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 Plasma CEA-DSM/DRECAM/SPAM C.E. de Saclay, FRANCE Seminario Istituto per i Processi Chimico-Fisici Pisa, 18 aprile 2002 Struttura del seminario • La litografia del futuro • Il progetto R&D PREUVE • La sorgente CEA-DRECAM • Il progetto industriale EXULITE ”… in Moore we trust “ Il numero di transistors in un circuito integrato raddoppia ogni 18 mesi ”… in 30 anni, i circuiti integrati hanno avuto sull’economia US un impatto due volte piu’ importante che i primi 60 anni di sfruttamento delle ferrovie nel secolo XIX “ … e dopo i 193 nm? Opzioni e vincoli per la Next Generation Lithography • Candidati : la proiezione ottica @ 157nm la proiezione EUV @ 13nm la litografia X (a contatto) / sincrotrone la scrittura diretta a fascio d ’elettroni • Principali caratteristiche da rispettare 80 wafer/ora ( 300mm) dimensione tratto maschere di prezzo ”ragionevole“ padronanza processi resine sorgente ”pulita“ e intensa ”Cost of Ownership“ e ”Time to market“ 10 mai 1999 Réunion DAM - JY ROBIC 4 Il ”sine qua non“ della litografia ottica dimensione tratto La domanda industriale per il ”dopo 2006“: R < 100 nm DOF > 1000 nm topologia del wafer Risoluzione R = k1l/NA Prof. di campo DOF = k2l/ (NA)2 Lo scenario della litografia ottica resta possibile ! k1, k2 ~ 0.7 parametri del sistema NA = apertura numerica ( 0.2) La scelta della lunghezza d’onda Disponibilità ottiche altamente riflettive ”… la lunghezza d’onda e ’ fissata definitivamente a 13.5 nm.“ Sematech, novembre 2000 ? Requisiti sorgente (emissività, pulizia,…) Capitalizzazione studi già effettuati (litio) Necessità di uno standard (ottiche, maschere) Mo Si ”… ok, diciamo piuttosto tra i 13 e i 14 nm.“ Sematech, marzo 2002 La prospettiva intorno al 2008-2010 EUVL 2008 2010 0.05 µm Scenario ”Photons Forever“ 0.013 µm Dalla litografia ottica alla litografia EUV Punti di continuità: Punti di rottura: • Bagaglio scientifico-tecnico • Assorbimento luce a 13.5 nm • Risoluzione e DOF funzioni di NA e l • Utilizzo ottiche in riflessione • Utilizzo ottiche di riduzione (4x) • Utilizzo di maschere in riflessione • Utilizzo tecniche ”estensione ottica“ • Necessità processo sotto vuoto Conseguenze economiche: Soluzione: • Necessità molteplici competenze • Necessità strumenti adeguati • Piano ”aggressivo“ di R&D • Rivoluzione piu’ che evoluzione • Sviluppare tecnologia di base • Dimostrarne la validità con un prototipo (a-tool) • Trasferimento tecnologia verso l’industria litografica I grandi progetti della litografia del futuro Giugno 1997 Agosto 1998 Ottobre 1998 ASET EUVL EUV LLC Fujitsu, Hitachi, Intel, Nec AMD, Intel, Motorola Matsushita, Mitsubishi, Oki, Sharp LBNL, LLNL, SNL Nikon, Samsung, Sony, SPC, Toshiba EUCLIDES ASML, Zeiss, Oxford Instr. Vuoto Le sfide tecniche imposte dalla litografia EUV 1 mTorr (assorbimento EUV) assenza d’acqua ( < ppm) assenza idrocarburi ( < ppm) Maschera Camera sorgente Ottiche riflessive multistrato forte riflettività (~70% Mo-Si) debole rugosità (< 2Å rms) ottiche asferiche (proiezione) grande diametro (condensatore, proiezione) Sorgente plasma Maschere zero difetti buon contrasto Micromeccanica es: posizionamento wafer et maschera Sorgente flusso, dimensione, assenza di frammenti Wafer Camera proiezione • La litografia del futuro • Il progetto R&D PREUVE • La sorgente CEA-DRECAM • Il progetto industriale EXULITE Il progetto PREUVE* • Riunire le competenze francesi e valorizzarle PREUVE Novembre 1999 nel dominio della litografia EUV • Sviluppare i diritti intellettuali (brevetti) SORGENTE • Realizzare dei componentiEmissione industriali per gli faccia anteriore CEA - DRECAM forte divergenza: 180° quantità importante frammenti ”steppers“ EUV o dei prototipi di strumenti per CEA - DAM GREMI la metrologia Laser Emissione faccia posteriore debole divergenza: 60° frammenti scarsi • OTTICHE Preparare/facilitare la partecipazione dei partners francesi ai programmi internazionali REOSC - SAGEM Bersaglio: foglio sottile UDESAM - CNRS •MASCHERE