突破瓶颈：下一代光刻机高数值孔径 EUV 技术难题解析

在高数值孔径 EUV 光刻系统中，数值孔径 (NA) 从 0.33 扩展到 0.55。这一变化被宣传为可以避免在 0.33 NA EUV 系统上进行多重图案化。直到最近才有具体的例子提供。事实上，在 DUV 双重图案化已经足够的情况下，EUV 已经实现了双重图案化。

数值孔径的增加允许使用更多衍射级数或更宽的空间频率范围进行成像。对于同一幅图像，拥有更多衍射级数可以产生更明亮、更窄的峰值，如图1的示例所示。

图 1. 对于相同的四分之一节距输入线图案，四个衍射级比两个衍射级产生更明亮、更窄的峰值。NILS 因峰值更尖锐而得到改善。

峰值越尖锐，意味着归一化图像对数斜率 (NILS) 越好，因此光子吸收中散粒噪声的随机效应不会那么严重。因此，与 0.55 NA 相比，0.33 NA 的直接打印图像更容易出现质量下降。

为了将散粒噪声保持在足够低的水平，以保证单次0.33 NA曝光，剂量必须增加到一定程度，使吞吐量或光刻胶损失成为不利因素，例如> 100 mJ/cm 2。另一方面，如果将0.33 NA图案分成两个单独曝光的部分（图2），由于特征之间的间隔较大，每个部分的空间频率范围都会更密集，从而改善NILS。

图 2. 随机 36 nm 通孔图案分成两部分，用于 0.33 NA EUV 双重图案化；每种颜色代表两个掩模版中的一种。在这种情况下，DUV 双重图案化可以采用相同的分割方法。

有趣的是，在这种情况下，最小 100 纳米的距离意味着 DUV 也可以与双重图案化技术一起使用，以获得相同的图案。这与之前的研究结果一致，即由于随机效应的影响，DUV 和 EUV 双重图案化技术可能会重叠。

此外，如果将图2中的图案按NA比（0.33/0.55）缩小，使通孔尺寸变为36纳米 x 0.6 = 21.6纳米，则同样的情况也适用于High NA的情况，因为空间频率范围（归一化为0.55NA）现在已缩小到与之前0.33NA相同的范围。这意味着我们预期high NA EUV将进行两次图案化，Low NA EUV将进行三次图案化，而DUV将进行四次图案化（图3）。

图 3. 图 2 中 0.6 倍缩放图案的不同多重图案化场景

另一方面，可以注意到，通孔图案可以符合对角网格，如果通孔完全自对准，这将使得 DUV/低NA双重图案化或High NA EUV单重图案化能够进行位置选择（图4）。

图 4. 通过对角网格位置选择应用于图 3 的图案简化了多重图案化（DUV/low NA EUV 的双重图案化，High NA EUV 的单重图案化）。

数值孔径越大，空间频率范围越广，其根本后果是用于成像的光路范围也越大。每条路径都与光轴形成一个夹角。在晶圆上，更宽的范围会导致较高空间频率与较低空间频率的相位差更大，从而导致图像因散焦而失去对比度。图5直观地展示了这一现象。

图 5. 间距为 30 nm 且有断线的情况，呈现出高数值孔径的广泛衍射级次，导致焦深相对有限。

如图5所示，这对于线路中断尤其不利，因为需要控制尖端到尖端的距离。同样，这也适用于相应的线切割图案。焦深减小通常适用于特征间距较大的图案，例如图2中的随机通孔图案。图6显示，即使15纳米的离焦也足以显著影响40纳米间距的线路图案，这是因为0.55数值孔径包含四个衍射级，而0.33数值孔径包含两个衍射级。

图 6. 由于 0.55 NA 包含更多的衍射级，因此即使散焦为 15 nm，40 nm 间距的线条图案也会受到显著影响。

为了尽可能地保持图像在整个光刻胶厚度范围内的均匀性，光刻胶厚度最多需要与焦深相同。对于高数值孔径，焦深小于 30 纳米意味着光刻胶厚度必须小于 30 纳米，这可能会进一步造成 50% 的光刻胶厚度损失 。如此薄的残留光刻胶层对极紫外光的吸收也非常少，导致吸收的光子散粒噪声更高，对来自底层以及极紫外等离子体的电子的灵敏度也更高。

因此，尽管营销中显然没有提及，但可以合理地预期，hIGHNA EUV曝光无法为合理的光刻胶厚度提供足够的焦深，而任何未来的Hyper NA（至少0.75 ）会更糟。