近日，卡尔蔡司SMT与ASML的研究人员联合发布了一项技术论文。该论文探讨了数值孔径至少为0.75的超高数值孔径EUV光刻技术，将其视为超越现有0.55-NA高数值孔径系统的潜在路径，内容涵盖光学架构、分辨率潜力、掩模三维效应、偏振特性以及扩展现有EUV生态系统的需求。
以下为论文原文翻译：
数值孔径为0.55的EUV扫描器近期已投入市场，并正朝着大规模生产迈进。考虑到EUV扫描器产品开发周期较长，NA 0.55扫描器的后续机型问题已提上议程。
我们提出了一种数值孔径至少为0.75的EUV扫描仪概念，称之为超高数值孔径扫描仪。Hyper NA应能尽可能多地复用现有光刻基础设施，例如掩模、光源以及用于制造这些扫描仪的生产设备。
Hyper NA能够在与当前NA 0.55扫描仪几乎相同的体积范围内支持NA 0.75。现有光源可直接复用，并且诸如low-n或high-k等现代掩模吸收器对于High NA也足够适用。因此，引入Hyper NA作为NA的增量提升，是当前NA 0.55扫描仪的更优替代方案，因为它提供了一条与基础设施兼容的路径。
在本文所考虑的标准中——包括与当前13.5纳米EUV平台的连续性、光源与掩模基础设施的复用、与既有扫描仪制造技术的兼容性，以及扫描仪体积的有限变化——超高数值孔径是当前EUV扫描仪架构最直接的扩展方向。
迈向Hyper NA的路线图
图1概述了蔡司历史上所有的光刻光学系统。除极少数例外，这些系统在分辨率-时间图中均遵循同一条曲线。该曲线的斜率自2010年左右开始下降，反映出业界将更高光学分辨率转化为大批量生产中更小图案尺寸所需的时间日益延长。反过来，工具迭代周期的延长也反映了开发这些日益复杂的光学系统所需的更大投入。
图1：蔡司光刻光学器件及其相应光学分辨率的发展历程
通过对该曲线进行直接外推，可以轻松估算下一代工具的性能：它应具备5纳米半间距的光学分辨率，并可在约10年内投入使用。这种5纳米的分辨率可通过将数值孔径至少提升至0.75来实现，因此得名“超高数值孔径”。
图2：投影镜头有不同的设计类别，也称为折叠几何形状。每种折叠几何形状仅适用于特定的数值孔径范围。
随着数值孔径从0.25增至0.75，镜片尺寸随之增大。从低数值孔径到高数值孔径的过渡需要新的生产设备来制造更大的镜片，尤其是需要新的计量技术以在生产过程中测量镜片形状。然而，这些变化的影响仅限于镜头制造过程本身，对其他方面影响甚微。
这与从NA 0.33到NA 0.55改变折叠几何形状所带来的后果截然不同：不同的折叠几何形状会导致系统尺寸大幅增加，从而影响工具用户及其晶圆厂的空间需求。由于从NA 0.55到NA 0.75的过渡可在相同的折叠几何形状下实现，系统尺寸几乎不会增加，如图3所示，这使得工具几乎可无缝引入晶圆厂。此外，它还允许集成到未来的ASML高产能扫描仪平台，该平台对从NA 0.33开始的所有数值孔径都具有通用性。
图3：比较超高数值孔径与其前代高数值孔径的光路尺寸。NA值最高可达0.85的超高数值孔径设计也已问世；然而，由此导致的系统尺寸增大使得该方案的吸引力有所降低。
数值孔径并不局限于0.75；相反，我们已经设计出了数值孔径高达0.85的光学器件。然而，数值孔径的增加显著增大了系统尺寸，从晶圆厂空间和生产成本角度而言，这种方案的吸引力有所降低。
掩膜基础设施
