2.5.2. Synchrotron: NIST SURF III

Neben dem EUV-Licht im Labormaßstab, das das NIST zur Analyse von Halbleiterkomponenten verwendet, präsentierte Dr. Steve Grantham während des Arbeitsgruppentreffens auch eine Fülle von Ressourcen in der Synchrotron Ultraviolet Radiation Facility (SURF III) des NIST.

Wenn sich geladene Teilchen auf einer gekrümmten Bahn bewegen, emittieren sie Synchrotronstrahlung. Da die meisten Beschleuniger Magnetfelder nutzen, um die Flugbahnen von Teilchen abzulenken, wird Synchrotronstrahlung auch als Magnetobremsstrahlung bezeichnet. Das emittierte Spektrum reicht von Mikrowellen (Harmonische des treibenden HF-Feldes) bis hin zu Röntgenspektralbereichen und die Strahlung ist vertikal kollimiert und polarisiert. Wenn die Elektronenenergie E, der Biegeradius ρ, der Elektronenstrom IB, der Winkel Ψ0 relativ zur Orbitalebene, der Abstand d zum Tangentenpunkt, der vertikale Winkel Δψ und der horizontale Winkel Δθ bekannt sind, kann die Synchrotronstrahlungsleistung berechnet werden. Die Ausgangsleistung von SURF ist in der Abbildung dargestellt.

Abbildung 17 vergleicht die von SURF bei 416 MeV, 380 MeV, 331 MeV, 284 MeV, 234 MeV, 183 MeV, 134 MeV und 78 MeV emittierten Synchrotronstrahlungsspektren mit den Spektren eines 3000 K-Schwarzkörpers und einer Deuteriumlampe.
Umgekehrt nutzt die Ultraviolet Radiation Group des NIST SURF III als stabile Lichtquelle für Strahlungsmessungen und Forschung. SURF deckt einen Wellenlängenbereich vom fernen Infrarot bis zum weichen Röntgen ab. Tabelle 1 bietet einen Überblick über die aktuellen Fähigkeiten und Zukunftspläne für NIST SURF III. Synchrotronlichtquellen sind nicht für extrem ultraviolette (EUV) Quellen in Umgebungen mit hoher Stückzahlfertigung (HVM) geeignet. Dennoch können Synchrotronanlagen von Vorteil sein, da sie die Flexibilität bieten, verschiedene Parameter zu testen, um die EUVL-Industrie bei der Erreichung der HVM-Ziele zu unterstützen, wie bereits weiter oben in diesem Bericht erläutert (Abschnitte 2.2 und 2.4.2). Es ist wichtig zu beachten, dass es für bestimmte Wellenlängensysteme überlappende und inkonsistente Definitionen und Terminologien geben kann. Daher sollte der ISO21348-Standard als allgemeine Richtlinie herangezogen werden.

Während der Arbeitsgruppensitzung wurden Forschungsbeispiele zur Spiegelverschmutzung bei der Beleuchtung mit EUV-Strahlung in Gegenwart von Verunreinigungen und/oder Reinigungsmaterialien vorgestellt. Seit dem Jahr 2000 ist NIST ein führendes Zentrum für die Untersuchung optischer EUVL-Kontamination und untersucht die Verschlechterung häufig verwendeter Filter in Satelliten. Kürzlich führte die Sensor Science Division des NIST ähnliche Studien für Anwendungen in der Halbleiterfertigung durch. NIST verfügt derzeit über drei Einrichtungen, die sich an zwei Strahllinien (Strahllinie 1 und Strahllinie 8) verschiedenen Aspekten der optischen Kontamination widmen. Die Möglichkeit, Kontaminationen zu untersuchen, steht in direktem Zusammenhang mit der Diskussion über die Bedeutung der Verlängerung der Lebensdauer von Kollektorspiegeln, die weiter oben in diesem Bericht erwähnt wurde (siehe Abschnitt 2.4.2). Es wird empfohlen, die weitere Entwicklung bestehender Anlagen zu unterstützen, um die nächste Generation der EUVL-Fertigung in der Halbleiterindustrie zu unterstützen.

2.5.3: Atomsondentomographie (APT)

Die Atomsondentomographie (APT) ist die einzige Technik, die eine Elementkartierung in 3D im gesamten Periodensystem für jedes Element auf atomarer Ebene mit einer Isotopenauflösung im Subnanometerbereich ermöglicht. Abbildung 18 veranschaulicht die Funktionsweise von APT. Weitere Hintergrundinformationen zu APT finden Leser in aktuellen Rezensionen zu diesem Thema.

Abbildung 18. Foto der Atomsondentomographie (APT) am NIST in Boulder, Colorado (oben) und schematische Darstellung des APT-Betriebs (unten). Quelle: NIST.

