2.5 EUV come strumento analitico

Alla riunione del gruppo di lavoro, i ricercatori del NIST hanno discusso tre temi principali relativi all'utilizzo dell'EUV come strumento analitico per assistere l'industria manifatturiera dei semiconduttori. I tre metodi per utilizzare la luce EUV come tecnica analitica sono: (1) generazione di armoniche elevate (HHG), (2) radiazione di sincrotrone e (3) tomografia con sonda atomica. La generazione di armoniche elevate offre un ingombro compatto, consentendo l'implementazione in strutture di ricerca e produzione con accesso continuo a dimensioni, materiali e caratteristiche dinamiche di dispositivi microelettronici di livello sub-nanometrico profondo, che vengono generalmente studiati utilizzando sorgenti di radiazione di sincrotrone. Le sorgenti di radiazione di sincrotrone consentono di studiare vari aspetti dell'EUVL e forniscono ulteriori capacità per studiare il degrado degli specchi del collettore. La tomografia con sonda atomica è l'unica tecnica in grado di fornire una mappatura chimica 3D a livello atomico con risoluzione isotopica sub-nanometrica per qualsiasi elemento della tavola periodica, che può essere utilizzata per lo studio dei fotoresist EUV.

L'industria ha fornito preziosi feedback sui potenziali usi di questi strumenti nell'assistenza alla produzione EUVL. Il comitato legale del NIST deve intraprendere azioni proattive per sviluppare soluzioni in grado di soddisfare le richieste di accordi di non divulgazione (NDA) da parte di potenziali collaboratori, soddisfacendo al tempo stesso i requisiti legali e amministrativi unici derivanti dall'impiego federale, vietando esplicitamente a se stessi o alla loro organizzazione di rispettare qualsiasi contratto esterno .

2.5.1 Generazione di armoniche elevate (HHG)

Mentre EUVL spinge ulteriormente la litografia nel regime della scala sub-nanometrica, l’industria microelettronica richiede nuove tecniche di misurazione e metrologia. Al NIST è in corso un progetto che utilizza la lunghezza d'onda corta dell'EUV per sondare dimensioni, materiali e caratteristiche dinamiche dei dispositivi microelettronici su scala sub-nanometrica. La sorgente luminosa ad alta generazione armonica (HHG) del NIST è una sorgente luminosa a banda larga (che copre energie fotoniche di 20-100 eV), ultraveloce (impulsi di 20 femtosecondi) e coerente (simile al laser). L'ampia copertura spettrale consente l'accesso alle transizioni a livello del nucleo in molti materiali rilevanti per le misurazioni di dispositivi microelettronici e strati specifici, come mostrato nella Figura 13. Tali misurazioni vengono generalmente eseguite utilizzando sorgenti di radiazione di sincrotrone. Tuttavia, l’ingombro compatto delle fonti HHG ne consente l’impiego in strutture di ricerca e produzione con accesso continuo. La Figura 14 mostra una fotografia dell'attuale sistema in funzione presso il Laboratorio di Misurazione Fisica del NIST (PML), che si adatta allo spazio tipico di un laboratorio.

La Figura 13 mostra lo spettro di uscita dell'energia fotonica della sorgente di generazione di armoniche elevate (HHG) del NIST e le posizioni di diverse transizioni a livello del nucleo atomico nei materiali rilevanti.

Figura 14. Fotografia della sorgente HHG situata presso il NIST e della relativa strumentazione.

La breve durata dell'impulso consente misurazioni dinamiche dello spin e del trasporto termico. Un successo recente è lo sviluppo di un generatore a pettine di frequenza sincronizzato con impulsi EUV, con un jitter migliore di due picosecondi. La Figura 15 mostra questa sincronizzazione con un segnale a 40 GHz. Si tratta di un miglioramento di circa un ordine di grandezza rispetto a quanto si può ottenere su un acceleratore di sincrotrone, consentendoci di effettuare misurazioni alle frequenze operative dei dispositivi microelettronici. Ciò consente misurazioni in tempo reale del flusso di calore e del trasporto di spin all'interno e all'esterno dei dispositivi funzionali.

Figura 15. Segnale da 40 GHz sull'oscilloscopio campionatore. L'impulso di attivazione (in rosso) deriva dagli impulsi utilizzati nel sistema di generazione delle armoniche alte, dimostrando direttamente la sincronizzazione tra le armoniche alte e il segnale a 40 GHz.

Infine, la coerenza della luce consente tecniche di imaging senza lenti come l'imaging a diffrazione coerente, la pticografia e l'olografia, che possono fornire una risoluzione spaziale alle lunghezze d'onda EUV. Questa capacità consente al NIST di acquisire direttamente immagini di dispositivi funzionali, sebbene questo lavoro non sia stato completato presso il NIST. La Figura 16 mostra il risultato della combinazione della pitcografia con la riflettometria per misurare la distribuzione spaziale laterale dei droganti nel silicio. Questo approccio consente la valutazione non distruttiva delle interfacce e delle distribuzioni dei droganti nella microelettronica.

Figura 16. Esempio di caratterizzazione su scala nanometrica 3D della distribuzione del drogante utilizzando una combinazione di riflettometria e pitcografia. Fonte: Tanksalvala.

Durante la riunione del gruppo di lavoro, i rappresentanti del settore hanno sottolineato come possa essere utile analizzare i componenti dei semiconduttori sui wafer per identificare i difetti. Nello specifico, Golani et al. hanno dimostrato come separare la simulazione delle interazioni luce-struttura dalla simulazione ottica in una simulazione sistematica abbia consentito di testare molte configurazioni ottiche in un periodo di tempo relativamente breve durante la post-elaborazione. Golani et al. la simulazione è stata eseguita utilizzando il solutore commerciale Ansys e prevedeva un potente gemello digitale.

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