Realizzazione di un banco di prova per la litografia (BEL) EUV = partners industriali SESO LETI SOPRA *RMNT Le Groupe d’Applications des Plasmas Martin Schmidt, Olivier Sublemontier, Tiberio Ceccotti Patrick Haltebourg, Didier Normand Dominique Descamps, Jean-François Hergott, Sébastien Hulin Marc Segers, Fabien Chichmanian • La litografia del futuro • Il progetto R&D PREUVE • La sorgente CEA-DRECAM • Il progetto industriale EXULITE Le sorgenti EUV nel mondo nel 1999 1. LPP Kubiak (EUV-LLC), Kondo (Université de Tsukuba), Chang (TRW), Hertz (RIT Stockholm), Schriever (Université de Floride), Constantinescu (Philips Eindhoven) 2.Sincrotrone Ockwell (Oxford Instr.) 3. Scarica elettrica Fomenkov (Cymer), plasma focus Lebert (FHG Aix la Chapelle), hollow cathode Mc Geoch (Plex LLC), z-pinch Silfvast (Université de Floride) capillary discharge I 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 Iniettore Camera d’ interazione Lente di focalizzazione Laser Sorgente EUV verso il riflettometro verso lo spettrometro 1a fase di PREUVE : le diagnostiche 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# • reticolo in trasmissione in Si*, 10000 linee/mm • l/Dl 200 • CCD raffreddata, retro-illuminata 1300x1340 pixels # T. Wilhein et al., Rev. Sci. Instr. 70, 1694 (1999) * ringraziamenti: Prof. Schmahl, Institut für Röntgenphysik, Göttingen Dr. T. Wilhein, Institute for Applied Physics, Remagen 1a fase di PREUVE : le diagnostiche Lo spettrometro a reticolo in trasmissione 1200 1000 Ly 800 600 400 20000 60000 40000 20000 0 200 400 600 800 1000 1200 40000 1a fase di PREUVE : le diagnostiche Lo spettrometro di massa a tempo di volo Zone interaction 10-3 mbar Laser • Misura diretta dei frammenti ionici (energia et rapporto m/q) •Ottimizzazione di un dispositivo anti-frammenti 1a fase di PREUVE : le diagnostiche La pin-hole camera pinhole 50 m FWHMy= 430 µm Valvola jauge • pin-hole =50µm laser • ingrandimento 7.5 plasma filtro Zr • risoluzione 50 µm d=14 cm D=105 cm • dimensione e stabilità spaziale della sorgente FWHMx=425 µm x y CCD 1a fase di PREUVE : le diagnostiche La pin-hole camera FWHMy= 430 µm y Fluttuazioni spaziali della sorgente in x e y inferiori a 50 µm FWHMx=425 µm x Le simulazioni numeriche: I-il getto d’acqua i codici FILM* (idrodinamica) e TRANSPEC# (fisica atomica) targetta: ~ 40 cellule direzione d’osservazione: 20° LASER FILM 1.5D Per ogni cellula Ne/i , Te/i , velocità e dimensione in funzione del tempo popolazione ionica * J.C. Gauthier, J.P. Geindre et al, J. Phys. D 16, 321 (1983) # O. Peyrusse, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 51, 281 (1994) TRANSPEC Calcolo dello spettro emergente Le simulazioni numeriche: I-il getto d’acqua i risultati 2 1 2 1 ( S)2p - 1s ( S)4d Emissività in1sfunzione della potenza laser 12.98 nm (NIST) 5 7 100 10 6 10 O 5 5+ • Durata e profilo dell’impulso 4 10 5 • Dimensione targhetta 3 10 5 Intensité (erg/cm /nm/sr) Intensité relative 5 5 10 10 2 • Energia laser 15 2 10 1 10 5 GAUSS CARRÉE 0 0.1 0 12.6 10 12.8 20 30 13 40 13.2 50 longuer d'onde (ns) (nm) FWHM/Durée 13.4 70 60 Messa in evidenza dei limiti intrinseci del getto d’acqua • rendimento insufficente (0.08% 2psr 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 Iniettore criogenico Pompaggio differenziale inverso Riciclaggio dello xenon 2a fase di PREUVE : il nuovo set-up sperimentale 2a fase di PREUVE : la sorgente xenon • Potenza laser: 40W @ 1064nm (50Hz) • rendimento: 0.5% @ 13.5nm (2psr 2%bw) • potenza media EUV : 0. 20 W @ 13.5nm (2psr 2%bw) 2a fase di PREUVE : primi spettri dello xenon T° jet a d a Xe10+ b d c Scarica capillare Getto d’aggregati Getto liquido di gas Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon il codice CHIVAS* (idrodinamica) • 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) r(t) targhetta: 200 cellule * P. Aussage and J. Faure, Rapport CE Limeil-Valenton, DO-88062, W/PAP 142 (1988) Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon la realizzazione di un post-processore Problema: stimare la ”qualità“ dell’accoppiamento laser-targhetta attraverso l’emissione di riga dello ione Xe10+ + Calcolo distribuzione ione Xe10+ + Calcolo emissione di riga X = + Presa in conto dell’ opacità Soluzione: approccio di tipo ”pragmatico“ Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon la realizzazione di un post-processore CHIVAS r.