2.5.2. Synchrotron: NIST SURF III

Ngoài ánh sáng EUV quy mô phòng thí nghiệm được NIST sử dụng để phân tích các thành phần bán dẫn, Tiến sĩ Steve Grantham còn trình bày rất nhiều tài nguyên tại Cơ sở bức xạ tia cực tím Synchrotron (SURF III) của NIST trong cuộc họp nhóm làm việc.

Khi các hạt tích điện di chuyển dọc theo một đường cong, chúng sẽ phát ra bức xạ synchrotron. Vì hầu hết các máy gia tốc đều sử dụng từ trường để bẻ cong quỹ đạo của các hạt nên bức xạ synchrotron còn được gọi là magnetobremsstrahlung. Dải phổ phát ra từ vi sóng (sóng hài của trường RF dẫn động) đến các vùng phổ tia X và bức xạ được chuẩn trực và phân cực theo chiều dọc. Nếu năng lượng electron E, bán kính uốn cong ρ, dòng điện IB, góc Ψ0 so với mặt phẳng quỹ đạo, khoảng cách d đến điểm tiếp tuyến, góc thẳng đứng Δψ và góc ngang Δθ đều biết, thì có thể tính được đầu ra bức xạ synchrotron. Công suất đầu ra của SURF được thể hiện trong hình.

Hình 17 so sánh quang phổ bức xạ synchrotron do SURF phát ra ở 416MeV, 380MeV, 331MeV, 284MeV, 234MeV, 183MeV, 134MeV và 78MeV với quang phổ của vật đen 3000K và đèn deuterium.
Ngược lại, Nhóm Bức xạ Tử ngoại của NIST sử dụng SURF III làm nguồn sáng ổn định để đo và nghiên cứu bức xạ. SURF bao phủ phạm vi bước sóng từ tia hồng ngoại xa đến tia X mềm. Bảng 1 cung cấp cái nhìn tổng quan về khả năng hiện tại và kế hoạch tương lai của NIST SURF III. Nguồn sáng synchrotron không phù hợp với nguồn cực tím (EUV) trong môi trường sản xuất khối lượng lớn (HVM). Tuy nhiên, cơ sở synchrotron có thể có lợi vì chúng cung cấp tính linh hoạt để kiểm tra các thông số khác nhau nhằm hỗ trợ ngành EUVL đạt được các mục tiêu HVM, như đã thảo luận trước đó trong báo cáo này (Phần 2.2 và 2.4.2). Điều quan trọng cần lưu ý là có thể có các định nghĩa và thuật ngữ chồng chéo và không nhất quán đối với các hệ thống bước sóng nhất định, vì vậy tiêu chuẩn ISO21348 nên được tham khảo làm hướng dẫn chung.

Trong cuộc họp nhóm làm việc, các ví dụ nghiên cứu về ô nhiễm gương trong quá trình chiếu bức xạ EUV với sự có mặt của chất gây ô nhiễm và/hoặc vật liệu làm sạch đã được trình bày. Từ năm 2000, NIST đã trở thành trung tâm hàng đầu về nghiên cứu ô nhiễm quang học EUVL và đã nghiên cứu sự xuống cấp của các bộ lọc thường được sử dụng trong vệ tinh. Gần đây, Phòng Khoa học Cảm biến của NIST đã tiến hành các nghiên cứu tương tự cho các ứng dụng sản xuất chất bán dẫn. NIST hiện có ba cơ sở dành riêng cho các khía cạnh khác nhau của ô nhiễm quang học trên hai đường truyền tia (Beamline 1 và Beamline 8). Khả năng nghiên cứu sự ô nhiễm liên quan trực tiếp đến cuộc thảo luận về tầm quan trọng của việc kéo dài tuổi thọ của gương thu được đề cập trước đó trong báo cáo này (xem Phần 2.4.2). Nên hỗ trợ tiếp tục phát triển các cơ sở hiện tại để hỗ trợ thế hệ sản xuất EUVL tiếp theo trong ngành bán dẫn.

2.5.3: Chụp cắt lớp đầu dò nguyên tử (APT)

Chụp cắt lớp thăm dò nguyên tử (APT) là kỹ thuật duy nhất có khả năng cung cấp ánh xạ nguyên tố ở quy mô nguyên tử có độ phân giải dưới nanomet ở dạng 3D trên bảng tuần hoàn cho bất kỳ nguyên tố nào. Hình 18 minh họa hoạt động của APT. Để biết thêm thông tin cơ bản về APT, độc giả có thể tham khảo các bài đánh giá gần đây về chủ đề này.

Hình 18. Ảnh chụp Chụp cắt lớp thăm dò nguyên tử (APT) tại NIST ở Boulder, Colorado (trên cùng) và sơ đồ hoạt động của APT (dưới). Nguồn: NIST.

