摘要：极紫外光刻技术被认为是下一代最有潜力的光刻技术，对推动集成电路发展具有重要作用。极紫外光源是极紫外光刻技术的源头，其技术水平直接制约了光刻技术的发展。气体放电等离子体极紫外光源结构简单，转换效率高，适合大规模工业应用，具备良好的应用前景。现有气体放电等离子体光源包括毛细管放电等离子体极紫外光源、激光辅助等离子体极紫外光源、等离子聚焦极紫外光源和中空阴极管放电等离子体极紫外光源等。近年来，极紫外光光刻技术工业化进展较快，该文对气体放电等离子体技术做了综述，掌握最新研究进展有助于推动我国相关领域研究。

　　关键词：极紫外光源；气体放电等离子体；毛细管放电；激光辅助放电；等离子体聚焦；中空阴极触发等离子体箍缩

0引言

　　目前，半导体器件制造业采用ArF（193 nm）浸渍式投影光刻技术，其最小线宽可到达4X nm，配合采用二次曝光套刻技术可以将最小线宽拓展至2X nm节点。ArF投影光刻技术固有局限和二次曝光套刻技术复杂程度制约了其未来应用发展。极紫外光刻技术（Extreme Ultraviolet Lithography，EUVL）的出现为22 nm及以下节点制造技术提供了新的解决方案。EUVL采用波长为13.5 nm的极紫外光源，可以直接获得1X nm最小线宽，被认为是最有发展前景的新一代光刻技术。极紫外光刻技术的技术难点包括极紫外光源、光致刻蚀剂、无缺陷掩模等［1］。

　　EUV光源仍然是EUVL行业技术应用发展面临的最困难的技术挑战。至今为止，尚未有能够在保证光源可靠性和正常运行时间前提下提供足够高功率辐射输出的技术出现［2］。

　　极紫外光源可以采用3种技术方案实现：各种同步辐射源、激光等离子体（Laser Produced Plasma，LPP）EUV光源、气体放电等离子体（Discharge Produced Plasma，DPP）EUV光源。同步辐射光源具有诸多优点，如高准直、高偏振、高纯净度、高亮度、窄脉冲、可精确预知等。利用同步辐射光源产生X射线可以获得高分辨率和较大焦深。但是这种光源造价太高，电子注入过程复杂，不适合大规模生产应用。LPP EUV经过数十年发展，技术已经较为成熟，是目前实现极紫外光刻采用的主要技术路线。但是，由于电能向光能再向等离子体能转化过程的效率不高，加之激光器投资运营成本较大，使该技术的发展和推广也受到了一定限制。

　　DPP EUV光源采用将电能直接转化为等离子体能的技术方案，与LPP EUV方案相比，由于可以建造较大功率电源系统，能量转换效率有所提高，采用DPP光源时在中心焦点（Intermediate Focus，IF）所获的功率大幅度提高［3-4］。此外，DPP EUV光源结构简单，投资运营成本低，适合大规模工业应用。DPP EUV光源有着良好的技术前景，但仍有许多关键问题尚未解决，如碎屑控制、重复频率放电条件下光源稳定性、增大光源输出角等。本文将对气体放电等离子体极紫外光源的主要技术路线、现有研究与工业发展现状进行综述，以期对相关方向研究者有所帮助。

1EUVL 光刻技术对光源要求

　　在实际工业应用中，综合考虑生产速率、镜头转换率、光感刻蚀剂感光度等因素，极紫外光光刻机光源功率需要达到 115 W~180 W。表 1所示为极紫外光刻技术达到实际工业应用标准时，极紫外光源需要满足的技术参数［4］。表1极紫外光源综合指标光源参数参数指标光源波长/nm13.5EUV 光源功率/W115 W~180 W*@5mJ/cm2重复频率/kHz>7~10 kHz**（无上限）能量集中稳定性/%3σ（50 次重复脉冲）光源输出能量/mm2sr最大 3.3 mm2sr（max）最大立体出光角/sr0.02~0.3

　　表1中所列举的EUV光源指在焦点处可收集到的功率。实际上，由于出光角和收集效率的限制，焦点处可收集到的功率是极为有限的。例如，某DPP 极紫外光源可以在球面度 2π 范围内输出功率 645 W，但是只能在焦点处获得42 W功率输出。目前，极紫外光源面临的三大难题包括光源输出功率低、光源稳定性差和光源寿命短。光源输出功率直接制约了极紫外光刻技术的可行性和应用能力；光源稳定性决定了极紫外光刻技术产出芯片质量和成品率；而光源寿命则关系到该技术的成本和投入。 这三大技术难题需要逐步全面攻克，才能保证EUVL真正付诸工业应用，发挥其能力。

