Extrem-Ultraviolett-Lithographie

Die extreme Ultraviolett-Lithografie ( EUVL oder kurz EUV ) ist eine Technologie, die in der Halbleiterindustrie zur Herstellung integrierter Schaltungen (ICs) eingesetzt wird. Es handelt sich um eine Art der Fotolithografie , bei der 13,5 nm extremes ultraviolettes Licht (EUV) aus einem lasergepulsten Zinnplasma (Sn) verwendet wird, um komplexe Strukturen auf Halbleitersubstraten zu erzeugen.

Stand 2025 ist ASML Holding das einzige Unternehmen, das EUV-Systeme für die Chipherstellung produziert und verkauft, wobei es auf 5-Nanometer- (nm) und 3-nm -Prozessknoten abzielt, obwohl Reuters im Dezember 2025 berichtete, dass China ein eigenes Prototyp-EUV-System entwickelt habe. ^{[ 1 ]}

Die in der EUV-Laserlithografie (EUVL) verwendeten EUV-Wellenlängen liegen nahe 13,5  Nanometern (nm). Dabei wird ein lasergepulstes Zinn-Tröpfchenplasma verwendet, um ein Muster zu erzeugen. Hierzu wird ein mit Fotolack bedecktes Substrat mithilfe einer reflektierenden ^Fotomaske belichtet . Zinnionen in den ionischen Zuständen von Sn IX bis Sn XIV weisen Photonenemissionsspektralspitzen um 13,5 nm auf, die auf Übergängen zwischen ^{den ionischen Zuständen 4p⁶} 4dⁿ ^und 4p⁵ ^4dⁿ⁺¹ + ^{4dⁿ⁻¹ 4f} beruhen. ^{[ 2 ]}

In den 1960er Jahren wurde sichtbares Licht zur Herstellung integrierter Schaltkreise verwendet, mit Wellenlängen bis hinunter zu 435  nm ( Quecksilber-G-Linie ).

Später wurde ultraviolettes (UV-)Licht verwendet, zunächst mit einer Wellenlänge von 365 nm (Quecksilber-I-Linie), dann mit Excimer- Wellenlängen, zuerst von 248 nm ( Kryptonfluoridlaser ), dann von 193 nm ( Argonfluoridlaser ), das als tiefes UV bezeichnet wurde.

Der nächste Schritt, die noch kleinere Spektralklasse, wurde als extremes UV-Licht (EUV) bezeichnet. EUV-Licht wird von Glas und Luft absorbiert. Anstatt wie bisher Linsen zur Fokussierung der Lichtstrahlen zu verwenden, wären daher Spiegel im Vakuum erforderlich. Auch die zuverlässige Produktion von EUV-Licht erwies sich als problematisch. Daraufhin stellten die führenden Hersteller von Steppern, Canon und Nikon, die Entwicklung ein. Mitte der 1980er-Jahre schlug der Ingenieur Hiroo Kinoshita , damals Mitarbeiter von Nippon Telegraph and Telephone (NTT) in Japan, erstmals das Konzept von EUV vor. Er testete die Idee und präsentierte 1986 auf einer Tagung der Japanischen Gesellschaft für Angewandte Physik (JSAP) erfolgreich die ersten EUV-Bilder. Trotz anfänglicher Skepsis in Japan setzte Kinoshita die EUV-Forschung bei NTT fort und organisierte Anfang der 1990er-Jahre ein gemeinsames US-amerikanisch-japanisches Forschungsprojekt zu EUV. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

1991 veröffentlichten Wissenschaftler der Bell Labs eine Arbeit, in der sie die Möglichkeit der Verwendung einer Wellenlänge von 13,8 nm für die sogenannte Weichröntgenprojektionslithographie demonstrierten. ^{[ 5 ]}

Um die Herausforderungen der EUV-Lithografie zu bewältigen, wurden in den 1990er Jahren Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory , des Lawrence Berkeley National Laboratory und der Sandia National Laboratories mit der Grundlagenforschung zu den technischen Hürden beauftragt. Die Ergebnisse dieser erfolgreichen Bemühungen wurden im Rahmen einer öffentlich-privaten Partnerschaft (Cooperative R&D Agreement, CRADA ) verbreitet. ^{[ 4 ]} Die CRADA bestand aus einem Konsortium privater Unternehmen und den Laboren und firmierte als Extreme Ultraviolet Limited Liability Company (EUV LLC). ^{[ 6 ]} Parallel dazu wurde in Japan die Entwicklung der EUV-Technologie in den 1990er Jahren durch die Programme der ASET (Association of Super-Advanced Electronics Technologies) und der Extreme Ultraviolet Lithography Development Association (EUVA) vorangetrieben. ^{[ 4 ]}