超高数值孔径技术允许大部分现有基础设施的复用。对于光源而言，这一点显而易见，但对于基础掩模技术也同样适用。为解释这一点，我们参考图4，该图描绘了不同代EUV光刻机掩模所处的角度。低数值孔径采用同构放大，因此角度分布接近圆形。高数值孔径和超高数值孔径采用非变形放大，即水平和垂直方向的放大倍数不同；因此，角度分布接近椭圆形，长宽比约为1:2。
图4：图中展示了掩模处极紫外光角度分布的对比，以角度空间形式呈现。极紫外光来自照明系统，然后被掩模反射到投影透镜，这解释了图中的镜像结构。
挑战在于限制掩模上的最大角度。简单地按NA 0.55的情况缩放，最大角度的正弦值会增加36%。然而，高NA概念包含对光学设计和机械布局的改进，可显著减小最大角度。目前的基准是保持放大倍率在其高NA值，即1/4和1/8，但通过改变几个百分点的放大倍率，可以进一步减小最大视角，尽管幅度很小。
所有这些改进意味着，NA为0.75的超NA遇到的最大角度只会增加一点点，约1度。与高数值孔径工具相比，这种提升非常温和，我们预计当前的掩模基础设施可以无需或只需进行极小的改动即可复用，并且初步的掩模效应详细模拟也证实了这一点。
Hyper NA的成像优势
超高数值孔径带来的数值孔径增加可通过两种不同方式加以利用，我们将用图5来解释。
图5：比较三种不同数值孔径值下的成像对比度。图(a)显示的是无掩模和矢量效应的理想情况，图(b)考虑了有限瞳孔填充率的影响，图(c)在此基础上还考虑了光刻胶涂抹的影响。
图5(a)展示了在假设条件日益贴近实际的情况下，增大数值孔径如何改变可用成像对比度的对比情况：成像对比度仅取决于在晶圆处发生干涉的衍射级数；因此，对于每一个NA值，对比度曲线都会出现有限次数的阶跃变化。当引入有限的光瞳填充率时[图5(b)]，这些突变变得平滑，但仍会出现对应于离散NILS值的平台区。如果进一步考虑光刻胶模糊效应[图5(c)]，这些平台区将变得略微倾斜，至少在半间距较小时是如此。
图5(c)中的两个箭头标示了利用增大NA优势的两种不同途径：一种选择是利用它来缩小印刷结构；另一种途径是利用增大的NA在不缩小结构尺寸的情况下提高成像对比度，从而提高大规模生产中的良率。
矢量效应与对偏振照明的需求
在讨论超高数值孔径技术时，经常会遇到矢量效应这一课题：当晶圆处的衍射级之间存在较大的角度间隔时，只有两种偏振方向中的一种能够产生具有完全对比度的空间像。
如果没有矢量效应，在采用固定k1值的情况下，空间像的对比度将与间距无关。然而，当计入矢量效应时，即使在k1保持不变的情况下，对比度也会随节距而变化。对于非偏振照明，这表现为图中的绿色曲线。根据具体应用场景，采用偏振照明可以减轻这种对比度损失。
图6：当使用非偏振照明时，矢量效应会降低图像对比度。根据具体应用场景，可以通过偏振照明来减轻这种损失。
图7(a)展示了两种最极端的应用场景：线/空和方形触点。相应的照明光瞳如图7(b)所示。对于照明光瞳的单个极点，相关的衍射级次如图7(c)所示，并标明了哪些衍射级次会发生干涉。对于方形触点，k1在EUVL中采用的值，每个照明极都会对水平和垂直特征边缘成像。
图7：a）相应的结构，（b）相应的照明光瞳，（c）对于一个照明极点，其他衍射级次以及哪些衍射级次可以干涉，以及（d）对于每个干涉对，最佳偏振方向。
