度等特點(diǎn)。而目前最為先進(jìn)的光刻機(jī)是有荷蘭ASML生產(chǎn)的EUV光刻機(jī)，華為麒麟990 5G版首次采用了7nm EUV技術(shù)，EUV技術(shù)也叫紫外光刻（Extreme Ultraviolet Lithography），它以波長(zhǎng)為10-14nm的極紫外光作為光源的光刻技術(shù)。具體為采用波長(zhǎng)為13.5nm的紫外線，目前1-4代光刻機(jī)使用的光源都屬于深紫外光，而5代EUV光刻機(jī)則屬于極紫外光。

本文主要介紹MicroFab的Inkjet技術(shù)在EVU上的應(yīng)用。如圖1所示為光刻機(jī)的工作原理圖。光刻是制造芯片的關(guān)鍵技術(shù)，光刻機(jī)通過(guò)光源發(fā)出的光通過(guò)具有圖形的光罩（Reticle Mask，又稱掩模版）在經(jīng)過(guò)縮圖透鏡將光罩的圖案照射到涂有光刻膠的硅片上，光刻膠在見(jiàn)光后會(huì)發(fā)生性質(zhì)變化，從而使光罩上的圖形在硅片上刻錄，使硅片具有電子路線的作用。

EUV光源技術(shù)的激光等離子體（LPP, Laser Produced Plasma）技術(shù)是極紫外光源主要發(fā)生。EUV的產(chǎn)生是通過(guò)激光將錫滴作為燃料使其產(chǎn)生等離子體的過(guò)程。LPP EUV是將高功率的二氧化碳激光打在直徑約為20μm的錫液滴上，通過(guò)高功率激光使錫滴膨脹蒸發(fā)形成錫蒸汽，然后將蒸汽加熱產(chǎn)生等離子體，這個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生極紫外光。產(chǎn)生EUV的燃料可以是錫（Sn）、氙（Xe）、鋰（Li），由于氙（Xe）和鋰（Li）在實(shí)際測(cè)試中其產(chǎn)生的功率及工藝無(wú)法達(dá)到生產(chǎn)要求，錫滴被作為EUV制造的理想燃料。

LPP EUV系統(tǒng)主要包括錫滴發(fā)生器、激光器、源收集器、輻射收集器組成。
錫滴發(fā)生器用于產(chǎn)生作為燃料的錫液滴，用于產(chǎn)生20μm的錫滴；
激光器用于提供能量源，用于激發(fā)錫滴，通過(guò)引導(dǎo)激光束至錫滴來(lái)激發(fā)錫滴產(chǎn)生等離子體；
源收集器是一個(gè)中空的腔體，其內(nèi)部為真空環(huán)境用于支持等離子體；
輻射收集器接收EUV輻射，在產(chǎn)生等離子體的過(guò)程中會(huì)發(fā)生EUV輻射，通過(guò)輻射收集器進(jìn)行收集并將輻射狙擊成EUV光束進(jìn)行后續(xù)工作。

其步驟為：

1. 錫液發(fā)生器使錫液滴落入真空室③。

2. 脈沖式高功率激光器①擊中從旁飛過(guò)的錫液滴②—每秒 50,000 次。Laser分為兩部分，前脈沖和功率放大器。前脈沖和主脈沖擊中錫液使其氣化。

3. 錫原子被電離，產(chǎn)生高強(qiáng)度的等離子體。

4. 收集鏡捕獲等離子體向所有方向發(fā)出的 EUV 輻射，匯聚形成光源。

5. 將集中起來(lái)的光源傳遞至光刻系統(tǒng)④以曝光晶片⑤。

EVU的錫液滴發(fā)生裝置主要是由MicroFab提供的噴墨壓電頭組裝而成。錫滴發(fā)生器主要包含儲(chǔ)液器、錫材料、定制化的壓電噴頭、加熱器。儲(chǔ)液器用于存儲(chǔ)燃料液體，燃料液體由錫材料制成，在超過(guò)235℃高溫下融化，在氣體壓力作用下通過(guò)壓電噴頭擠出，由于瑞利破碎形成液滴。