* p.* b.* cellula, passo temporale: Ne, Te, Ti, Z, rho, r Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon la realizzazione di un post-processore Equazione di rate per il modello collisionale-radiativo dnZ 1 ne nz S z, Te ne nz 1 S z 1, Te a r z 1, Te nea 3b z 1, Te dt ne nz 2 a r z 2, Te nea 3b z 2, Te Coefficenti d’ionizzazione collisionale (S), ricombinazione radiativa (ar) e ricombinazione a tre corpi (a3b) 9 106 z Te z S 32 exp z Te cm3 s 1 z 4.88 Te z 12 a r 5.2 10 14 z Te 1 2 Z 0.429 12 log z Te 0.469 z Te 1 2 cm3 s 1 a 3b 2.97 10 27 z Te z2 4.88 Te z s 1 z = potenziale d’ionizzazione z = numero d’elettroni nel guscio esterno Colombant et Tonon, J. Appl. Phys., 44, 3524 (1973) Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon la realizzazione di un post-processore Equazione di rate per il modello collisionale-radiativo : caso stazionario nz 1 nz S z, Te a r z 1, Te nea 3b z 1, Te 2 3 4 5 6 nz/nT z=1 7 10 température (eV) 8 9 10 11 12 Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon la realizzazione di un post-processore Valutazione della potenza dell’emissione di riga bb Prad 4pe 4 y ne f g y exp y 2p n10 nm n gy 3me k B Te 1 Const e 3 Te Enm Enm Te 1 234567 Presa in conto (approssimativa) dell’ opacità Mc t pre l f nm ni m d 2 2pk BTi l 2 2 1 2 P1 exp-(t2t3t4... P2 exp-(t3t4t5... P3 exp-(t4t5t6... laser L’interfaccia del post-processore Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon primi risultati: l’influenza della scelta della maglia iniziale maglia ”a“ maglia ”b“ Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon primi risultati: lo studio del profilo laser Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon la validazione del post-processore Confronto: Chivas + post-processore GAP vs basso Z Chivas + Transpec Confronto: Chivas + post-processore GAP vs esperimenti (es: aumento durata impulso laser) xenon Confronto Transpec vs Post-processore GAP Caso considerato: emissione della riga He-a del carbone, l = 40.2678 Å 1.2 1.2 Chivas + Transpec Chivas + Post-Proc GAP Chivas + Transpec Chivas + Post-Proc GAP 1 Emissivité (norm) Emissivité (norm) 1 0.8 0.6 0.4 0.6 0.4 0.2 0.2 0 11 10 0.8 12 10 13 10 14 10 2 Intensité laser (W/cm ) Plasma otticamente sottile 15 10 0 11 10 12 10 13 10 14 10 2 Intensité laser (W/cm ) Plasma otticamente spesso 15 10 • La litografia del futuro • Il progetto R&D PREUVE • La sorgente CEA-DRECAM • Il progetto industriale EXULITE 2001-2004: la R&D in Europa sulle sorgenti EUV: MEDEA+ Tecnologie Litografia Sorgenti EUV EXULITE Progetti Gruppi Il progetto EXULITE • Realizzazione di una sorgente industriale ad alta cadenza per la litografia EUV ALCATEL VACUUM Coordinatore EXULITE Roadmap sorgente EUV Sistema vuoto Ottiche CEA-DPC THALES Laser CEA-DRECAM ALCATEL Problema del ”time-to-market“ Integrazione CEA-DRECAM CEA-DPC ALCATEL THALES Laser Capitolato del prototipo industriale Verso l’industrializzazione della nostra sorgente EUV Performances attuali 7 mW raccolti in 0.2 sr 50 Hz 0.7 mJ/tiro/sr Progetto EXULITE 3570 16 200 ~1 Performances future 25 W raccolti in p sr 10 kHz 0.8 mJ/tiro/sr 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 la caratterizzazione della sorgente Realizzazione di un post-processore specifico per le nostre esigenze (necessità, comunque, d’arricchire le risorse di simulazione numerica) PREUVE e il BEL: buona base di partenza per le 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 • 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): Validità del caso stazionario: Ne (cm-3) (tz ~ tc ) << tlaser 1021 1 tz ne 1020 1019 1 i 1 S i 1, Te 2k cv Ti a0 12 tc 1018 1017 z 10 102 103 Te (eV) 12 ~1 ns
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