噴墨打印技術(shù)在EUV光刻機上的應(yīng)用

光刻機是在半導(dǎo)體領(lǐng)域必不可少的設(shè)備，無論生產(chǎn)制造什么樣的芯片，都脫離不了光刻機，如果說航空發(fā)動機代表了人類科技領(lǐng)域發(fā)展的**水平,那么光刻機則是半導(dǎo)體工業(yè)界最為耀眼的明珠，其具有技術(shù)難度**、單臺成本**、決定集成密度等特點。而目前最為先進的光刻機是有荷蘭ASML生產(chǎn)的EUV光刻機，華為麒麟990 5G版**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)。具體為采用波長為13.5nm的紫外線，目前1-4代光刻機使用的光源都屬于深紫外光，而5代EUV光刻機則屬于極紫外光。

本文主要介紹MicroFab的Inkjet技術(shù)在EVU上的應(yīng)用。如圖1所示為光刻機的工作原理圖。光刻是制造芯片的關(guān)鍵技術(shù)，光刻機通過光源發(fā)出的光通過具有圖形的光罩（Reticle Mask，又稱掩模版）在經(jīng)過縮圖透鏡將光罩的圖案照射到涂有光刻膠的硅片上，光刻膠在見光后會發(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。

▲ 圖1 光刻機工作原理圖

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)生是通過激光將錫滴作為燃料使其產(chǎn)生等離子體的過程。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，這個過程會產(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）在實際測試中其產(chǎn)生的功率及工藝無法達到生產(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，通過引導(dǎo)激光束至錫滴來激發(fā)錫滴產(chǎn)生等離子體；

源收集器是一個中空的腔體，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)生等離子體的過程中會發(fā)生EUV輻射，通過輻射收集器進行收集并將輻射狙擊成EUV光束進行后續(xù)工作。

▲ 圖2   EUV光刻機工作原理示意圖

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)生器主要包含儲液器、錫材料、定制化的壓電噴頭、加熱器。儲液器用于存儲燃料液體，燃料液體由錫材料制成，在超過235℃高溫下融化，在氣體壓力作用下通過壓電噴頭擠出，由于瑞利破碎形成液滴。

▲ 圖3 EUV光源示意圖

定制化的壓電噴頭中心一端有3-5μm的小孔為毛細玻璃管，毛細玻璃管外壁粘結(jié)壓電陶瓷，壓電陶瓷在電信號的作用下會發(fā)生形變產(chǎn)生振動，振動從壓電陶瓷傳遞至毛細玻璃管。儲液器連接至毛細玻璃管的另一端，儲液器中的錫材料在加熱到高于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(chǎn)生束流。在沒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，雖然毛細玻璃管外壁沒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控制毛細玻璃管內(nèi)的壓力控制瑞利破碎，從而使形成液滴的位置更加明確。

▲ 圖4 定制化錫液滴發(fā)生裝置中的壓電噴頭示意圖

如果噴嘴的直徑為4μm，燃料液滴可以通過瑞利破碎形成約7μm直徑的液滴，液滴分開大約18μm的距離，噴嘴的液滴產(chǎn)生速率對應(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)：

雖然在沒有壓電陶瓷制動的情況下也可以發(fā)生燃料液體束流的瑞利破碎，但壓電陶瓷可以通過控制毛細玻璃管內(nèi)的壓力控制瑞利破碎，調(diào)制毛細玻璃管內(nèi)的壓力調(diào)制離開噴嘴的液體燃料的排出速度，并使液體燃料的束流在離開噴嘴之后以受控制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接近瑞利頻率，則燃料液滴形成，液滴被分開的距離由離開燃料噴嘴的平均排出速度和由壓電陶瓷施加的頻率決定。

噴嘴的穩(wěn)定性或堵塞是任何噴墨打印應(yīng)用時在使用噴嘴期間可能會出現(xiàn)的問題。噴頭堵塞可能是錫溶液中的污染物造成的，噴嘴堵塞會造成噴嘴的損壞或維護需求，并因此限制光刻機的后續(xù)工作。

通過在噴嘴前端增加過濾器可以過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微米，但是噴嘴本身需要放置相對遠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。這又可以對輻射源的操作產(chǎn)生有害的影響并因此對光刻設(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。

▲ 圖5 噴嘴處污染顆粒對錫液滴形成的影響

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系統(tǒng)中使用細的或較細的過濾器以防止具有小于噴嘴直徑的平均直徑的污染物（即，噴嘴的開口）到達噴嘴。然而，這隨后可以導(dǎo)致燃料流動系統(tǒng)整體的堵塞（即，在該過濾器處），這又導(dǎo)致需要定期維護或修復(fù)液滴生成裝置，由此造成輻射源和/或光刻設(shè)備作為整體的相當長的停工時間。

為了解決噴嘴堵塞的問題，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，這可以通過確保內(nèi)表面對污染物是不具有粘性的或通過確保內(nèi)表面足夠光滑以避免這樣的沉積發(fā)生來實現(xiàn)。這種方法的優(yōu)點在于，不促成 進一步的堵塞等。相反，污染物被沖洗離開燃料流動系統(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，氟化物可能是不合適的。相反，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)PTFE和通過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。

燃料液滴需要具有高的速度（例如100m/s或更高），這是因為速度越快，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燃料液滴相互作用的風險，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，需要對液滴發(fā)生器中發(fā)生的液滴進行電場加速，液滴發(fā)生器前方增加**電級和第二電級，液滴發(fā)生器與**電極連接調(diào)制電壓源，**電極和第二電極連接恒定電壓源，**電極接地，調(diào)制電壓源施加一個從恒定正壓Va切換到恒定負壓-Va的周期電壓信號，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，**電極和第二電極中間施加一個恒定電壓源。當液滴發(fā)生器產(chǎn)生液滴時，液滴帶電(正電荷或負電荷)，其所帶電荷與**電極電荷相反，液滴在電場作用下加速穿過**電極到達第二電極，通過調(diào)制電壓源的信號周期與液滴發(fā)生器的周期，使其產(chǎn)生的液滴帶電情況類似為“+++---”，當液滴束流進入**電極和第二電極中間時，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€中性的大液滴。

▲ 圖6   液滴加速示意圖

電壓Va改變極性時，在液滴發(fā)生器和**電極之間進行的少量液滴可以被減速，因為他們是“錯誤的”電荷，但是如果液滴發(fā)生器和**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姟ｋ妷嚎梢员３衷诹阄粫r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束流的開頭之間的時間段對應(yīng)。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沉默可以是零，即，使得電壓立即從-Va變?yōu)閂a。在一個實施例中，在液滴束流的第二半的末端和隨后的液滴束流的**半的開始之間沒有間隙。

如果存在數(shù)量相同的帶正電的和帶負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，可以通過形 成 數(shù) 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(xiàn)）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(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，則這可以允許實現(xiàn)進一步的加速。

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。