EUV 光源的工作机理
这张图是 EUV 光源系统的标准原理图,我按图上的标注,顺着光和锡的流动路径,把整个机理讲一遍。
一、先看整体结构分三层
图上从上到下分三层空间:
Fab Floor(洁净厂房层)以上:主体是 Vessel(光源腔体)和右边的 Scanner(扫描光刻机主体),这是产生和使用 EUV 光的地方。
Sub-fab Floor(下层设备层):放的是 CO₂ system(CO₂ 激光系统),包括 Power Amplifiers(功率放大器)和 PP&MP Seed unit(种子激光单元)。
两层之间用 Beam Transport(光束传输)连接。
这种"激光在楼下、产光在楼上"的布局,正是 EUV 光源系统的典型结构。下面按工作流程讲。
二、第一步:CO₂ 激光的产生(图下方 CO₂ system)
看图最下面的 CO₂ system:
PP&MP Seed unit:产生种子激光。PP 是 Pre-Pulse(预脉冲),MP 是 Main Pulse(主脉冲)——图上明确标出了这两种脉冲的种子源,对应的是双脉冲技术。
Power Amplifiers(功率放大器):把种子激光一级一级放大到极高功率(几十 kW 级)。图上画了好几个方块串联,就是多级放大。
所以这一层的作用是:产生并放大出高功率的 CO₂ 激光。
三、第二步:光束传输到腔体(Beam Transport)
图左边蓝色粗线标着 Beam Transport,从楼下的 CO₂ 系统一路向上、拐进腔体。
作用是:把楼下产生的高功率 CO₂ 激光,通过反射镜精密引导,传输到楼上的光源腔体(Vessel)里,最终对准腔体中心的焦点。激光要走这么长的路还保持精准对焦,本身就是精密工程。
四、第三步:锡液滴的供给(图上方绿框 Droplet Generator)
看图上方绿框里的 Droplet Generator(液滴发生器):
它把熔融的锡喷成微米级液滴,图上画的是液滴从上往下、经过喷嘴射入腔体中心。
液滴连续、高频地喷向腔体中心的焦点位置(图中心红色星标处)。
作用:连续稳定地供给锡液滴,作为发光材料,精准送到激光焦点。
五、第四步:激光轰击液滴、产生等离子体发光(图中心红色星标)
这是最核心的一步。看图正中心的红色星形——那就是等离子体发光点,也是整个系统的焦点。
在这里发生的过程:
锡液滴落到焦点,先被预脉冲(PP)打成薄饼状;
再被主脉冲(MP,高功率 CO₂ 激光)轰击,把锡电离成高温高电离态等离子体;
高电离态锡离子(Sn⁸⁺~Sn¹⁴⁺)的电子跃迁,在 13.5nm 强烈发光。
图上从左边水平射入焦点的那条线,就是 CO₂ 激光;红星就是激光打中锡滴、产生 EUV 光的位置。图上还标了坐标轴 z(水平)和 x(垂直),表示这个焦点的空间位置。
六、第五步:收集镜聚焦 EUV 光(红框 Collector)
看图中心的红框弧形镜面 Collector(收集镜):
它是一个椭球面的多层膜反射镜,放在等离子体发光点后方(左侧)。
等离子体向四面八方发出的 EUV 光,被这个弧形收集镜反射、聚焦,汇聚成一束向右会聚的光。
图上从红星发出、经收集镜反射后向右会聚的红色线条,就是被收集的 EUV 光路。
作用:把点光源发散的 EUV 光收集起来,聚焦到一个点,送往光刻机。
七、第六步:通过中间焦点送进光刻机(Intermediate Focus Unit)
看图中间偏右的 Intermediate Focus Unit(中间焦点单元,IF),画成一个蝴蝶结/漏斗形状:
收集镜聚焦后的 EUV 光在这里汇聚成一个中间焦点,穿过一个小孔。
这个点是光源腔体和扫描光刻机(Scanner)之间的分界和衔接点——EUV 光从这里离开光源、进入右边的光刻机主体。
八、第七步:进入 Scanner(右边光刻机主体)
看图右边的大框 Scanner:
EUV 光穿过中间焦点后进入扫描光刻机,后续经过照明系统、反射式掩模、投影物镜(都是反射镜),最终曝光晶圆。
图上还标了 metrology for source to scanner alignment(光源到光刻机的对准量测),用来保证光源发出的 EUV 光和光刻机光路精确对准。
FIB+TEM+SEM打样代工:
