CECCOTTI-litografia - Dipartimento di Fisica

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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 Plasma
CEA-DSM/DRECAM/SPAM
C.E. de Saclay, FRANCE

Seminario Istituto per i Processi Chimico-Fisici

Pisa, 18 aprile 2002


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Struttura del seminario

• La litografia del futuro

• Il progetto R&D PREUVE
• La sorgente CEA-DRECAM
• Il progetto industriale EXULITE


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”… 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 “


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… 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


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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)


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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


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La prospettiva intorno al 2008-2010

EUVL

2008

2010

0.05 µm

Scenario ”Photons Forever“
0.013 µm


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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


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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.


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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


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• La litografia del futuro

• Il progetto R&D PREUVE
• La sorgente CEA-DRECAM
• Il progetto industriale EXULITE


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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


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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


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• La litografia del futuro

• Il progetto R&D PREUVE
• La sorgente CEA-DRECAM
• Il progetto industriale EXULITE


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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


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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


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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


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1a fase di PREUVE :
il prototipo WEGA
Iniettore

Camera d’ interazione

Lente di
focalizzazione

Laser

Sorgente EUV

verso il riflettometro
verso lo spettrometro


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


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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


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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


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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


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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


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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


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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


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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


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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


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2a fase di PREUVE :
il getto di xenon

Iniettore criogenico

Pompaggio differenziale inverso
Riciclaggio dello xenon


Slide 29

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


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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)


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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


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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)


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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“


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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


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Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon
la realizzazione di un post-processore

Equazione di rate per il modello collisionale-radiativo
dn Z  1
dt

 n e n z S  z , T e   n e n z  1 S  z  1, T e   a r  z  1, T e   n ea 3 b  z  1, T e 

 n e n z  2 a r  z  2 , T e   n ea 3 b  z  2 , T e 

Coefficenti d’ionizzazione collisionale (S), ricombinazione radiativa (ar)
e ricombinazione a tre corpi (a3b)
9  10  z T e  z 

1 2

6

S 

z

3 2

 4 . 88  T e

a r  5 . 2  10

 14

a 3 b  2 . 97  10

 z
 27

exp    z T e cm s
3

z
Te 

1 2



Z 0 . 429 

1
2

1

log   z T e   0 . 469   z T e 

 z T e  z  4 . 88  T e  z s
2

1 2

cm

3

s

1

1

z = potenziale d’ionizzazione
z = numero d’elettroni nel guscio esterno
Colombant et Tonon, J. Appl. Phys., 44, 3524 (1973)


Slide 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 1 n z  S  z , Te  a r  z  1, Te   n ea 3 b  z  1, Te 

2

3

4 5 6

nz/nT

z=1

7

10
température (eV)

8

9 10 11 12


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Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon
la realizzazione di un post-processore

Valutazione della potenza dell’emissione di riga
Prad  4p e
bb

4

2p
3m e k B

ne
Te

 n10  

f nm g  y  exp   y 
1  Const 

ne

gy
3

T e E nm
y

E nm
Te
1 234567

Presa in conto (approssimativa)
dell’ opacità
 Mc
t  p re l f nm n i  m d 
2
 2p k B T i l
2

2






1
2

P1 exp-(t2t3t4...
P2 exp-(t3t4t5...
P3 exp-(t4t5t6...

laser


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L’interfaccia
del
post-processore


Slide 39

Le simulationi numeriche: II-il getto di xenon

primi risultati: l’influenza della scelta della maglia iniziale

maglia ”a“

maglia ”b“


Slide 40

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


Slide 41

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


Slide 42

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


Slide 43

• La litografia del futuro

• Il progetto R&D PREUVE
• La sorgente CEA-DRECAM
• Il progetto industriale EXULITE


Slide 44

2001-2004: la R&D in Europa
sulle sorgenti EUV: MEDEA+

Tecnologie
Litografia

Sorgenti EUV

EXULITE

Progetti
Gruppi


Slide 45

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


Slide 46

Capitolato del prototipo industriale


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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)


Slide 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


Slide 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


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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

1020

tz 

1019

1
ne

z

1

 S i  1, T 
i 1

e

2  k c v  Ti
1 2

tc 

1018

1017

10

102

103

Te (eV)

a0

1 2

~1 ns