Il progetto PREUVE e lo sviluppo di una sorgente nell'estremo ultravioletto per la futura litografia...

Il progetto PREUVE e lo sviluppo di una sorgente nell'estremo ultravioletto per la

futura litografia a 13.5 nm al CEA-DRECAM.

T. Ceccotti, Groupe des Applications PlasmaCEA-DSM/DRECAM/SPAMC.E. de Saclay, FRANCE

Seminario Istituto per i Processi Chimico-Istituto per i Processi Chimico-FisiciFisici

Pisa, 18 aprile 2002

Struttura del seminario

• Il progetto R&D PREUVE

• Il progetto industriale EXULITE

• La litografia del futuro

• La sorgente CEA-DRECAM

”… in 30 anni, i circuiti integrati hanno avuto sull’economia US un impattodue volte piu’ importante che i primi 60 anni di sfruttamento delle ferrovie nel secolo XIX “

”… in Moore we trust “Il numero di transistors in un circuito integrato raddoppia ogni 18

mesi

10 mai 1999 Réunion DAM - JY ROBIC 4

… … e dopo i 193 nm? e dopo i 193 nm? Opzioni e vincoli per la Next Generation LithographyOpzioni e vincoli per la Next Generation Lithography

• Principali caratteristiche da rispettare Principali caratteristiche da rispettare

80 wafer/ora (80 wafer/ora ( 300mm) 300mm)

dimensione trattodimensione tratto

maschere di prezzo ”ragionevole“maschere di prezzo ”ragionevole“

padronanza processi resinepadronanza processi resine

sorgente ”pulita“ e intensasorgente ”pulita“ e intensa

””Cost of Ownership“ e ”Time to market“Cost of Ownership“ e ”Time to market“

• Candidati :Candidati :

la proiezione ottica @ 157nmla proiezione ottica @ 157nm

la proiezione EUV @ 13nmla proiezione EUV @ 13nm

la litografia X (a contatto) / sincrotronela litografia X (a contatto) / sincrotrone

la scrittura diretta a fascio d ’elettronila scrittura diretta a fascio d ’elettroni

Il ”sine qua non“ della litografia ottica

La domanda industriale per il ”dopo 2006“:

k1, k2 ~ 0.7 parametri del sistemaNA = apertura numerica ( 0.2)

Lo scenario della litografia ottica resta possibile !

R < 100 nm dimensione tratto

DOF > 1000 nm topologia del wafer

Risoluzione R = k1/NA

Prof. di campo DOF = k2/ (NA)2

La scelta della lunghezza d’onda

SiMo

Disponibilità ottichealtamente riflettive

Requisiti sorgente(emissività, pulizia,…)

Capitalizzazione studigià effettuati (litio)

Necessità di uno standard

(ottiche, maschere)

”… ok, diciamo piuttosto tra i 13 e i 14 nm.“

Sematech, marzo 2002

??

? ?

”… la lunghezza d’onda e ’ fissata definitivamente a 13.5 nm.“

Sematech, novembre 2000

La prospettiva intorno al 2008-2010

2008 2010

0.013 µm

0.05 µm

EUVL

Scenario ”Photons Forever“

Dalla litografia ottica alla litografia EUV

Punti di continuità:

• Bagaglio scientifico-tecnico

• Risoluzione e DOF funzioni di NA e • Utilizzo ottiche di riduzione (4x)

• Utilizzo tecniche ”estensione ottica“

• Assorbimento luce a 13.5 nm

• Utilizzo ottiche in riflessione

• Utilizzo di maschere in riflessione

• Necessità processo sotto vuoto

Punti di rottura:

• Necessità molteplici competenze

• Necessità strumenti adeguati

• Piano ”aggressivo“ di R&D

• Rivoluzione piu’ che evoluzione

Conseguenze economiche:

• Sviluppare tecnologia di base

• Dimostrarne la validità con un

prototipo (-tool)

• Trasferimento tecnologia verso

l’industria litografica

Soluzione:

I grandi progetti della litografia del futuro

ASET EUVL

Fujitsu, Hitachi, Intel, Nec

Matsushita, Mitsubishi, Oki,

Sharp

Nikon, Samsung, Sony, SPC,

ToshibaEUCLIDES

ASML, Zeiss, Oxford Instr.