錫滴產(chǎn)生原理

定制化的壓電噴頭中心一端有3-5μm的小孔為毛細(xì)玻璃管，毛細(xì)玻璃管外壁粘結(jié)壓電陶瓷，壓電陶瓷在電信號(hào)的作用下會(huì)發(fā)生形變產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)從壓電陶瓷傳遞至毛細(xì)玻璃管。儲(chǔ)液器連接至毛細(xì)玻璃管的另一端，儲(chǔ)液器中的錫材料在加熱到高于235℃時(shí)形成錫溶液，錫溶液在氣壓作用下從毛細(xì)玻璃管擠出，產(chǎn)生束流。在沒(méi)有壓電陶瓷的情況下，束流將在液滴發(fā)生一段距離（約噴嘴直徑的100-1000倍）后自然破碎形成液滴，其液滴直徑大約為噴嘴直徑的2倍或略小，兩液滴間隔是噴嘴直徑的大約4.5倍，雖然毛細(xì)玻璃管外壁沒(méi)有壓電陶瓷的作用液可以產(chǎn)生瑞利破碎，但壓電陶瓷可以通過(guò)控制毛細(xì)玻璃管內(nèi)的壓力控制瑞利破碎，從而使形成液滴的位置更加明確。

如果噴嘴的直徑為4μm，燃料液滴可以通過(guò)瑞利破碎形成約7μm直徑的液滴，液滴分開(kāi)大約18μm的距離，噴嘴的液滴產(chǎn)生速率對(duì)應(yīng)的瑞利頻率與噴嘴處燃料的平均速度和噴嘴的直徑相關(guān)：

雖然在沒(méi)有壓電陶瓷制動(dòng)的情況下也可以發(fā)生燃料液體束流的瑞利破碎，但壓電陶瓷可以通過(guò)控制毛細(xì)玻璃管內(nèi)的壓力控制瑞利破碎，調(diào)制毛細(xì)玻璃管內(nèi)的壓力調(diào)制離開(kāi)噴嘴的液體燃料的排出速度，并使液體燃料的束流在離開(kāi)噴嘴之后以受控制的方式直接破碎為液滴。如果通過(guò)壓電陶瓷施加的頻率足夠接近瑞利頻率，則燃料液滴形成，液滴被分開(kāi)的距離由離開(kāi)燃料噴嘴的平均排出速度和由壓電陶瓷施加的頻率決定。

噴嘴穩(wěn)定性

噴嘴的穩(wěn)定性或堵塞是任何噴墨打印應(yīng)用時(shí)在使用噴嘴期間可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題。噴頭堵塞可能是錫溶液中的污染物造成的，噴嘴堵塞會(huì)造成噴嘴的損壞或維護(hù)需求，并因此限制光刻機(jī)的后續(xù)工作。
通過(guò)在噴嘴前端增加過(guò)濾器可以過(guò)濾比噴嘴直徑大的障礙物，然而，比噴嘴直徑小的障礙物 和噴嘴內(nèi)的障礙物可能導(dǎo)致噴嘴的有效幾何結(jié)構(gòu)的改變。
有效幾何結(jié)構(gòu)的改變可能導(dǎo)致所生成的液滴束流的參數(shù)的改變，例如液滴形狀、尺寸，或更可能的是液滴束流的軌跡的方向。在許多應(yīng)用中，這些參數(shù)將需要滿足嚴(yán)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方面的要求將極其嚴(yán)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個(gè)微米，但是噴嘴本身需要放置相對(duì)遠(yuǎn)離等離子體形成位置，例如幾十厘米左右的距離。這導(dǎo)致液滴束流的軌跡的方向穩(wěn)定性要求也許小于10微弧度?？偟慕Y(jié)果是，即使是沉積在噴嘴的內(nèi)表面上的極小的微粒污染物也可以將噴嘴的有效幾何結(jié)構(gòu)改變至確保不滿足方向穩(wěn)定性要求的這種 程度。這又可以對(duì)輻射源的操作產(chǎn)生有害的影響并因此對(duì)光刻設(shè)備作為整體產(chǎn)生有害的影響，例如在生成輻射方面。
顆粒40是污染物的一個(gè)示例。污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(nèi)存在的其它任何物體（例如，薄片、結(jié)塊、溶液等）。污染物可能由于燃料的氧化引起。例如，如果燃料是錫，則污染物可能是錫氧化物顆粒等。