Intel , Canon und Nikon (damals führend auf diesem Gebiet) sowie das niederländische Unternehmen ASML und die Silicon Valley Group (SVG) strebten alle Lizenzen an. ^{[ 7 ]} Im Jahr 2001 wurde SVG von ASML übernommen, wodurch ASML zum Hauptnutznießer dieser Schlüsseltechnologie wurde. ^{[ 8 ]}

Nach jahrzehntelanger Entwicklungsforschung gelang es ASML 2018, das geistige Eigentum der EUV-LLC-Technologie zu nutzen. Dabei wurden das EU-finanzierte Projekt EUCLIDES (Extreme UV Concept Lithography Development System) sowie der langjährige Partner, der deutsche Optikhersteller Zeiss und der Synchrotronlichtquellenlieferant Oxford Instruments , einbezogen. Die MIT Technology Review bezeichnete die Technologie daraufhin als „die Maschine, die das Mooresche Gesetz rettete“. ^{[ 9 ]} Der erste Prototyp aus dem Jahr 2006 produzierte einen Wafer in 23 Stunden. Stand 2022 fertigt ein Scanner bis zu 200 Wafer pro Stunde. Der Scanner verwendet Optiken von Zeiss, die das Unternehmen als „die präzisesten Spiegel der Welt“ bezeichnet. Diese werden hergestellt, indem Unregelmäßigkeiten lokalisiert und anschließend einzelne Moleküle mithilfe von Verfahren wie der Ionenstrahlbearbeitung abgetragen werden . ^{[ 10 ]}

Dies machte das einst kleine Unternehmen ASML zum Weltmarktführer in der Scannerproduktion und zum Monopolisten dieser Spitzentechnologie. Der Rekordumsatz von 27,4 Milliarden Euro im Jahr 2021 übertraf die Konkurrenten Canon und Nikon, denen der Zugang zu den Schutzrechten verwehrt wurde, deutlich. Da es sich um eine Schlüsseltechnologie für die Entwicklung in vielen Bereichen handelt, übte der US-amerikanische Lizenzgeber Druck auf die niederländischen Behörden aus, diese Geräte nicht nach China zu verkaufen . ASML hat die niederländischen Exportkontrollrichtlinien befolgt und darf die Geräte bis auf Weiteres nicht nach China liefern. ^{[ 11 ]} Gleichzeitig investierte China massiv in sein eigenes EUV-Projekt, und führende chinesische Unternehmen wie Huawei und SMEE meldeten Patente für ihre alternativen EUV-Technologien an. ^{[ 12 ]} Im Dezember 2025 berichtete Reuters , dass China in Shenzhen heimlich einen Prototyp einer EUV-Maschine fertiggestellt habe , die voraussichtlich zwischen 2028 und 2030 funktionsfähige Chips produzieren würde. ^{[ 1 ]}

Neben der Mehrfachstrukturierung hat die EUV-Technologie den Weg für höhere Transistordichten geebnet und damit die Herstellung leistungsstärkerer Prozessoren ermöglicht. Kleinere Transistoren benötigen zudem weniger Energie, was zu energieeffizienterer Elektronik führt.

Anforderungen an EUV-Stepper, unter Berücksichtigung der Anzahl der Schichten im Design, die EUV erfordern, der Anzahl der Maschinen und des gewünschten Durchsatzes der Fabrik, bei einem Betrieb von 24 Stunden pro Tag. ^{[ 13 ]}

EUV -Photomasken funktionieren durch Lichtreflexion ^{[ 14 ]} , die durch mehrere abwechselnde Schichten aus Molybdän und Silizium erreicht wird . Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Photomasken, die Licht durch eine einzelne Chromschicht auf einem Quarzsubstrat blockieren. Eine EUV-Maske besteht aus 40–50 ^{[ 15 ]} abwechselnden Silizium- und Molybdänschichten ^{[ 16 ]} . Diese Multilayer-Struktur reflektiert das extreme ultraviolette Licht durch Bragg-Beugung . Das Reflexionsvermögen ist stark abhängig vom Einfallswinkel und der Wellenlänge: Längere Wellenlängen werden bei senkrechtem Einfall stärker reflektiert, kürzere Wellenlängen bei schrägem Einfall stärker. Die Multilayer-Struktur kann durch eine dünne Rutheniumschicht, die sogenannte Deckschicht, geschützt werden [ 15 ^{] [ 17 ] [ 18 ] . Das} Muster wird in einer Tantal -basierten Absorptionsschicht über der Deckschicht definiert ^{[ 19 ] .}