Kommerzielle APT-Instrumente nutzen Laserstrahlung im nahen Ultraviolett (NUV: 3.5 eV) oder tiefen Ultraviolett (DUV: 4.8 eV), die unterhalb der Austrittsarbeit vieler Materialien und der Ionisierungsenergie der meisten Elemente liegt. Daher können diese Instrumente funktionieren, indem sie die untersuchten Proben einer erheblichen Erwärmung aussetzen. Tatsächlich weisen Daten von NUV-Instrumenten für die Analyse organischer Materialien häufig komplexe und problematische Fragmentmuster auf, die Hinweise auf eine Aggregation während des In-situ-Verdampfungsprozesses zeigen, und können nicht direkt als Ergebnisse auf atomarer Ebene interpretiert werden. Im Gegensatz dazu verfügt EUV-Strahlung (20–90 eV) über ausreichend Energie, um Atome und Moleküle auf der Probenoberfläche zu ionisieren und möglicherweise kleinere und direkt interpretierbare Fragmentmuster zu erzeugen. Der NIST-Ansatz beinhaltet die Anwendung von EUVAPT auf die Untersuchung von Dünnfilm-Fotolacken, um nach nanoskaligen Zusammensetzungsschwankungen zu suchen, die zur stochastischen Natur lithografischer Unregelmäßigkeiten, einschließlich der Linienkantenrauheit (LER), beitragen können. Somit stellt EUVAPT einen entscheidenden messtechnischen Fortschritt bei der Untersuchung stochastischer Ereignisse im Zusammenhang mit der Verarbeitung und chemischen Zusammensetzung von Fotolacken dar (siehe Abschnitt 2.4.1). Es ist bemerkenswert, dass diese Methode sowie der Vergleich der Ergebnisse zwischen EUVAPT und herkömmlichen NUV- und DUVAPT-Instrumenten im vorangehenden Abschnitt 2.3 diskutiert werden.

Umfrageergebnisse und Empfehlungen

Die technischen Schlussfolgerungen der Arbeitsgruppensitzungen sind in Abschnitt 2 jedes Teilprojekts enthalten. Die aus Experimenten gewonnenen Schlüsseleigenschaften werden die Entwicklung von Modellierungs- und Simulationstechniken erleichtern und so hohe Stückzahlen, Durchsätze und Größenordnungen für die Halbleiterindustrie vorantreiben. NIST verfügt über einzigartige experimentelle EUVL-Messfähigkeiten und theoretische Simulationsprogramme. Daher ermutigten die Branchenteilnehmer bei den Arbeitsgruppentreffen dazu, die vom NIST vorgeschlagene Instrumentenentwicklung zu finanzieren oder vorhandene Instrumente zu nutzen, um der US-Industrie hochpräzise Daten bereitzustellen. NIST-Wissenschaftler sollten nicht nur Industriedesign-Ingenieure sein, sondern durch Zusammenarbeit ihr Fachwissen mit Erkenntnissen über EUVL kombinieren, um für beide Seiten vorteilhafte Ergebnisse zu erzielen; Der Wissenstransfer muss mit der Mission der Förderung in Einklang stehen. Die Industrie hat die Möglichkeit, inländische Interessen zu unterstützen, aber die wissenschaftlichen und leitenden Führungskräfte des NIST müssen verstehen, wie sie jeden neu geschaffenen Wettbewerbsvorteil entsprechend anpassen können. Etablierte kontrollierte Verbreitungsmethoden wie CRADA, SRD und SRM sollten in Betracht gezogen werden.

Aus Projektsicht betonten die Arbeitsgruppentreffen, wie die internationale Wettbewerbslandschaft für EUVL dazu führt, dass Geheimhaltungsvereinbarungen (NDAs) für eingehende technische Gespräche mit NIST-Forschern erforderlich sind. Daher schlugen alle Teilnehmer der Arbeitsgruppensitzung vor, den NDA-Prozess zwischen NIST-Forschern und der Industrie zu rationalisieren, mit einer Bearbeitungszeit von weniger als zwei Monaten ab Projektbeginn. NIST-Mitarbeiter und -Management sollten über den NDA-Prozess geschult werden, um die Schritte korrekt ausführen zu können.

Abschließend wird aus dieser Arbeitsgruppensitzung deutlich, dass die persönliche Interaktion zu fruchtbaren Diskussionen und umsetzbaren nächsten Schritten führt. Zukünftige Interaktionen zwischen Stakeholdern können von Arbeitsgruppentreffen über Symposien bis hin zu Konsortien übergehen. Mit zunehmender Verfahrenskomplexität steigen auch die Kosten (über 10,000–100,000 US-Dollar) und die Arbeitsstunden (über 40–200 Stunden). Daher kann die Planung zukünftiger Aktivitäten auf häufig besuchten Fachkonferenzen wie SPIE oder der Optical Society of America (OSA) dazu beitragen, Kosten und Aufwand zu senken.