随机效应模糊了EUV光刻的分辨率极限

传统上，波长为 l 且数值孔径为 NA 的光刻系统的分辨率极限为半节距= 0.25 波长/NA。然而，使用 EUV 光刻时，需要添加电子模糊。这种模糊的影响是降低对比度。模糊将调制幅度降低 exp(-0.5*(2*pi*模糊/节距)²)。因此，归一化图像对数斜率 (NILS) 可能会降至目标值 2.0 以下（剂量变化 10% 时 CD 变化 10%）。

· EUV 光刻的分辨率极限受到电子模糊和随机效应的影响，这可能会使归一化图像对数斜率 (NILS) 降低到目标值 2.0 以下。

· 随机行为源于电子散射的变化并遵循泊松统计，从而导致形成的图像具有随机性。

· 随着 EUV 光刻技术的间距减小，需要更高的剂量来维持图像质量，这会降低产量并需要新的光刻胶材料。

EUV 光刻技术的另一个更严重的问题是其随机行为。理想情况下，即使存在模糊，我们也希望从掩模上的直线投射出直线图像，边缘平滑。

实际上，由于光刻胶的均匀性，我们预计电子散射会产生不同的模糊。除了局部变化的模糊之外，每平方纳米吸收的光子数量也会根据泊松统计（标准差 = sqrt（平均值））而变化。

我们还预计每个吸收的 EUV 光子的电子产量也会局部变化 [3-6]。因此，实际形成的图像将具有随机性。

图1. 30 nm、40 nm 和 50 nm 间距水平线的散射电子密度图。

吸收剂量 = 60 mJ/cm ²，抗蚀剂厚度 = 间距，5/um 吸收，3-5 电子/吸收光子，平均模糊 = 5 nm，模糊标准差 = 1 nm。像素大小为 1 nm。

间距越小，边缘越不清晰。通过设置适当的阈值以大致获得半间距线宽，边缘粗糙度变得明显。此外，边缘外部存在高于阈值的像素（“亮缺陷像素”），而边缘内部存在低于阈值的像素（“暗缺陷像素”），这突出了缺陷的趋势。缺陷像素越多，图像中丢失的信息就越多，尤其是边缘位置，如果严重到一定程度，就会产生实际的光刻胶缺陷。

正如预期的那样，亮缺陷像素和暗缺陷像素百分比的总和随着间距的减小而增加（图 2）。

图2. 左图：未曝光区域的亮缺陷像素百分比与曝光区域的暗缺陷像素百分比之和，与间距的关系。图中显示了 50 nm 间距下降低剂量的效果。右图：亮缺陷和暗缺陷的定义。

由于暗缺陷像素占主导地位，剂量增加应有助于减少缺陷像素百分比。正如泊松统计所预期的那样，剂量应与间距的立方成反比。吸收的光子数量与厚度（与间距成正比）和暴露面积（与间距2成正比）成比例。

随着间距减小，所需剂量快速上升，这对 EUV 系统的吞吐量造成负担。此外，需要更换光刻胶以适应完全不同的剂量（≥2X！）。如果吞吐量下降太严重，或者光刻胶剂量太高而无法适应，即使 k1>0.25，也会导致实际分辨率极限。在图 3 所示的例子中，剂量上限为 50 nm 间距下所用剂量的 2 倍，这将使 40 nm 间距成为实际分辨率极限。

图 3. 预计剂量随间距的立方倒数而变化，以保持相同程度的光子噪声。在此示例中，剂量上限为间距 50 nm 时所用剂量的 2 倍，这将使间距 40 nm 成为实际分辨率极限。

总而言之，EUV 光刻的分辨率极限不仅仅由限制 DUV 光刻的因素决定。还需要考虑电子模糊和随机效应。

由于随机性，随着间距减小，剂量预计会显著增加。间距越小，吸收的光子就越少，模糊的影响就越大。更高的剂量会影响产量和光刻胶的选择。

因此，EUV 光刻的实际分辨率极限将取决于剂量和光刻胶。看到多重图案化用于间距 ~30 nm 及以下并不奇怪。

什么是EUV光刻?

EUV光是指用于微芯片光刻的极紫外光，它涉及到在光敏材料中涂覆微芯片晶圆并小心地将其暴露在光下。这将在晶圆上打印图案，用于微芯片设计过程中的进一步步骤。

计算机的历史就是半导体工业的历史，而半导体工业又是不懈追求小型化的历史。在20世纪50年代到80年代中期的初期阶段，光刻技术是通过紫外线和光罩将电路图案投射到硅片上。

在此期间，摩尔定律(20世纪60年代的格言，即微芯片上晶体管的数量每两年翻一番)开始挑战这一过程的物理极限。这意味着计算能力的惊人增长和消费者技术成本的降低也有达到极限的危险。从20世纪80年代到21世纪初，深紫外(DUV)光刻技术推动了下一代小型化技术的发展，使用了153至248纳米范围内的短波长，这使得半导体硅片上的印记更小。

在进入新千年之前，世界各地的研究人员和竞争公司都在寻找制造极紫外光刻技术的突破，甚至可能实现更短的波长。2003年，阿斯麦公司完成了一个原型机，但又花了10年时间才开发出一个可供生产的系统。

从那时起，每隔几年，ASML就会推出下一代EUV光刻系统，其生产能力更强，波长低至13.5纳米。这使得微芯片设计变得难以置信的精确，并使晶体管尽可能密集地放置在微芯片上——简而言之，它使计算机速度更快。