助力高級(jí)光刻技術(shù)：存儲(chǔ)和運(yùn)輸EUV掩模面臨的挑戰(zhàn)

引言

隨著半導(dǎo)體行業(yè)持續(xù)突破設(shè)計(jì)尺寸不斷縮小的極限，極紫外 (EUV) 光刻技術(shù)的運(yùn)用逐漸擴(kuò)展到大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境中。對(duì)于 7 納米及更小的高級(jí)節(jié)點(diǎn)，EUV 光刻技術(shù)是一種能夠簡(jiǎn)化圖案形成工藝的支持技術(shù)。要在如此精細(xì)的尺寸下進(jìn)行可靠制模，超凈的掩模必不可少。

與所有掩模一樣，用于 EUV 光刻的掩模依靠掩模光罩盒實(shí)現(xiàn)安全存儲(chǔ)，以及保護(hù)它們免受光刻圖案形成、檢測(cè)、清潔和修復(fù)的影響。防護(hù)光罩盒必須能夠使用多年，而且不會(huì)造成有害的污染或物理?yè)p壞。

專為 193 納米沉浸式光刻而設(shè)計(jì)的光罩盒無(wú)法為 EUV 掩模提供足夠的保護(hù)。EUV 光刻的獨(dú)特要求對(duì)光罩盒提出了額外的限制條件和要求，使得 EUV 掩模光罩盒成為一種具有多個(gè)關(guān)鍵元件且高度專業(yè)化的設(shè)備。

本文介紹了為 EUV 光刻設(shè)計(jì)光罩盒所面臨的內(nèi)在挑戰(zhàn)， 并提出了解決方案以便讓更多晶圓廠能夠在其工廠中采用先進(jìn)的光刻節(jié)點(diǎn)。

保護(hù)EUV掩模

光刻圖案越精細(xì)，發(fā)生掩模污染的風(fēng)險(xiǎn)就越高。潛在污染源包括外來(lái)顆粒和化學(xué)殘留物。掩模涂層比較脆弱，容易損壞。接觸掩模的任何物體都可能造成損壞，無(wú)論是意料之中的制程部件（例如，晶圓廠里的機(jī)械臂），還是意外污染物（例如，人的毛發(fā)）。

沉浸式光刻采用薄膜作為“防塵罩”，以保護(hù)掩模在圖案曝光期間免受顆粒污染。薄膜需要是光學(xué)透明的，從 EUV 光刻角度來(lái)說(shuō)，這意味著它們必須對(duì)波長(zhǎng)約 13.5 納米的EUV 光譜中的光透明。現(xiàn)有的大多數(shù)薄膜材料都會(huì)吸收EUV 光，但半導(dǎo)體行業(yè)已開始采用 EUV 專用薄膜（見圖 1）。

在薄膜成為 EUV 光刻技術(shù)的使用標(biāo)準(zhǔn)之前，EUV 光罩盒需要保護(hù)沒有添加薄膜的掩模。用于 EUV 光刻的 NXE 機(jī)臺(tái)需要采用雙光罩盒配置，包括處于真空條件下的金屬內(nèi)光罩盒以及與周圍環(huán)境接觸的外光罩盒。內(nèi)光罩盒只有在處于機(jī)臺(tái)設(shè)備內(nèi)部時(shí)才會(huì)打開。

雙光罩盒配置是 EUV 光刻的標(biāo)準(zhǔn)慣例，而且這種光罩盒可以在市場(chǎng)上買到。雖然它們很容易買到，但不能因此就將它們視為商品。EUV 光罩盒設(shè)計(jì)（見圖 2）會(huì)不斷改進(jìn)，以滿足性能和光刻產(chǎn)率的要求。

盡管雙光罩盒配置可以提供保護(hù)，但發(fā)生污染的可能性依然很大。因此，開發(fā) EUV 光罩盒時(shí)必須考慮如何降低污染風(fēng)險(xiǎn)。尤其是對(duì)于沒有添加薄膜的掩模，內(nèi)光罩盒起著主要保護(hù)作用，但也是潛在污染物的主要來(lái)源。