EUV LLC

AMD, Intel, Motorola

LBNL, LLNL, SNL

Giugno 1997 Agosto 1998

Ottobre 1998

Vuoto 1 mTorr (assorbimento EUV)assenza d’acqua ( < ppm)assenza idrocarburi ( < ppm)

Ottiche riflessive multistratoforte riflettività (~70% Mo-Si)debole rugosità (< 2Å rms)ottiche asferiche (proiezione) grande diametro (condensatore, proiezione)

Sorgenteflusso, dimensione, assenza di frammenti

Mascherezero difettibuon contrasto

Micromeccanicaes: posizionamento wafer et maschera

Maschera

Wafer

Sorgenteplasma

Camerasorgente

Cameraproiezione

Le sfide tecniche imposte

dalla litografia EUV

Bersaglio: foglio sottile

Laser

Emissione faccia posterioredebole divergenza: 60°frammenti scarsi

Emissione faccia anterioreforte divergenza: 180°quantità importante frammenti

• Riunire le competenze francesi e valorizzarle

nel dominio della litografia EUV

• Sviluppare i diritti intellettuali (brevetti)

• Realizzare dei componenti industriali per gli

”steppers“ EUV o dei prototipi di strumenti per

la metrologia

• Preparare/facilitare la partecipazione dei partners

francesi ai programmi internazionali

• Realizzazione di un banco di prova per la litografia (BEL)

Il progetto PREUVE*

*RMNT

PREUVE

Novembre 1999SORGENTE

CEA - DRECAMCEA - DAMGREMI

OTTICHE

REOSC - SAGEMUDESAM - CNRS

MASCHEREEUV

SESOLETISOPRA

= partners industriali

Le Groupe d’Applications des Plasmas

Martin Schmidt, Olivier Sublemontier, Tiberio Ceccotti

Patrick Haltebourg, Didier NormandDominique Descamps, Jean-François Hergott, Sébastien Hulin

Marc Segers, Fabien Chichmanian

1. LPP1. LPP Kubiak (EUV-LLC), Kubiak (EUV-LLC), Kondo (Université de Tsukuba), Kondo (Université de Tsukuba), Chang (TRW), Chang (TRW), Hertz (RIT Stockholm), Hertz (RIT Stockholm), Schriever (Université de Floride),Schriever (Université de Floride),Constantinescu (Philips Eindhoven)Constantinescu (Philips Eindhoven)

2.Sincrotrone2.Sincrotrone Ockwell (Oxford Instr.)Ockwell (Oxford Instr.)

3. Scarica 3. Scarica Fomenkov (Cymer), plasma focusFomenkov (Cymer), plasma focus elettricaelettrica Lebert (FHG Aix la Chapelle), hollow cathode Lebert (FHG Aix la Chapelle), hollow cathode

Mc Geoch (Plex LLC), z-pinchMc Geoch (Plex LLC), z-pinch Silfvast (Université de Floride) capillary dischargeSilfvast (Université de Floride) capillary discharge

Le sorgenti EUV nel mondo nel Le sorgenti EUV nel mondo nel 19991999

I differenti tipi di ”targhetta“ jet consideratiI differenti tipi di ”targhetta“ jet considerati

1. Micro-jet liquido

Pro:• Quasi-assenza riassorbimento • Alta densità• Impatto distante• Facilità di pompaggio

Contro:• Dimensione • Instabilità• Onde di choc

2. Jet d’aggregati

Pro:• Stabilità• Forte CE (sub-ns)

Contro:• Forte riassorbimento• Debole densità• Impatto molto vicino• Pompaggio critico

3. Jet GAP

Pro:• Debole riassorbimento• Forte densità• Impatto suff. distante• Stabilità• Facilità di pompaggio

Contro:• Importante flusso di materia

1a fase di PREUVE:la sorgente a getto

d’acqua

• jet a forte confinamento

(angolo d’apertura ~ 5°)

• debole riassorbimento d’ EUV

intorno al jet

• zona d’interazione

@ 1-5mm dalla valvola

• facilità di pompaggio

• tecnologia semplice e affidabile

• costi estremamente contenuti

1a fase di PREUVE :il prototipo WEGA

LaserCamera d’ interazione

Lente difocalizzazione

verso il riflettometroverso lo spettrometro

Sorgente EUV

Iniettore

Il riflettometro

• monocromatore multistrato

• testa goniometrica

• diodo EUV calibrato

• filtri Zr doppio-strato (assenza micro fori)

1a fase di PREUVE :le diagnostiche

Lo spettrometro a reticolo in trasmissione#


* ringraziamenti: Prof. Schmahl, Institut für Röntgenphysik, Göttingen Dr. T. Wilhein, Institute for Applied Physics, Remagen

• reticolo in trasmissione in Si*, 10000 linee/mm

• 200

• CCD raffreddata, retro-illuminata 1300x1340 pixels

# T. Wilhein et al., Rev. Sci. Instr. 70, 1694 (1999)

Lo spettrometro a reticolo in trasmissione



Zoneinteraction

Laser

Tube

10-3 mbar

10 -6 mbarDétecteur

Pompe turbo

• Misura diretta dei frammenti ionici (energia et rapporto m/q)