為了防止噴嘴被污染物堵塞，由此導(dǎo)致噴嘴的有效幾何結(jié)構(gòu)的改變。一種提出的解決方案是在燃料流動(dòng)系統(tǒng)中使用細(xì)的或較細(xì)的過(guò)濾器以防止具有小于噴嘴直徑的平均直徑的污染物（即，噴嘴的開(kāi)口）到達(dá)噴嘴。然而，這隨后可以導(dǎo)致燃料流動(dòng)系統(tǒng)整體的堵塞（即，在該過(guò)濾器處），這又導(dǎo)致需要定期維護(hù)或修復(fù)液滴生成裝置，由此造成輻射源和/或光刻設(shè)備作為整體的相當(dāng)長(zhǎng)的停工時(shí)間。
為了解決噴嘴堵塞的問(wèn)題，噴嘴內(nèi)表面特意地配置成防止在用以形成燃料液滴的燃料中存在的污染物沉積在該內(nèi)表面上，這可以通過(guò)確保內(nèi)表面對(duì)污染物是不具有粘性的或通過(guò)確保內(nèi)表面足夠光滑以避免這樣的沉積發(fā)生來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于，不促成 進(jìn)一步的堵塞等。相反，污染物被沖洗離開(kāi)燃料流動(dòng)系統(tǒng)，并且尤其是沖離噴嘴，因此防止 了堵塞，并因此防止噴嘴的有效幾何結(jié)構(gòu)的改變。
涂層可以是多種不同材料中的一種或包括多種不同材料中的一種，例如 ：氟化物（CaF2,BaF2）；氮化物 ；DLC（類金剛石碳）；特氟龍（即，PTFE- 聚四氟乙烯）；在一些情況下，上述材料中的任一種或更多種可以用作涂層。然而，類金剛石碳可能不總是合適的，這依賴于噴嘴的縱橫比，噴嘴的縱橫比可能有礙類金剛石碳涂層容易 應(yīng)用的沉積（例如使用氣相沉積）。氮化物可能會(huì)太粗糙，并且可能不足以防止污染物在噴嘴內(nèi)的聚積。由于可能太難以應(yīng)用氟化物作為涂層的事實(shí)，氟化物可能是不合適的。相反，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)PTFE和通過(guò)溶膠凝膠涂覆工藝得到的材料（例如基于硅或硅石的涂層，例如諸如 SiC2:CH3）是特別合適的，滿足上面限定的全部要求。