对于给定的衍射级对，最佳偏振方向与连接这两个级的k矢量正交，图7(d)展示了这种最佳偏振方向。对于线和空，照明光瞳中的两个极点必须如何偏振才能实现这种方向，这一点显而易见。因此，对于这种应用场景，可以完全恢复由矢量效应引起的对比度损失。
对于方形触点，图7(d)显示存在四种不同的最佳偏振方向，分别对应每对干涉衍射级次。换句话说，照明光瞳中的给定极点需要同时具有四种不同的偏振态。对于最简单的掩模模型，即无偏置的纯振幅基尔霍夫掩模，这四种偏振态的贡献强度相等；因此，不存在优先的偏振态，并且任何偏振选择都不可能优于非偏振照明。如果采用更复杂的掩模模型，这四种偏振态的贡献强度将不再相同；因此，偏振照明会略有优势，但这种优势的强度甚至最佳偏振态都将取决于掩模的假设，例如吸收体类型和偏置电压。
对于六边形触点，照明光瞳的每个极点成像的特征方向相差60度。因此，可以找到一个合理的偏振方向折衷方案，这解释了使用偏振照明时，该应用场景下图像部分恢复的原因。
即使在偏振照明能够提升对比度的应用场景中，是否实际采用偏振照明仍然是一个值得商榷的问题，因为偏振照明总是会伴随显著的光损耗。明智的做法是选择能够最大程度降低边缘位置误差的方案。
图8显示了当前的EPE预算。其中一项重要贡献与光学特性无关，例如包含平台误差，与本文讨论无关。另一项较小贡献取决于图像对比度，而图像对比度正是可以通过偏振照明来改善的。
图8：ASML EUV工具的当前边缘放置误差预算，其中每个框的宽度与其对边缘放置误差的贡献成正比。
然而，EPE中占比最大的部分取决于剂量和对比度，这部分误差可明确归因于散粒噪声。对于任何应用场景，都需要评估在偏振照明下，因光能损失导致的EPE恶化是否会超过因对比度提升而带来的EPE改善。
在下一节讨论的实施方案中，若基于非偏振光源，采用偏振照明将导致显著的透射率损失。因此，必须权衡“矢量效应带来的对比度恢复”与“光子数减少导致的EPE恶化”，从而评估其效益。然而，即便拥有偏振光源，选择偏振照明也并非显而易见：对于密集线条的曝光，偏振光源固然具有优势；但对于用于曝光复杂结构的自由形态偏振这一更重要的应用场景，情况则未必如此。我们将在下一节讨论这些取决于具体实施方式的因素。
偏振照明的实现
尽管许多应用场景会采用非偏振照明以避免宝贵的EUV光能损失——因此Hyper NA系统也将支持与现有EUV光刻机效率相当的非偏振照明——但我们同时也构想了在Hyper NA系统中实现偏振照明的方案，以满足特定需求。例如，只需对现有的EUV照明系统进行微小改动，即可在照明光瞳面上实现几乎任意复杂的偏振分布。
为此，我们将简要回顾传统照明系统的布局，参见图9(a)。来自EUV光源的光线经由中间焦点进入照明系统，以照射视场微镜阵列。随后，每个视场微镜将光线引导至相应的光瞳微镜，光线再由光瞳微镜传播至掩模版。
图9：（a）传统照明系统允许在不同的照明设置之间切换，这些设置由阴影化的瞳孔面指示。（b）通过插入几个线性偏振片，该照明系统可以扩展以实现自由曲面偏振。
顾名思义，光瞳微镜构成了照明光瞳。通过倾斜视场微镜，可以照射不同的光瞳微镜，从而改变照明光瞳的设置。大量的视场微镜及其对应的光瞳微镜确保了光源的任何空间波动都能被平均化，从而在掩模版处的物平面上形成均匀且轮廓清晰的照明。目前最先进的光源技术是基于锡的等离子体源，能够产生数百瓦功率的非偏振EUV光。