光罩盒的設(shè)計(jì)考量包括內(nèi)外光罩盒的幾何結(jié)構(gòu)及其制作材料。

材料清潔度

接觸或圍繞掩模的所有表面（包括光罩盒的表面）都必須保持超凈，避免以顆?；蛲ㄟ^(guò)空氣傳播的化學(xué)蒸氣的形式引入有害污染物。

聚合物放氣會(huì)產(chǎn)生不良化學(xué)污染物，而且它們會(huì)沉積在掩模表面。因此，應(yīng)秉持著最大限度減少放氣可能性的目標(biāo)來(lái)選擇光罩盒材料。內(nèi)光罩盒由金屬制成，不會(huì)發(fā)生釋氣。但是，外光罩盒是采用聚合物制成的，正如非 UV 光刻中使用的單掩模光罩盒。

踐行的縮小設(shè)計(jì)準(zhǔn)則使得無(wú)污染環(huán)境更為重要，因?yàn)榧词购苄〉奈廴绢w粒也很有可能導(dǎo)致圖案轉(zhuǎn)移錯(cuò)誤和良率損失。

確保有效的機(jī)械保護(hù)

在晶圓廠內(nèi)和工廠之間運(yùn)輸過(guò)程中，例如通過(guò)空運(yùn)或陸運(yùn)從掩模工廠運(yùn)輸?shù)郊善骷圃焐?(IDM) 時(shí)，光罩盒必須妥善保護(hù)其中的掩模。不僅需要保護(hù)光罩盒中的掩模，還需要盡量減少接觸力過(guò)高所引起的機(jī)械損傷，這兩者之間存在微秒的平衡。如果阻力過(guò)小，掩模將無(wú)法承受運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)的機(jī)械加速和振動(dòng)，并將遭到損壞。

如果接觸片的阻力過(guò)大，將在掩模上造成過(guò)多的接觸痕跡。若是掩模邊緣的玻璃被刮掉，玻璃顆粒就會(huì)成為導(dǎo)致光刻缺陷的污染物。從顆粒產(chǎn)生的角度來(lái)看，接觸力越小越好。

只要光罩盒能夠?qū)⒀谀＠卫喂潭ㄔ谠患纯桑佑|點(diǎn)越少，光罩盒引起顆粒污染的可能性就越低。接觸點(diǎn)的大小同樣很重要。接觸面越大，光罩盒關(guān)閉時(shí)的接觸應(yīng)力就越小。

光罩盒材料的選擇對(duì)于盡可能減少接觸痕跡也至關(guān)重要。理想的光罩盒材料能夠抵抗在固定掩模以及打開和關(guān)閉光罩盒時(shí)的磨損。

凈化光罩盒

需要定期凈化外光罩盒以除去內(nèi)部的水分，為掩膜保持干潔的環(huán)境。凈化氣體（極凈的干燥空氣 (XCDA) 或氮?dú)猓┩ㄟ^(guò)進(jìn)氣口進(jìn)入外光罩盒即可進(jìn)行凈化。

雖然凈化期間的大部分氣體交換都發(fā)生在外光罩盒中， 但在凈化或 NXE 機(jī)臺(tái)內(nèi)的真空抽氣和排氣過(guò)程中，確實(shí)會(huì)有一些氣體流入和流出內(nèi)光罩盒。內(nèi)光罩盒中內(nèi)置有過(guò)濾器，可用于進(jìn)行氣體分子的交換，并最大限度減少進(jìn)入內(nèi)光罩盒的顆粒。處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，還需對(duì)內(nèi)光罩盒進(jìn)行密封，從而幾乎所有氣體交換都通過(guò)過(guò)濾器完成，而不是任何密封漏洞。

在理想的設(shè)計(jì)中，過(guò)濾器傳導(dǎo)性（對(duì)氣體流經(jīng)過(guò)濾器的能力的衡量）應(yīng)顯著高于密封傳導(dǎo)性，從而進(jìn)入內(nèi)光罩盒的空氣中至少有 90% 是經(jīng)由過(guò)濾器進(jìn)入的。

內(nèi)光罩盒中的過(guò)濾器必須有足夠的滲透性，以允許充足的氣流進(jìn)入，但還要足夠穩(wěn)固，以便能夠承受清潔的力度。為了實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)钠胶猓仨氁?jǐn)慎選擇過(guò)濾器材料和幾何結(jié)構(gòu)。

如果顆粒通過(guò)蓋板和基板之間的密封處進(jìn)入掩模，則掩模和基板之間的間隙尺寸應(yīng)盡可能小，以確保顆粒處于掩模外邊緣，而不是轉(zhuǎn)移到可能導(dǎo)致良率損失的活躍區(qū)（見圖 3）。