•Ottimizzazione di un dispositivo anti-frammenti

Lo spettrometro di massa a tempo di volo

x

y

FWHMx=425 µm

FWHMy= 430 µm

CCD

d=14 cm D=105 cm

filtro Zrplasma

laserpinhole 50 m

Valvola jauge

• pin-hole =50µm

• ingrandimento 7.5

• risoluzione 50 µm

• dimensione e stabilità spaziale della sorgente

La pin-hole camera


La pin-hole camera

x

y

FWHMx=425 µm

FWHMy= 430 µm

Fluttuazioni spaziali della sorgentein x e y inferiori a 50 µm


La pin-hole camera

Le simulazioni numeriche: I-il getto d’acquai codici FILM* (idrodinamica) e TRANSPEC# (fisica atomica)

Per ogni cellula Ne/i , Te/i , velocità e dimensione

in funzione del tempo

targetta: ~ 40 cellule

LASER

popolazione ionica

FILM 1.5D TRANSPEC

Calcolo dello spettro emergente

direzione d’osservazione: 20°

* J.C. Gauthier, J.P. Geindre et al, J. Phys. D 16, 321 (1983) # O. Peyrusse, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 51, 281

(1994)

Le simulazioni numeriche: I-il getto d’acquai risultati

12.6 12.8 13 13.2 13.4

1s2(1S)2p - 1s2(1S)4d12.98 nm (NIST)

0

1 105

2 105

3 105

4 105

5 105

6 105

7 105

longuer d'onde (nm)

Inte

nsi

té (

erg

/cm

2 /nm

/sr)

O 5+ • Energia laser

• Durata e profilo dell’impulso

• Dimensione targhetta

0.1

1

10

100

0 10 20 30 40 50 60 70

GAUSS

CARRÉE

Inte

nsi

té r

ela

tive

FWHM/Durée (ns)

Emissività in funzione della potenza laser

Messa in evidenza dei limitiintrinseci del getto d’acqua

• rendimento insufficente

(0.08% 2sr 2%bw)

• lunghezza d’onda non adatta

(13.0 invece di 13.5 nm )

• ossidazione delle ottiche

Abbandono del getto d’acqua

2a fase di PREUVE :il getto di xenon

Pompaggio differenziale inverso

Iniettore criogenico

Riciclaggio dello xenon

2a fase di PREUVE :il nuovo set-up sperimentale

• Potenza laser:

40W @ 1064nm (50Hz)

• rendimento:

0.5% @ 13.5nm (2sr 2%bw)

• potenza media EUV :

0. 20 W @ 13.5nm (2sr 2%bw)

2a fase di PREUVE :la sorgente xenon

Getto liquidoGetto d’aggregatiGetto di gasScarica capillare

a

b

d

c

T° jeta

d

2a fase di PREUVE :primi spettri dello xenon

Xe10

+

Le simulationi numeriche: II-il getto di xenonil codice CHIVAS* (idrodinamica)

targhetta: 200 cellule

r(t)

• codice lagrangiano• equazione di stato dei gas perfetti• assorbimento laser per bremsstrahlung inverso• conduzione termica elettronica a flusso limitato• scelta del profilo temporale del laser

(?) codice fisica atomica per lo xenon (Z=54)

* P. Aussage and J. Faure, Rapport CE Limeil-Valenton, DO-88062, W/PAP 142 (1988)

Le simulationi numeriche: II-il getto di xenonla realizzazione di un post-processore

Problema: stimare la ”qualità“ dell’accoppiamento laser-targhetta attraverso l’emissione di riga dello ione Xe10+

+ = Soluzione: approccio di tipo ”pragmatico“ X

Calcolo distribuzione

ione Xe10+

Calcolo emissione

di riga

Presa in contodell’ opacità+ +


CHIVAS

r.*

p.*

b.*

cellula, passo temporale:

Ne, Te, Ti, Z, rho, r


ebeerze

ebeerezeezeZ

TznTznn

TznTzTzSnnTzSnndt

dn

,2,2

,1,1,1,

32

311

Equazione di rate per il modello collisionale-radiativo

Colombant et Tonon, J. Appl. Phys., 44, 3524 (1973)