通过在中间像点和视场微镜之间放置线性偏振器，此类照明系统可以很容易地扩展为偏振照明系统。这是一个理想的放置位置，因为偏振器可能存在的任何缺陷都会被后续的照明系统均化。线性偏振器可以由两块反射镜构成，每块反射镜使光线偏转两倍布儒斯特角的角度。
利用线性偏振器，不仅可以实现照明光瞳的全局偏振，还能实现具有自由形状偏振特性的照明光瞳。最先进的EUV光刻机主要针对不规则的二维图形，对于此类结构，自由形状光瞳结合自由形状偏振能充分发挥其优势。
通过将少量线性偏振器并排放置，不同的视场微镜将呈现不同的偏振状态。视场微镜的可倾斜特性使我们能够在整个照明光瞳上任意分布偏振状态，而这正是自由形状偏振的核心所在。
即使采用偏振光源，图9所示的两种配置也不会发生改变。对于以相互平行的线性结构为主的应用场景，全局线性偏振可以消除由矢量效应引起的全部对比度损失。通过适当选择光源的偏振方向，可以在图9(a)所示的装置中实现这种照明条件。
针对不规则二维图案这一更重要的应用场景，可以采用图9(b)所示的装置并配合圆偏振光源。圆偏振的优势在于，能够以相同的效率生成所有所需的偏振态。图9(b)所示的装置也可以使用偏振旋转器或相位延迟器来替代线偏振片，从而有望避免因使用线偏振片而产生的光损耗；然而，目前尚无针对波长为13.5 nm或更短波段的高效偏振旋转器或相位延迟器的可行技术方案。
制造技术
我们刚才展示了，即使需要偏振照明，高数值孔径照明系统的技术也可复用于超高数值孔径系统。这种复用现有技术的能力同样适用于超高NA技术的其他方面，包括其制造与检测技术。如图10所示，在EUV设备生产的十多年间，所实现的成像质量已大幅提升，以至于无需再进行进一步的改进。
图10：新一代low NA系列扫描仪改善了成像像差和支持的光源功率。
这一论述同样适用于超高数值孔径技术，因为系统所能容忍的像差量与数值孔径的具体数值无关：较大的NA仅意味着必须在更大的光瞳范围内满足相应的像差要求。相应地，Hyper NA反射镜的制造标准无需高于低NA反射镜；两者的区别在于，Hyper NA反射镜必须保证更大面积上的表面质量。
如图10所示，在最近几代低NA技术中，研发重点已从降低像差转向提高支持的光源功率。更高的功率不仅能提升设备产能，还能降低边缘放置误差。这种降低对于Hyper NA技术至关重要，因为要实现更小尺寸结构的成像，就必须减小边缘放置误差。现有的低NA技术能够应对更高的光源功率，结合能更均匀地分布入射功率的大尺寸Hyper NA反射镜，确保了Hyper NA技术能够支持预期的光源功率提升。
焦深及其应对方案：Hyper NA微型曝光工具
提高数值孔径的初衷自然是为了提升分辨率。然而，这往往以牺牲焦深为代价。焦深并非一个定义绝对明确的量，因为它高度依赖于具体的结构和照明光瞳条件。因此，图11展示了所谓的“瑞利焦深”，该参数仅取决于NA。瑞利焦深对应于最差情况下的理想成像条件，且未考虑与图案相关的工艺窗口特性、像场平坦度、晶圆形貌、掩模三维效应或特定产品的EPE分配情况。此处使用瑞利焦深，仅旨在说明NA提升所带来的严峻挑战，并强调改进聚焦控制与使用更薄光刻胶膜的必要性。
图11：增加数值孔径可以提高分辨率，但会降低焦深。
焦深的减小提高了对扫描仪聚焦控制以及光刻胶膜厚度的要求；作为一种初步估算，焦深误差与光刻胶厚度之和不应超过焦深。由于数值孔径从0.55增加到0.75会导致焦深减小约一半，因此一个合理的初步策略是，聚焦控制精度和光刻胶厚度也需要按同样的比例进行优化。