Blanko-Fotomasken werden hauptsächlich von zwei Unternehmen hergestellt: AGC Inc. und Hoya Corporation . ^{[ 20 ]} Zur Abscheidung der Multilayer wird häufig Ionenstrahl-Beschichtungsanlage, vorwiegend von Veeco, verwendet. ^{[ 15 ]} Eine Blanko-Fotomaske wird mit Fotolack bedeckt , der anschließend im Ofen ausgehärtet wird. Danach wird das Muster mittels maskenloser Lithographie mit einem Elektronenstrahl auf dem Fotolack definiert. Dieser Schritt wird als Belichtung bezeichnet. ^{[ 21 ]} Der belichtete Fotolack wird entwickelt (entfernt), und die ungeschützten Bereiche werden geätzt. Der verbleibende Fotolack wird anschließend entfernt. Die Masken werden dann geprüft und gegebenenfalls mit einem Elektronenstrahl repariert . ^{[ 22 ]} Das Ätzen darf nur in der Absorptionsschicht erfolgen ^{[ 15 ]} . Daher ist es notwendig, zwischen Deck- und Absorptionsschicht zu unterscheiden. Dies wird als Ätzselektivität bezeichnet ^{[ 23 ]} und unterscheidet sich vom Ätzen herkömmlicher Fotomasken, bei denen nur eine Schicht für die Funktion entscheidend ist. ^{[ 24 ]}

Ein EUV-Gerät (EUV-Photolithographieanlage) verfügt über eine lasergetriebene Zinnplasma-Lichtquelle, reflektierende Optiken mit Mehrschichtspiegeln und eine Wasserstoffatmosphäre. [ 25 ] Der Wasserstoff dient dazu, den EUV-Kollektorspiegel, der als erster Spiegel die vom Zinnplasma emittierte EUV - ^{Strahlung über einen} großen Winkelbereich (~2π  sr ) auffängt, vor Zinnablagerungen zu schützen. ^{[ 26 ]} Konkret bremst das Wasserstoff-Puffergas in der EUV-Quellenkammer Zinnionen und Zinnpartikel, die auf den EUV-Kollektor zusteuern, ab oder drängt sie gegebenenfalls zurück (Kollektorschutz) und ermöglicht eine chemische Reaktion, die Zinnablagerungen auf dem Kollektor in Form von Zinn oder Stannangas entfernt (Wiederherstellung der Kollektorreflexion). ${\displaystyle {\ce {Sn(s) + 4H(g) -> SnH4(g)}}}$${\displaystyle {\ce {SnH4}}}$

EUV-Lithographie stellt eine deutliche Abweichung vom Standard der Tief-Ultraviolett-Lithographie dar. EUV -Strahlung wird von allen Materialien absorbiert. Daher ist für die EUV-Lithographie Vakuum erforderlich. Alle optischen Elemente, einschließlich der Fotomaske , müssen aus fehlerfreien Molybdän / Silizium (Mo/Si)-Multischichten bestehen (bestehend aus 50 Mo/Si-Doppelschichten mit einer theoretischen Reflexionsgrenze von ca. 75 % bei 13,5 nm ^{[ 27 ]} ). Diese reflektieren das Licht durch Interferenz der Wellen zwischen den Schichten. Jede dieser Spiegel absorbiert etwa 30 % des einfallenden Lichts, weshalb die Temperaturkontrolle der Spiegel von entscheidender Bedeutung ist.

EUVL-Systeme (Stand 2002–2009) enthielten mindestens zwei Kondensor- Mehrschichtspiegel, sechs Projektions-Mehrschichtspiegel und ein Mehrschichtobjekt (Maske). Da die Spiegel 96 % des EUV-Lichts absorbieren, muss die ideale EUV-Quelle deutlich heller sein als ihre Vorgänger. Die Entwicklung von EUV-Quellen konzentrierte sich auf Plasmen, die durch Laser- oder Entladungsimpulse erzeugt werden. Der für die Lichterfassung zuständige Spiegel ist dem Plasma direkt ausgesetzt und anfällig für Beschädigungen durch hochenergetische Ionen ^{[ 28 ] [ 29 ]} und andere Partikel ^{[ 30 ]} wie beispielsweise Zinntröpfchen. Dies erfordert den jährlichen Austausch des kostspieligen Kollektorspiegels. ^{[ 31 ]}