2放电等离子体EUV光源

　　现阶段，放电产生极紫外光主要有4种技术路线：毛细管放电技术、激光辅助放电等离子体技术、等离子体焦点技术和中空阴极管放电技术。

　　2.1毛细管放电EUV光源

　　美国卡罗拉多州立大学（ Colorado State University）学者Rocca于1988年发表论文，首次提出用毛细管放电产生软X射线或极紫外激光的台式激光器的构想。1994年，Rocca小组首次实现了毛细管放电类氖氯产生46.9 nm的激光，并实现了类氖硫和类氖氯等其他波段的软X射线激光。此后，各国学者展开了毛细管放电产生软X射线的广泛研究。1997年，美国学者Klosner的研究组利用LiH毛细管放电获得了13.5 nm的软X射线输出，但实验发现 LiH毛细管的寿命较短，难以满足工业应用对极紫外光源持续工作时间的要求，无法实际推广。1998年，该研究组在充有Xe的毛细管放电过程中观测到强度较高的10~16 nm软X射线输出，并改变了毛细管材料，毛细管寿命问题得到了较好的控制。毛细管放电产生非相干光在工业应用上展现出光明前景。至此，毛细管放电用于极紫外光源的研究逐步得到学者们的广泛关注，并得到不断发展。

　　毛细管结构长度在十几到几十厘米，截面直径在数毫米，具有较大长度与截面直径比，该特征结构使得毛细管中的高温高密度能够维持较长时间，因此等离子体具有较好的均匀性和空间稳定性。这有利于提高光源输出功率稳定性。

　　图1所示为典型毛细管放电装置示意图［5］。

　　高压电极布置在毛细管两端。毛细管中填充Xe等气体，充气气压通常为几帕至几百帕。如图1所示，毛细管放电装置结构包含电极阳极、毛细管、阴极、Xe气注入通道。去离子水冷却装置环绕电极阴极和阳极。毛细管长度和直径均为放电装置的重要参数，需要结合脉冲电流波形设计选择。毛细管EUV光源在工作时，首先会向其施加预脉冲，填充的Xe气在预脉冲作用下放电产生初始等离子体。在一定时延之后，通过高压电极向毛细管施加高压脉冲。此时，毛细管中流过的强电流脉冲将会沿毛细管产生环形磁场。初始等离子体在强洛伦兹力的作用下向毛细管轴心Z箍缩，形成高温高密度等离子体，输出EUV辐射。毛细管EUV装置结构较为简单，容易实现装置小型化。毛细管放电EUV光源自诞生之初就受到广泛的关注。哈尔滨工业大学可调谐（气体）激光技术国家级重点实验室对毛细管放电技术进行了一系列深入研究［6-7］。其实验平台如图2所示。

　　基于毛细管放电Z箍缩Xe等离子体EUV光源实验平台，哈尔滨工业大学相关学者探究了施加预-主脉冲延时和Xe气流量对输出特性的影响，探索了低气压下毛细管放电产生EUV的电流阈值、毛细管内径、电极距离对等离子体状态和光谱的影响。还尝试了在Xe中混合He、Ne或Ar等气体，优化放电介质，研究了辅助气体对Xe放电的影响。实验结果表明，采用Xe/He混合气体可以提高光源辐射功率，但电源稳定性变差。采用Xe/He/Ar混合气体时，可以在提高光源辐射功率的同时保证电源系统稳定性［8-11］。

　　除了充入气体作为放电介质产生初始等离子体外，也可以在毛细管管壁添加涂层，利用初始脉冲消融涂层材料产生初始等离子体。毛细管直径越小，管壁消融效应越强烈。管壁消融毛细管增加了等离子体材料的选择范围，使固体材料也能得到利用。消融型毛细管放电装置的结构更加简单，但在工作过程中会产生更多的碎屑，其寿命也受到限制［12］。

　　2.2激光辅助放电EUV光源

　　与毛细管放电EUV光源采用气体介质不同，激光辅助放电光源通常采用Sn作为初始等离子体产生介质。气体放电等离子体通常为静态固体电极结构，电能经过电极结构传输至等离子体，会引起电极结构烧蚀。此问题在激光辅助放电等离子体装置中可以得到较好解决。激光辅助放电光源的典型结构如图3所示［13］。