1227

3

1321

2

12114

1323

216

88.41097.2

469.0log429.0102.5

exp88.4

109

sTT

scmTTZT

scmTT

TS

zezezb

ezezezr

ez

zez

zez

Coefficenti d’ionizzazione collisionale (S), ricombinazione radiativa (r)e ricombinazione a tre corpi (3b)

z = potenziale d’ionizzazione

z = numero d’elettroni nel guscio esterno


Equazione di rate per il modello collisionale-radiativo : caso stazionario

ebeerezz TznTzTzSnn ,1,1, 31

nz/

nT

température (eV)10

z = 12 3

4 5 6

7

89 1011 12


Valutazione della potenza dell’emissione di riga

e

nm

nme

e

nm

e

e

Be

bbrad

T

Ey

Eyg

T

nConst

yygfn

T

n

kmeP

3

10

4

1

exp

3

24

Presa in conto (approssimativa)dell’ opacità

1 2 3 4 5 6 7

P1 exp-(

P2 exp-(

P3 exp-(

laser

2

1

2

22

2

iBinme Tk

Mcdmnfr

L’interfacciadel

post-processore

Le simulationi numeriche: II-il getto di xenonprimi risultati: l’influenza della scelta della maglia

iniziale

maglia ”a“

maglia ”b“

Le simulationi numeriche: II-il getto di xenonprimi risultati: lo studio del profilo laser

CONFIDENTIEL

Le simulationi numeriche: II-il getto di xenonla validazione del post-processore

Confronto: Chivas + post-processore GAP

vs

Chivas + Transpec

basso Z

Confronto: Chivas + post-processore GAP

vs

esperimenti (es: aumento

durata impulso laser)

xenon

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1011 1012 1013 1014 1015

Chivas + TranspecChivas + Post-Proc GAP

Em

issi

vité

(norm

)

Intensité laser (W/cm2)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1011 1012 1013 1014 1015


Em

issi

vité

(norm

)


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1011 1012 1013 1014 1015


Em

issi

vité

(n

orm

)


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1011 1012 1013 1014 1015


Em

issi

vité

(n

orm

)


ConfrontoTranspec vs Post-processore

GAPCaso considerato: emissione della riga He- del carbone, = 40.2678 Å

Plasma otticamente sottile

Plasma otticamente spesso

2001-2004: la R&D in Europa sulle sorgenti EUV: MEDEA+

EXULITE

Tecnologie

LitografiaProgetti

Sorgenti EUVGruppi

ALCATEL VACUUMCoordinatore

Ottiche Sistemavuoto

Integrazione

CEA-DPC

THALES Laser

CEA-DRECAM

ALCATEL

CEA-DRECAMCEA-DPCALCATEL

THALES Laser

EXULITE

• Realizzazione di una sorgente industriale ad alta cadenza per la litografia EUV

Roadmap sorgente EUV

Problema del ”time-to-market“

Il progetto EXULITE

Capitolato del prototipo industriale

Verso l’industrializzazione Verso l’industrializzazione della nostra sorgente EUVdella nostra sorgente EUV

Performancesattuali

Performancesfuture

Progetto EXULITE

7 mW raccolti in 0.2 sr50 Hz0.7 mJ/tiro/sr0.7 mJ/tiro/sr

25 W raccoltiin sr10 kHz0.8 mJ/tiro/sr0.8 mJ/tiro/sr

3570 16 200 ~1~1

Performances attuali soddisfacenti Transizione difficile verso l ’alta cadenza

(problemi termici, usura iniettore e riassorbimento)

Conclusioni

Acquisizione di competenze e savoir-faire nella nanolitografia,2 brevetti depositati, realizzazione di una sorgente per il BEL

Allestimento di un insieme completo di diagnostiche per lacaratterizzazione della sorgente

Realizzazione di un post-processore specifico per lenostre esigenze (necessità, comunque, d’arricchirele risorse di simulazione numerica)

PREUVE e il BEL: buona base di partenza perle sfide del progetto EXULITE

Per saperne di piu’...

http://www.sematech.org

http://www.medea.org

http://www.asml.com

http://www.ca.sandia.gov/industry_partner/euvlfacts1.html

http://www.llnl.gov/str/Sweeney.html

http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/euv_milestone.html

Validità del modello collisionale-radiativo

Validità del caso stazionario:

• La distribuzione di velocità elettronica deve essere maxwelliana• Il plasma deve essere otticamente sottile• La densità di popolazione dello ione di carica (Z+1) non deve cambiare in modo significativo durante l ’installazione di una distribuzione quasi-stazionaria della densità di popolazione dello ione (Z):

Ne (cm-3)

1021

1020

1019

1018

1017

10 102 103 Te (eV)

limite c

ollis

ional

e-r

adia

tivo

(tz ~ tc ) << tlaser

z

i eez TiSnt

1 ,1

11

0

21212

a

Tckt ivc

~1 ns

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