Der Energiebedarf ist bei EUV-Scannern deutlich höher als bei 193-nm-Immersionsscannern , selbst bei zwei Belichtungen. Auf dem EUV-Symposium 2009 berichtete Hynix , dass der Wirkungsgrad von EUV bei ca. 0,02 % liegt. Das heißt, um bei 100 Wafern pro Stunde und einer Leistung von 200 Watt im mittleren Fokus 1 Megawatt Eingangsleistung zu erreichen, wären 1  Megawatt erforderlich . Zum Vergleich: Ein ArF-Immersionsscanner benötigt 165 Kilowatt. Selbst bei gleichem Durchsatz ist der Platzbedarf des EUV-Scanners etwa dreimal so groß wie der eines ArF-Immersionsscanners, was zu Produktivitätseinbußen führt. ^{[ 32 ]} Zusätzlich kann zur Einkapselung von Ionenpartikeln ein supraleitender Magnet erforderlich sein. ^{[ 33 ]}

Ein typisches EUV-Gerät wiegt fast 200 Tonnen ^{[ 34 ]} und kostet rund 180 Millionen US-Dollar. ^{[ 35 ]}

EUV-Geräte verbrauchen mindestens 10-mal mehr Energie als Immersionsgeräte. ^{[ 36 ]}

Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Unterschiede zwischen EUV-Systemen in der Entwicklung und ArF-Immersionsverfahren zusammen , die heute weit verbreitet in der Produktion eingesetzt werden:

Die unterschiedlichen Auflösungsgrade der 0,33-NA-Systeme sind auf die verschiedenen Beleuchtungsoptionen zurückzuführen. Obwohl die Optik das Potenzial besitzt, eine Auflösung von unter 20 nm zu erreichen, begrenzen Sekundärelektronen im Fotolack die Auflösung praktisch auf etwa 20 nm (mehr dazu weiter unten). ^{[ 48 ]}

Neutrale Atome oder kondensierte Materie können keine EUV-Strahlung emittieren. Die Ionisierung muss der EUV-Emission in Materie vorausgehen. Die thermische Erzeugung mehrfach geladener positiver Ionen ist nur in einem heißen, dichten Plasma möglich , das selbst EUV stark absorbiert. ^{[ 49 ]} Die etablierte EUV-Lichtquelle ist seit 2025 ein lasergepulstes Zinnplasma. ^{[ 50 ]} Die Ionen absorbieren das von ihnen emittierte EUV-Licht und werden leicht durch Elektronen im Plasma zu niedrigeren Ladungszuständen neutralisiert. Dabei wird Licht hauptsächlich bei anderen, unbrauchbaren Wellenlängen emittiert, was die Effizienz der Lichterzeugung für die Lithographie bei höheren Plasma-Leistungsdichten stark reduziert.

Der Durchsatz hängt von der Quellleistung, dividiert durch die Dosis, ab. ^{[ 51 ]} Eine höhere Dosis erfordert eine langsamere Tischbewegung (geringerer Durchsatz), wenn die Impulsleistung nicht erhöht werden kann.

Die Reflektivität des EUV-Kollektors verschlechtert sich um ca. 0,1–0,3 % pro Milliarde 50  -kHz -Pulse (ca. 10 % in ca. 2 Wochen), was zu Ausfallzeiten und Durchsatzverlusten führt. Selbst bei den ersten Milliarden Pulsen (innerhalb eines Tages) treten noch Schwankungen von 20 % (±10 %) auf. ^{[ 52 ]} Dies könnte auf die oben erwähnten, sich ansammelnden Zinnrückstände zurückzuführen sein, die nicht vollständig entfernt werden. ^{[ 53 ] [ 54 ]} Im Gegensatz dazu liefern konventionelle Immersionslithographie-Anlagen für Doppelstrukturierung bis zu einem Jahr lang eine konstante Leistung. ^{[ 55 ]}

Der NXE:3400B-Illuminator zeichnet sich seit Kurzem durch ein geringeres Pupillenfüllverhältnis (PFR) von bis zu 20 % ohne Transmissionsverlust aus. ^{[ 56 ]} Das PFR ist bei einem Metallabstand von 45 nm maximal und liegt über 0,2. ^{[ 57 ]}

Da EUV-Spiegel auch EUV-Licht absorbieren, gelangt nur ein geringer Teil des Quelllichts auf den Wafer. Für die Beleuchtungsoptik werden vier Spiegel, für die Projektionsoptik sechs Spiegel verwendet. Die EUV-Maske bzw. das Retikel stellt selbst einen zusätzlichen Spiegel dar. Durch elf Reflexionen stehen nur etwa 2 % des EUV-Quelllichts auf dem Wafer zur Verfügung. ^{[ 58 ]}