　　图3激光辅助等离子体装置结构在此结构中，两个可以转动的圆盘作为正负电极。圆盘边缘涂有Sn介质。工作时，圆盘转动，激光器发出激光脉冲照射靶材Sn，产生初始等离子体。随后初始等离子体在正负电极中部汇聚，Z箍缩效应下产生高温高密度等离子体，实现EUV的输出。通常，为了保证光源的长时安全稳定运行，通常充入惰性气体氩气作为环境介质。与激光等离子体相比，激光辅助放电等离子体将电能直接转换为等离子体能量，减少了电能向激光光能的转化过程，具有更高的转换效率。

　　激光辅助放电极紫外光源的技术路线具有更高的转换效率和低碎屑水平，对提高光源输出功率、减小光学系统损伤、延长系统使用寿命具有重要作用［14］。

　　2.3等离子体焦点EUV光源

　　等离子焦点EUV光源典型放电结构如图4所示［15］。

　　放电部分由圆筒状电极和同轴柱状电极构成。当两电极间施加脉冲电压时，将会在其间隙形成放电通道，在洛伦兹力作用下箍缩，在柱状电极端部形成高温高密度等离子体汇聚区域，从而输出 EUV。这种放电结构体积较小，外部回路电感较小，电能转换率较高，同时具有较大的光源收集角。

　　与毛细管放电相比，等离子体焦点放电的一致性较差，光源输出稳定性较差。此外，中心柱状电极烧蚀较为严重，会产生较多碎屑，不利于整体装置的长时稳定运行。因此，等离子体焦点技术需要对放电电极寿命和碎屑收集给予足够重视。

　　2.4空心阴极触发等离子体EUV光源

　　许多文献对此种放电形式进行了研究，包括放电和等离子体形成过程等，但大多数集中在对工程问题的解决上，例如电源功率控制、电极寿命研究、光源收集装置的保护。目前，Xe气仍作为空心 阴极触发放电的填充气体，但实验结果证明其转换效率低，不能满足光源功率要求。为提高转换效率，利用Sn作为辐射物的研究正在进行。中空阴极触发等离子体典型结构如图5所示［16］。

　　开关上下电极中部开孔，下电极的开孔较大， 作为EUV的输出端。与其他几种放电结构相比，该技术方案的 EUV收集角较大，有利于提高 IF 处光源输出功率。

3极紫外光源工业化现状

　　1988年，极紫外光刻的概念被首度提出，此后，世界范围展开了大量的实验研究，获得了200 nm节点的分辨率。20世纪90年代初，贝尔实验室、美国圣地亚国家实验室等重点实验室开展了极紫外光刻研究；1997年，摩托罗拉、因特尔等企业联合成立了研究机构并对多所国家重点实验室提供资金支持开展极紫外光刻技术研发，这极大推动了极紫外光刻技术的发展和工业化进程。

　　2003年Xtreme公司利用Xe气在频率1 kHz条件下放电，研发出了XTS 13-35 DPP极紫外光源样机，该样机在2π立体角内获得35 W极紫外辐射功率。这是该公司的第一台商用样机。

　　2004年，荷兰 Philips 公司成功研制出 Nova Tin光源，该光源采用 Sn作为工作介质，可以实现200 W的13.5 nm极紫外光输出。此后，该公司对该光源不断改进，于2010年将输出功率提高到 420 W，IF处输出功率34 W。

　　2006年ASML公司激光辅助等离子体光源安装了α样机，但其IF处功率过低，不满足工业化要求。2010年ASML公司成功安装第二代曝光机NEX: 3100,其IF点功率达到100 W，满足生产需求。该公司未来产品NEX：3100B、NEX：3100C 预计可以在 IF 点获得 250 W 和 300 W 功率输出。

　　国内从事极紫外光刻技术研究的主要有哈尔滨工业大学、中国原子能研究院、上海光机所等研究机构。其中，哈尔滨工业大学相关研究开始最早，其可调谐（气体）激光技术国家级重点实验室与中国原子能研究院合作搭建了基于毛细管放电产生软X射线的实验平台，并进行了大量毛细管放电产生极紫外光的相关研究。

4结论

　　极紫外光刻技术是新一代光刻技术，有着光明的应用前景。极紫外光源是极紫外光刻的核心技术，主要包括三种技术方案，即同步辐射源、激光等离子体光源、气体放电等离子体光源。其中，气体放电等离子体光源结构简单，转换率高，适合大规模工业应用。气体放电等离子体技术又包括毛细管等离子体光源、激光辅助等离子体光源、等离子体聚焦光源和空心阴极触发等离子体光源。国内外研究机构仍在对极紫外光源技术不断探索，推动其工业化应用步伐。

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