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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.

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1 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 Istituto per i Processi Chimico-Fisici Seminario Istituto per i Processi Chimico-Fisici Pisa, 18 aprile 2002

2 Struttura del seminario Il progetto R&D PREUVE Il progetto industriale EXULITE La litografia del futuro La sorgente CEA-DRECAM

3 … in 30 anni, i circuiti integrati hanno avuto sulleconomia US un impatto due 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

4 10 mai 1999Réunion DAM - JY ROBIC4 … e dopo i 193 nm? Opzioni e vincoli per la Next Generation Lithography Principali caratteristiche da rispettare 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 Candidati : Candidati : la proiezione 157nm la proiezione 13nm la litografia X (a contatto) / sincrotrone la scrittura diretta a fascio d elettroni

5 Il sine qua non della litografia ottica La domanda industriale per il dopo 2006: k1, k2 ~ 0.7 parametri del sistema NA = apertura numerica ( 0.2) Lo scenario della litografia ottica resta possibile ! R < 100 nm dimensione tratto DOF > 1000 nm topologia del wafer Risoluzione R = k 1 /NA Prof. di campo DOF = k 2 / (NA) 2

6 La scelta della lunghezza donda SiMo Disponibilità ottiche altamente riflettive Requisiti sorgente (emissività, pulizia,…) Capitalizzazione studi già effettuati (litio) Necessità di uno standard (ottiche, maschere) … ok, diciamo piuttosto tra i 13 e i 14 nm. Sematech, marzo 2002 ? ? ? ? … la lunghezza donda e fissata definitivamente a 13.5 nm. Sematech, novembre 2000

7 La prospettiva intorno al µm 0.05 µm EUVL Scenario Photons Forever

8 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 lindustria litografica Soluzione:

9 I grandi progetti della litografia del futuro ASET EUVL Fujitsu, Hitachi, Intel, Nec Matsushita, Mitsubishi, Oki, Sharp Nikon, Samsung, Sony, SPC, Toshiba EUCLIDES ASML, Zeiss, Oxford Instr. EUV LLC AMD, Intel, Motorola LBNL, LLNL, SNL Giugno 1997 Agosto 1998 Ottobre 1998

10 Vuoto 1 mTorr (assorbimento EUV) assenza dacqua ( < ppm) assenza idrocarburi ( < ppm) Ottiche riflessive multistrato forte riflettività (~70% Mo-Si) debole rugosità (< 2Å rms) ottiche asferiche (proiezione) grande diametro (condensatore, proiezione) Sorgente flusso, dimensione, assenza di frammenti Maschere zero difetti buon contrasto Micromeccanica es: posizionamento wafer et maschera Maschera Wafer Sorgente plasma Camera sorgente Camera proiezione Le sfide tecniche imposte dalla litografia EUV

11 Il progetto R&D PREUVE Il progetto industriale EXULITE La litografia del futuro La sorgente CEA-DRECAM

12 Bersaglio: foglio sottile Laser Emissione faccia posteriore debole divergenza: 60° frammenti scarsi Emissione faccia anteriore forte 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 1999 SORGENTE CEA - DRECAM CEA - DAM GREMI OTTICHE REOSC - SAGEM UDESAM - CNRS MASCHERE EUV SESO LETI SOPRA = partners industriali

13 Le Groupe dApplications des Plasmas Martin Schmidt, Olivier Sublemontier, Tiberio Ceccotti Patrick Haltebourg, Didier Normand Dominique Descamps, Jean-François Hergott, Sébastien Hulin Marc Segers, Fabien Chichmanian

14 Il progetto R&D PREUVE Il progetto industriale EXULITE La litografia del futuro La sorgente CEA-DRECAM

15 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 Fomenkov (Cymer), plasma focus elettrica Lebert (FHG Aix la Chapelle), hollow cathode elettrica Lebert (FHG Aix la Chapelle), hollow cathode Mc Geoch (Plex LLC), z-pinch Mc Geoch (Plex LLC), z-pinch Silfvast (Université de Floride) capillary discharge Silfvast (Université de Floride) capillary discharge Le sorgenti EUV nel mondo nel 1999

16 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 daggregati 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

17 1 a fase di PREUVE: la sorgente a getto dacqua jet a forte confinamento (angolo dapertura ~ 5°) debole riassorbimento d EUV intorno al jet zona 1-5mm dalla valvola facilità di pompaggio tecnologia semplice e affidabile costi estremamente contenuti

18 1 a fase di PREUVE : il prototipo WEGA Laser Camera d interazione Lente di focalizzazione verso il riflettometro verso lo spettrometro Sorgente EUV Iniettore

19 Il riflettometro monocromatore multistrato testa goniometrica diodo EUV calibrato filtri Zr doppio-strato (assenza micro fori) 1 a fase di PREUVE : le diagnostiche

20 Lo spettrometro a reticolo in trasmissione # 1 a fase di PREUVE : le diagnostiche * ringraziamenti: Prof. Schmahl, Institut für Röntgenphysik, Göttingen Dr. T. Wilhein, Institute for Applied Physics, Remagen reticolo in trasmissione in Si*, linee/mm 200 CCD raffreddata, retro-illuminata 1300x1340 pixels # T. Wilhein et al., Rev. Sci. Instr. 70, 1694 (1999)

