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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-DR

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

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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-DR

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

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

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

  4. … 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“ Réunion DAM - JY ROBIC

  5. Il ”sine qua non“ della litografia ottica La domanda industriale per il ”dopo 2006“: R < 100 nm dimensione tratto 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)

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

  7. EUVL 2010 2008 0.05 µm 0.013 µm La prospettiva intorno al 2008-2010 Scenario ”Photons Forever“

  8. Soluzione: Conseguenze economiche: • Sviluppare tecnologia di base • Dimostrarne la validità con un • prototipo (a-tool) • Trasferimento tecnologia verso • l’industria litografica • Necessità molteplici competenze • Necessità strumenti adeguati • Piano ”aggressivo“ di R&D • Rivoluzione piu’ che evoluzione Dalla litografia ottica alla litografia EUV Punti di continuità: Punti di rottura: • Bagaglio scientifico-tecnico • Risoluzione e DOF funzioni di NA e l • 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

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

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

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

  12. PREUVE CEA - DRECAM CEA - DAM GREMI SORGENTE Emissione faccia anteriore forte divergenza: 180° quantità importante frammenti REOSC - SAGEM UDESAM - CNRS Emissione faccia posteriore debole divergenza: 60° frammenti scarsi Laser OTTICHE Bersaglio: foglio sottile SESO LETI MASCHERE EUV SOPRA = partners industriali Il progetto PREUVE* • 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) Novembre 1999 *RMNT

  13. 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

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

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

  16. 3. Jet GAP • Pro: • Quasi-assenza riassorbimento • Alta densità • Impatto distante • Facilità di pompaggio • Pro: • Debole riassorbimento • Forte densità • Impatto suff. distante • Stabilità • Facilità di pompaggio • Pro: • Stabilità • Forte CE (sub-ns) • Contro: • Forte riassorbimento • Debole densità • Impatto molto vicino • Pompaggio critico • Contro: • Dimensione • Instabilità • Onde di choc • Contro: • Importante flusso di materia I differenti tipi di ”targhetta“ jet considerati 1. Micro-jet liquido 2. Jet d’aggregati

  17. 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

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

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

  20. 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 * ringraziamenti: Prof. Schmahl, Institut für Röntgenphysik, Göttingen Dr. T. Wilhein, Institute for Applied Physics, Remagen # T. Wilhein et al., Rev. Sci. Instr. 70, 1694 (1999)

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

  22. Zone interaction Laser 10-3 mbar Tube 10-6 mbar Détecteur Pompe turbo 1a fase di PREUVE : le diagnostiche Lo spettrometro di massa a tempo di volo • Misura diretta dei • frammenti ionici • (energia et rapporto m/q) • Ottimizzazione di un • dispositivo anti-frammenti

  23. La pin-hole camera FWHMy= 430 µm y Valvola jauge pinhole  50 m laser CCD filtro Zr plasma d=14 cm D=105 cm x FWHMx=425 µm 1a fase di PREUVE : le diagnostiche La pin-hole camera • pin-hole  =50µm • ingrandimento 7.5 • risoluzione  50 µm • dimensione e stabilità • spaziale della sorgente

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

  25. 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 TRANSPEC Per ogni cellula Ne/i , Te/i , velocità e dimensione in funzione del tempo Calcolo dello spettro emergente 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)

  26. Emissività in funzione della potenza laser O 5+ Le simulazioni numeriche: I-il getto d’acqua i risultati • Energia laser • Durata e profilo dell’impulso • Dimensione targhetta

  27. Abbandono del getto d’acqua 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

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

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

  30. 2a fase di PREUVE : la sorgente xenon • Potenza laser: • 40W @ 1064nm (50Hz) • rendimento: • 0.5% @ 13.5nm (2sr 2%bw) • potenza media EUV : • 0. 20 W @ 13.5nm (2sr 2%bw)

  31. Xe10+ Getto d’aggregati Getto liquido Scarica capillare Getto di gas 2a fase di PREUVE : primi spettri dello xenon a T° jet d a b d c

  32. (?) codice fisica atomica per lo xenon (Z=54) 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 r(t) targhetta: 200 cellule * P. Aussage and J. Faure, Rapport CE Limeil-Valenton, DO-88062, W/PAP 142 (1988)

  33. + + Calcolo distribuzione ione Xe10+ Calcolo emissione di riga Presa in conto dell’ opacità = + Soluzione: approccio di tipo ”pragmatico“ 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+ X

  34. 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

  35. Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon la realizzazione di un post-processore Equazione di rate per il modello collisionale-radiativo Coefficenti d’ionizzazione collisionale (S), ricombinazione radiativa (ar) e ricombinazione a tre corpi (a3b) z = potenziale d’ionizzazione z = numero d’elettroni nel guscio esterno Colombant et Tonon, J. Appl. Phys., 44, 3524 (1973)

  36. 7 3 2 6 10 4 11 z = 1 9 5 12 nz/nT 8 10 température (eV) Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon la realizzazione di un post-processore Equazione di rate per il modello collisionale-radiativo : caso stazionario

  37. 1 2 3 4 5 6 7 laser Presa in conto (approssimativa) dell’ opacità P1 exp-(t2+t3+t4+...) P2 exp-(t3+t4+t5+...) P3 exp-(t4+t5+t6+...) Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon la realizzazione di un post-processore Valutazione della potenza dell’emissione di riga

  38. L’interfaccia del post-processore

  39. maglia ”a“ maglia ”b“ Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon primi risultati: l’influenza della scelta della maglia iniziale

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

  41. Confronto: Chivas + post-processore GAP vs Chivas + Transpec basso Z Confronto: Chivas + post-processore GAP vs esperimenti (es: aumento durata impulso laser) xenon Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon la validazione del post-processore

  42. Confronto Transpec vs Post-processore GAP Caso considerato: emissione della riga He-a del carbone, l = 40.2678 Å Plasma otticamente sottile Plasma otticamente spesso

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

  44. Tecnologie Litografia Progetti Sorgenti EUV Gruppi 2001-2004: la R&D in Europa sulle sorgenti EUV: MEDEA+ EXULITE

  45. ALCATEL VACUUM Coordinatore Roadmap sorgente EUV Sistema vuoto Integrazione Ottiche CEA-DPC CEA-DRECAM CEA-DRECAM CEA-DPC THALES Laser ALCATEL ALCATEL THALES Laser Problema del ”time-to-market“ Il progetto EXULITE • Realizzazione di una sorgente industriale • ad alta cadenza per la litografia EUV EXULITE

  46. Capitolato del prototipo industriale

  47.  3570  16  200  ~1 Verso l’industrializzazione della nostra sorgente EUV Progetto EXULITE Performances attuali Performances future 25 W raccolti in sr 10 kHz 0.8 mJ/tiro/sr 7 mW raccolti in 0.2 sr 50 Hz 0.7 mJ/tiro/sr 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, d’arricchire le risorse di simulazione numerica) PREUVE e il BEL: buona base di partenza per le sfide del progetto EXULITE

  49. 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

  50. Ne (cm-3) 1021 limite collisionale-radiativo 1020 1019 1018 1017 10 102 103 Te (eV) 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: (tz ~ tc ) << tlaser ~1 ns

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