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ASML是如何得到极紫外光(EUV)的?

某网剧蹭芯片战争(参考:一个沉重的话题:Chip War|芯片战争)的热点,讲到我国科学家研制光刻机用激光器的故事。目前最先进的ASML光刻机用的激光器是EUV(极紫外)激光器。
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ASML的光刻机是长这样的。
为了延续摩尔定律(参考:摩尔定律的继续将对物理学和经济产生巨大压力),硅片上集成的晶体管尺寸需要越来越小,这是通过光掩膜版在光刻胶上成像实现的。但光学成像,是无法无限清晰下去的。光学成像小于一定大小,就必须考虑衍射效应,即对尺寸接近光波波长的成像细节,就开始模糊了。
因此,随着集成电路上的晶体管尺寸越来越小,我们用到的激光光源的波长会越来越短。而随着光波的波长越来越短,产生这个波长光所需物理过程的能量也就越来越大。
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在电磁波谱上,EUV与X-射线相邻。
而EUV所需的波长,13.5nm,是非常短的,已经进入了软X-射线的范围。这么高的能量,普通物理过程就很难实现。早期,日本科学家甚至提议用加速器的同步辐射光来用作光刻机的光源。
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想想用这个做光刻,兴奋!
不过ASML公司的解决方案是用炙热的等离子体来产生波长为13.5nm的光。即处于高度电离状态的锡离子(+8到+14价态)会产生波长为13.5nm共振跃迁(the resonance transitions)。
当然这个原理说起来容易,做起来难。根据公开资料,ASML是这样做到的。首先使用气嘴吹出连续的金属锡(Sn,Tin)的小液滴。直径为30微米,之所以这么小是为了提高EUV的转换效率,减少过程中锡碎片的产生。
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我们是如何得到EUV光的?
然后使用CO2激光器连续地打出两个激光脉冲,第一个激光脉冲是预处理光束,能量不是很高,但已足以把锡球压扁,形成一个直径为500微米左右的扁平圆盘。这里需要注意的是CO2激光器波长为10.6微米,对应频率远小于锡中等离激元(plasmon)的振动频率,换句话说照射在锡球上的激光将基本上都被反射回去,即:激光脉冲将会在瞬间给锡球施加一个强大的光压,把锡球压扁。
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金属Al的反射率(对金属锡也是类似的),可见对CO2激光来说,几乎是100%反射的,垂直虚线为等离激元振荡频率。
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锡球被第一个激光脉冲压扁的图像,从左到右,逐渐变扁。
随之而来的第二个激光脉冲是主脉冲,此时CO2激光器工作在最佳状态,光斑大小也恰好是500微米左右,即所有激光能量都被打在锡扁平盘上,由于金属锡中存在的阻尼作用(电阻),强大的激光瞬间使锡升温汽化并处于高温炙热的等离子状态,这一般被称为激光激发的等离子体(laser-produced plasma, LPP)。所谓等离子体就是稳定的锡晶格不存在了,锡离子和电子混合在一起成为一个整体电中性的整体,锡也可以被电离到比+4更高的价态。当锡等离子体的温度为20 - 40eV时,热运动会使锡离子(+8到+14价态)激发到高激发态,并发出EUV光。
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激光激发的等离子体发出的频率,其中绿线是CO2激光器的结果,可见是最“锐利”的,基本上集中在EUV(13.5nm)附近。
但此时发出的光,除EUV的成分外,还有其他波长的光存在,锡球背后的大镜子是筛选光波波长用的,这个镜子是个多层膜结构,正好使得EUV的光(13.5 nm)在多层膜上发生全反射。并汇聚在远处的中间焦点(intermediate focus,IF)上。
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光在多层膜上的多次反射,使特定波长的光发生相长反射,从而把这个波长筛选出来。
然后就是一系列光路,把EUV光导出并最终穿过掩膜版,完成最终的光刻任务。
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EUV光路,自右向左,最后打在硅片上。
参考阅读:
Physics of laser-driven tin plasma sources of EUV radiation for nanolithography https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6595/ab3302
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