21 Lo spettrometro a reticolo in trasmissione 1 a fase di PREUVE : le diagnostiche

22 1 a fase di PREUVE : le diagnostiche Zone interaction Laser Tube mbar mbar Détecteur 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

23 x y FWHM x =425 µm FWHM y = 430 µm CCD d=14 cmD=105 cm filtro Zr plasma laser pinhole 50 m Valvolajauge pin-hole =50µm ingrandimento 7.5 risoluzione 50 µm dimensione e stabilità spaziale della sorgente La pin-hole camera 1 a fase di PREUVE : le diagnostiche La pin-hole camera

24 x y FWHM x =425 µm FWHM y = 430 µm Fluttuazioni spaziali della sorgente in x e y inferiori a 50 µm 1 a fase di PREUVE : le diagnostiche La pin-hole camera

25 Le simulazioni numeriche: I-il getto dacqua i codici FILM* (idrodinamica) e TRANSPEC # (fisica atomica) Per ogni cellula N e/i, T e/i, velocità e dimensione in funzione del tempo targetta: ~ 40 cellule LASER popolazione ionica FILM 1.5D TRANSPEC Calcolo dello spettro emergente direzione dosservazione: 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)

26 Le simulazioni numeriche: I-il getto dacqua i risultati O 5+ Energia laser Durata e profilo dellimpulso Dimensione targhetta Emissività in funzione della potenza laser

27 Messa in evidenza dei limiti intrinseci del getto dacqua rendimento insufficente (0.08% 2 sr 2%bw) lunghezza donda non adatta (13.0 invece di 13.5 nm ) ossidazione delle ottiche Abbandono del getto dacqua

28 2 a fase di PREUVE : il getto di xenon Pompaggio differenziale inverso Iniettore criogenico Riciclaggio dello xenon

29 2 a fase di PREUVE : il nuovo set-up sperimentale

30 Potenza laser: 1064nm (50Hz) rendimento: 13.5nm (2 sr 2%bw) potenza media EUV : nm (2 sr 2%bw) 2 a fase di PREUVE : la sorgente xenon

31 Getto liquido Getto daggregati Getto di gas Scarica capillare a b d c T° jet a d 2 a fase di PREUVE : primi spettri dello xenon Xe 10+

32 Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon il 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)

33 Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon la realizzazione di un post-processore Problema: stimare la qualità dellaccoppiamento laser-targhetta attraverso lemissione di riga dello ione Xe = Soluzione: approccio di tipo pragmatico X Calcolo distribuzione ione Xe 10+ Calcolo emissione di riga Presa in conto dell opacità ++

34 Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon la realizzazione di un post-processore CHIVAS r.* p.* b.* cellula, passo temporale: N e, T e, T i, Z, rho, r

35 Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon la realizzazione di un post-processore Equazione di rate per il modello collisionale-radiativo Colombant et Tonon, J. Appl. Phys., 44, 3524 (1973) Coefficenti dionizzazione collisionale (S), ricombinazione radiativa ( r ) e ricombinazione a tre corpi ( 3b ) z = potenziale dionizzazione z = numero delettroni nel guscio esterno

36 Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon la realizzazione di un post-processore Equazione di rate per il modello collisionale-radiativo : caso stazionario n z /n T température (eV) 10 z =

37 Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon la realizzazione di un post-processore Valutazione della potenza dellemissione di riga Presa in conto (approssimativa) dell opacità P 1 exp -( P 2 exp -( P 3 exp -( laser

38 Linterfaccia del post-processore

39 Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon primi risultati: linfluenza della scelta della maglia iniziale maglia a maglia b

40 Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon primi risultati: lo studio del profilo laser CONFIDENTIEL

41 Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon la 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

42 Confronto Transpec vs Post-processore GAP Caso considerato: emissione della riga He- del carbone, = Å Plasma otticamente sottile Plasma otticamente spesso

43 Il progetto R&D PREUVE Il progetto industriale EXULITE La litografia del futuro La sorgente CEA-DRECAM

44 : la R&D in Europa sulle sorgenti EUV: MEDEA+ EXULITE Tecnologie Litografia Progetti Sorgenti EUV Gruppi

45 ALCATEL VACUUM Coordinatore Ottiche Sistema vuoto Integrazione CEA-DPC THALES Laser CEA-DRECAM ALCATEL CEA-DRECAM CEA-DPC ALCATEL 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

46 Capitolato del prototipo industriale

47 Verso lindustrializzazione della nostra sorgente EUV Performances attuali Performances future Progetto EXULITE 7 mW raccolti in 0.2 sr 50 Hz 0.7 mJ/tiro/sr 25 W raccolti in sr 10 kHz 0.8 mJ/tiro/sr ~1 ~1 Performances attuali soddisfacenti Transizione difficile verso l alta cadenza (problemi termici, usura iniettore e riassorbimento)

48 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, darricchire le risorse di simulazione numerica) PREUVE e il BEL: buona base di partenza per le sfide del progetto EXULITE

49 Per saperne di piu

50 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 ) Te (eV) limite collisionale-radiativo (t z ~ t c ) << t laser ~1 ns


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