設(shè)備兼容性

大部分光刻制程都是自動(dòng)執(zhí)行，處理光罩盒的機(jī)械臂需始終能與光罩盒尺寸相匹配。尺寸方面幾乎沒有調(diào)整的空間，光罩盒必須與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口兼容。光罩盒的設(shè)計(jì)使用壽命為七到十年，因此新設(shè)備需要與現(xiàn)有光罩盒向后兼容。

光罩盒的預(yù)期使用壽命較長(zhǎng)，這意味著它們會(huì)在多年內(nèi)經(jīng)歷數(shù)千次的開/關(guān)循環(huán)。使用抗磨損材料既能最大限度地減少顆粒污染，又能延長(zhǎng)光罩盒的使用壽命。

掩模光罩盒的光學(xué)窗口必須與自動(dòng)化設(shè)備兼容。光刻機(jī)中的攝像頭需要能夠觀察光罩盒內(nèi)部以便正確檢測(cè)掩模情況，這對(duì)光罩盒中窗口的反射性和平整度提出了嚴(yán)格的要求。

安置薄膜

掩模光罩盒需要能夠使用多年，因而它們必須滿足當(dāng)前和未來(lái) EUV 光刻的要求。因此，現(xiàn)今的光罩盒設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮設(shè)計(jì)兩款光罩盒，一款具有可容納薄膜的空間，另一款可在不添加薄膜的情況下使用?？赏ㄟ^(guò)添加薄膜袋來(lái)修改內(nèi)光罩盒，但仍要滿足光罩盒的整體尺寸和重量要求。

要設(shè)計(jì)與薄膜兼容的光罩盒，光罩盒制造商、薄膜供應(yīng)商和光刻機(jī)制造商需要密切協(xié)作。自動(dòng)化設(shè)備假定內(nèi)光罩盒的重量變化范圍很小，這意味著在為了制作薄膜袋而去除一部分材料后，必須在光罩盒的其他地方添加相近的重量。確定內(nèi)光罩盒中接觸點(diǎn)和窗口的位置時(shí)，必須考慮薄膜的幾何結(jié)構(gòu)。

薄膜極其易碎。在進(jìn)行光刻操作期間，真空凈化和通風(fēng)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)光罩盒中發(fā)生壓力變化。必須將此壓差控制在特定閾值以下，從而過(guò)度偏轉(zhuǎn)也不會(huì)損壞薄膜。在與薄膜兼容的內(nèi)光罩盒中正確放置窗口可以提供可見性，這樣光刻機(jī)就能夠檢測(cè)薄膜損壞情況。

EUV 設(shè)備必須能夠處理帶有或不帶薄膜的掩模，并能夠區(qū)分這兩種掩模之間的區(qū)別。如果不小心將帶有薄膜的掩模放入沒有薄膜袋的光罩盒，將會(huì)對(duì)薄膜造成不可挽回的損傷。內(nèi)光罩盒應(yīng)包含相應(yīng)設(shè)計(jì)功能，確保 EUV 設(shè)備中的攝像頭能掃描并光學(xué)檢測(cè)出光罩盒類型，從而降低錯(cuò)誤識(shí)別光罩盒的風(fēng)險(xiǎn)。

總結(jié)

EUV 掩模光罩盒是一種高度專業(yè)化的設(shè)備，在 EUV 光刻中起著至關(guān)重要的作用。在使用、存儲(chǔ)和運(yùn)輸過(guò)程中，它們必須保護(hù)掩模，同時(shí)確保不引入其他污染物或?qū)е聯(lián)p壞。光罩盒必須與光刻設(shè)備兼容，還要能夠保持為掩模提供干潔的環(huán)境。對(duì)于帶有和不帶薄膜的掩模，精確設(shè)計(jì)的雙光罩盒配置可以實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，從而確保 EUV 光刻技術(shù)滿足未來(lái)發(fā)展需求。

參考文獻(xiàn)

1 Zoldesi, C.，2014 SPIE Advanced Lithography, San Jose CA, 9048-54，幻燈片 21

https://staticwww.asml.com/doclib/misc/asml_20140306_EUV_lithography_-_NXE_platform_performance_ overview.pdf