Các thiết bị APT thương mại sử dụng bức xạ laser tia cực tím gần (NUV: 3.5 eV) hoặc tia cực tím sâu (DUV: 4.8 eV), thấp hơn chức năng hoạt động của nhiều vật liệu và năng lượng ion hóa của hầu hết các nguyên tố. Do đó, các thiết bị này có thể hoạt động bằng cách làm nóng các mẫu nghiên cứu. Trên thực tế, dữ liệu từ các thiết bị NUV để phân tích vật liệu hữu cơ thường thể hiện các mẫu mảnh phức tạp và có vấn đề, cho thấy bằng chứng về sự kết tụ trong quá trình bay hơi tại chỗ và không thể hiểu trực tiếp là kết quả ở quy mô nguyên tử. Ngược lại, bức xạ EUV (20-90 eV) có đủ năng lượng để ion hóa các nguyên tử và phân tử trên bề mặt mẫu, có khả năng tạo ra các mẫu mảnh nhỏ hơn và có thể giải thích trực tiếp. Cách tiếp cận của NIST liên quan đến việc áp dụng EUVAPT vào nghiên cứu các chất quang dẫn màng mỏng để tìm kiếm các biến động thành phần có kích thước nano có thể góp phần vào tính chất ngẫu nhiên của các bất thường trong in thạch bản, bao gồm cả độ nhám của cạnh đường (LER). Do đó, EUVAPT thể hiện một tiến bộ đo lường quan trọng trong việc nghiên cứu các sự kiện ngẫu nhiên liên quan đến quá trình xử lý và thành phần hóa học của chất quang dẫn (xem Phần 2.4.1). Đáng chú ý là phương pháp này cũng như việc so sánh kết quả giữa EUVAPT với các thiết bị NUV và DUVAPT truyền thống đã được thảo luận trong Phần 2.3 trước đó.

Kết quả khảo sát và khuyến nghị

Các kết luận kỹ thuật của các cuộc họp nhóm công tác được nêu trong Phần 2 của mỗi tiểu dự án. Các đặc tính chính được rút ra từ các thí nghiệm sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển các kỹ thuật mô hình hóa và mô phỏng, thúc đẩy khối lượng, thông lượng và quy mô lớn cho ngành công nghiệp bán dẫn. NIST sở hữu các khả năng đo lường thực nghiệm EUVL độc đáo và các chương trình mô phỏng lý thuyết. Do đó, những người tham dự trong ngành tại các cuộc họp nhóm làm việc đã khuyến khích tài trợ cho việc tạo ra công cụ do NIST đề xuất hoặc sử dụng các công cụ hiện có để cung cấp dữ liệu cực kỳ chính xác cho ngành công nghiệp Hoa Kỳ. Các nhà khoa học của NIST không chỉ là kỹ sư thiết kế công nghiệp mà còn phải kết hợp kiến ​​thức thực địa của mình với hiểu biết sâu sắc về EUVL thông qua hợp tác để đạt được kết quả đôi bên cùng có lợi; chuyển giao kiến ​​thức phải phù hợp với sứ mệnh của nguồn tài trợ. Công nghiệp có cách hỗ trợ lợi ích trong nước, nhưng các nhà lãnh đạo khoa học và quản lý của NIST phải hiểu cách điều chỉnh mọi lợi thế cạnh tranh mới được tạo ra cho phù hợp. Cần xem xét các phương pháp phổ biến có kiểm soát đã được thiết lập như CRADA, SRD và SRM.

Từ góc độ dự án, các cuộc họp của nhóm làm việc nhấn mạnh bối cảnh cạnh tranh quốc tế đối với EUVL dẫn đến nhu cầu về các thỏa thuận không tiết lộ (NDA) cho các cuộc trò chuyện kỹ thuật chuyên sâu với các nhà nghiên cứu của NIST. Do đó, tất cả những người tham dự cuộc họp nhóm làm việc đều đề xuất hợp lý hóa quy trình NDA giữa các nhà nghiên cứu của NIST và ngành công nghiệp, với thời gian quay vòng dưới hai tháng kể từ khi bắt đầu dự án. Nhân viên và ban quản lý của NIST cần được đào tạo về quy trình NDA để thực hiện các bước một cách chính xác.

Cuối cùng, rõ ràng từ cuộc họp nhóm làm việc này là sự tương tác trực tiếp tạo ra các cuộc thảo luận hiệu quả và các bước tiếp theo có thể hành động được. Sự tương tác trong tương lai giữa các bên liên quan có thể chuyển từ các cuộc họp nhóm làm việc sang hội nghị chuyên đề và tập đoàn. Khi độ phức tạp của thủ tục tăng lên, chi phí (trên 10,000-100,000 USD) và số giờ lao động (trên 40-200 giờ) cũng tăng theo. Do đó, việc lên lịch các hoạt động trong tương lai tại các hội nghị chuyên nghiệp thường xuyên tham dự như SPIE hoặc Hiệp hội Quang học Hoa Kỳ (OSA) có thể giúp giảm bớt chi phí và công sức.