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?yàn)樗俣仍娇?，燃料液滴之間的間隔距離越大，從而減小由前面的燃料液滴生成的等離子體與下一個(gè)燃料液滴相互作用的風(fēng)險(xiǎn)，被輸送至等離子體形成位置的液滴的間隔應(yīng)該為1mm或更大。
為了獲得高速液滴，需要對(duì)液滴發(fā)生器中發(fā)生的液滴進(jìn)行電場(chǎng)加速，液滴發(fā)生器前方增加第一電級(jí)和第二電級(jí)，液滴發(fā)生器與第一電極連接調(diào)制電壓源，第一電極和第二電極連接恒定電壓源，第一電極接地，調(diào)制電壓源施加一個(gè)從恒定正壓Va切換到恒定負(fù)壓-Va的周期電壓信號(hào)，調(diào)制電壓源的頻率為液滴發(fā)生器頻率設(shè)置為特定關(guān)系，第一電極和第二電極中間施加一個(gè)恒定電壓源。當(dāng)液滴發(fā)生器產(chǎn)生液滴時(shí)，液滴帶電(正電荷或負(fù)電荷)，其所帶電荷與第一電極電荷相反，液滴在電場(chǎng)作用下加速穿過(guò)第一電極到達(dá)第二電極，通過(guò)調(diào)制電壓源的信號(hào)周期與液滴發(fā)生器的周期，使其產(chǎn)生的液滴帶電情況類似為“+++---”，當(dāng)液滴束流進(jìn)入第一電極和第二電極中間時(shí)，攜帶“+”電荷的粒子將減速，攜帶“-”電荷的粒子將加速，一段束流內(nèi)的液滴將融合變?yōu)橐粋€(gè)中性的大液滴。

電壓Va改變極性時(shí)，在液滴發(fā)生器和第一電極之間進(jìn)行的少量液滴可以被減速，因?yàn)樗麄兪恰板e(cuò)誤的”電荷，但是如果液滴發(fā)生器和第一電極之間的距離小，則這些液滴數(shù)量少，表示束流中的僅小部分液滴，并且不會(huì)顯著影響液滴的整體加速。
在液滴束流的第二半322已經(jīng)發(fā)射之后，由調(diào)制電壓源312施加的電壓變?yōu)榱悴⑶乙旱尾粠щ?。電壓可以保持在零位時(shí)間段t沉默，其與帶電液滴的束流的末端和帶電液滴的下一個(gè)束流的開(kāi)頭之間的時(shí)間段對(duì)應(yīng)。時(shí)間段t沉默可以是任何合適的時(shí)間段。在一個(gè)實(shí)施例中，時(shí)間段t沉默可以是零，即，使得電壓立即從-Va變?yōu)閂a。在一個(gè)實(shí)施例中，在液滴束流的第二半的末端和隨后的液滴束流的第一半的開(kāi)始之間沒(méi)有間隙。
如果存在數(shù)量相同的帶正電的和帶負(fù)電的液滴并且全部這些帶電液滴具有相同幅值的電荷，則所形成的聚結(jié)的較大的液滴將是電中性的。然而，可以通過(guò)形 成 數(shù) 量不等的正、負(fù)帶電粒子（其可以通過(guò)使Va高的時(shí)間段和Va低的時(shí)間段不相等來(lái)實(shí)現(xiàn)）和 / 或通過(guò)具有幅值不等的正和負(fù)電荷（其可以通過(guò)具有不同幅值的正Va和負(fù)Va來(lái)實(shí)現(xiàn)）形成具有電荷的聚結(jié)顆粒。如果聚結(jié)的液滴被形成在具有電荷的電極314和318之間，則這可以允許實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的加速。
聚合形成的燃料液滴具有中性電荷。中性液滴到達(dá)等離子形成位置，并可以用以生成用于發(fā)射EUV輻射的等離子體。

參考資料：

[1] 新一代制程的關(guān)鍵：13.5奈米的「極端」紫外光

[2] 芯片的光刻技術(shù)

[3] 浸沒(méi)式光刻原理淺析

[4] 集成電路先進(jìn)光刻技術(shù)與版圖設(shè)計(jì)優(yōu)化

[5] 光刻技術(shù)的原理和EUV光刻技術(shù)前景

[6] 光刻機(jī)詳解一：光源系統(tǒng)篇

[7] 光刻機(jī)詳解二：光學(xué)鄰近校正

[8] 光刻機(jī)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

[9] 光刻機(jī)發(fā)展史

[10] CN201280042339-輻射源和光刻設(shè)備

[11] ASML 簡(jiǎn)介

[12] 美國(guó)MicroFab官網(wǎng)