在扫描仪中，聚焦控制预算必须涵盖扫描仪的残余误差、晶圆高度轮廓的缺陷，以及会缩小重叠工艺窗口的图案相关成像效应。因此，改进聚焦控制是一项涉及扫描仪制造商和用户的工程任务，但目前已有一些可行的改进途径。
除了协同推进聚焦控制技术的改进外，另一项重要任务是光刻胶的改进，特别是实现更薄的光刻胶层。在光刻胶随机性和抗刻蚀性等诸多考量因素中，关键一点在于光刻胶即便在厚度减半的情况下，仍需具备吸收足够光子的能力。一种可选方案是将金属质量分数从目前的约1/4提高到1/2，这可能涉及改用干式光刻胶等技术变革。
合适的微曝光工具的可用性，可以促进甚至实现必要的光刻胶开发工作：EUVL最初使用的是NA为0.3的MET；而目前的BMET5目前仍被用于光刻胶的开发。
如图12所示，微曝光工具是一种双反射镜投影系统，其中两块反射镜均开有通光孔，光路穿过这些孔。在MET中使用与扫描曝光机相同的数值孔径，能够复现晶圆表面的实际情况，从而实现符合实际的抗蚀剂显影。不过，MET无法完全复现扫描曝光机的角度分布：由于MET在掩模版处的入射角较小，抗蚀剂显影过程不会受到掩模版潜在缺陷的干扰。
图12：不同数值孔径的微曝光工具布局比较。
比较不同数值孔径下的微曝光工具——参见图12——有助于深入理解“超高数值孔径MET”所面临的挑战。以NA为0.3的原始MET为例，若将NA提高至0.75，上反射镜的尺寸便会随之增大。
评估MET实用性的一个重要指标是其遮挡程度：反射镜的功能是反射入射光，但由于每块反射镜中心都设有通光孔，部分入射光不可避免地会发生损失。衡量这一特性的关键参数是通光孔直径与反射镜直径之比。
在合理的系统参数设定下，下反射镜往往是限制系统设计的瓶颈所在。增大下反射镜直径的方法是将掩模版远离光学系统的其余部分；而减小通光孔尺寸的方法则是将反射镜面移近晶圆。
我们开发了一种用于高数值孔径为0.75的超hyper NA MET的概念设计。在1米的轨道长度下，它可提供可用的视场大小为150×15μm，1/8的同构放大倍率意味着现有掩模足以用于印刷半间距低至5 nm的结构，从而允许在能够刻画更精细结构的掩模写入设备广泛普及之前，先行开展针对超高数值孔径光刻的光刻胶开发工作。
利用光学制造技术的进步，我们可以实现30%的线性遮挡率，即系统入瞳面积的9%会被反射镜上的孔径遮挡。与现有的BMET5系统相比，这是一项改进。
作为提升分辨率手段的数值孔径与波长
光刻投影系统的分辨率可以通过著名的公式CD = k1·λ/NA来描述，该公式涉及波长和数值孔径的值。图1所示的光刻分辨率演变历程，对应于图13中描绘的NA增大与波长缩短的历程。
图13：通过增大数值孔径来提高分辨率，直至无法进一步增大为止；此时，必须改用更短的波长。
过去，人们不断提高数值孔径，直至无法进一步提升为止。NA的最大可行值取决于技术能力；随着技术能力的进步，ArF光刻技术所采用的临界点NA值，要高于g-line和i-line光刻技术时期的数值。
在转向更短波长之前，之所以尽可能提高数值孔径，是因为这样可以复用现有的基础设施。换言之，相比缩短波长，优先提高NA的主要考量在于经济效益；这种经济考量在过去几十年间始终未变。
“超高数值孔径”正是这一策略的直接延伸。对于波长λ=13.5nm的EUV光刻而言，进一步提高数值孔径依然可行。第1节已证实了这种可行性。因此，提高NA具有经济优势