Der Durchsatz wird durch die Dosis des EUV-Resists bestimmt, welche wiederum von der erforderlichen Auflösung abhängt. ^{[ 59 ]} Für einen ausreichenden Durchsatz wird eine Dosis von 40 mJ/cm² ^erwartet . ^{[ 60 ]}

Die EUV-Lichtquelle begrenzt neben dem Durchsatz auch die Anlagenverfügbarkeit. Innerhalb von zwei Wochen können beispielsweise über sieben Stunden Ausfallzeit eingeplant werden, während die tatsächliche Gesamtausfallzeit einschließlich ungeplanter Probleme leicht einen Tag überschreiten kann. ^{[ 58 ]} Ein Dosisfehler von über 2 % erfordert eine Anlagenstilllegung. ^{[ 58 ]}

Der Durchsatz bei der Waferbelichtung stieg im Zeitraum 2019–2022 stetig auf rund 1000 Wafer pro Tag (pro System) ^{[ 61 ] [ 62 ]} , was auf erhebliche Leerlaufzeiten hindeutet, während gleichzeitig mehr als 120 Wafer pro Tag auf einer Reihe von mehrfach gemusterten EUV-Schichten für einen EUV-Wafer im Durchschnitt verarbeitet wurden.

Der EUV- Bereich (10–121 nm) ist länger als der Röntgenbereich (0,1–10 nm) und kürzer als die Lyman-alpha-Linie des Wasserstoffs (121 nm).

Während moderne 193-nm- ArF -Excimerlaser Intensitäten von 200 W/cm² erreichen ^{[ 63 ] ,} müssen Laser zur Erzeugung von EUV-Plasmen deutlich intensivere Leistungen in der Größenordnung von 10¹¹ ^W  /cm² ^{aufweisen [ 64 ]} . Eine moderne 120-W-Lichtquelle für die ArF-Immersionslithografie benötigt maximal 40 kW elektrische Leistung ^{[ 65 ]} , während EUV-Quellen Leistungen von über 40 kW anstreben ^{[ 66 ] .}

Die angestrebte optische Leistung für die EUV-Lithografie beträgt mindestens 250 W, während sie für andere konventionelle Lithografiequellen deutlich geringer ist. ^{[ 58 ]} Beispielsweise benötigen Lichtquellen für die Immersionslithografie 90 W, trockene ArF-Quellen 45 W und KrF-Quellen 40 W. EUV-Quellen mit hoher numerischer Apertur (NA) benötigen voraussichtlich mindestens 500 W. ^{[ 58 ]}

Ein grundlegender Aspekt von EUVL-Anlagen, der sich aus der Verwendung reflektierender Optiken ergibt, ist die außermittige Beleuchtung (unter einem Winkel von 6°, in unterschiedlicher Richtung an verschiedenen Positionen innerhalb des Beleuchtungsspalts) ^{[ 67 ]} einer Mehrschichtmaske (Retikel). Dies führt zu Abschattungseffekten, die eine Asymmetrie im Beugungsmuster zur Folge haben und die Mustergenauigkeit auf verschiedene Weise beeinträchtigen, wie nachfolgend beschrieben. ^{[ 68 ] [ 69 ]} Beispielsweise erscheint eine Seite (hinter dem Schatten) heller als die andere (innerhalb des Schattens). ^{[ 70 ]}

Das Verhalten von Lichtstrahlen innerhalb der Reflexionsebene (die horizontale Linien beeinflussen) unterscheidet sich vom Verhalten von Lichtstrahlen außerhalb der Reflexionsebene (die vertikale Linien beeinflussen). ^{[ 71 ]} Am deutlichsten wird dies daran, dass gleich große horizontale und vertikale Linien der EUV-Maske auf dem Wafer in unterschiedlichen Größen abgebildet werden.

Die Kombination aus der Off-Axis-Asymmetrie und dem Maskenschatteneffekt führt dazu, dass zwei identische Strukturen, selbst bei unmittelbarer Nähe, nicht gleichzeitig scharf abgebildet werden können. ^{[ 72 ]} Eines der Hauptprobleme der EUVL-Technologie ist die Asymmetrie zwischen der oberen und unteren Linie zweier horizontaler Linien (die sogenannte „Zwei-Balken-Asymmetrie“). Zur teilweisen Kompensation können Hilfsstrukturen und asymmetrische Beleuchtung eingesetzt werden. ^{[ 73 ]}

Eine Erweiterung des Zwei-Balken-Falls auf ein Gitter aus vielen horizontalen Linien zeigt eine ähnliche Empfindlichkeit gegenüber Defokussierung. ^{[ 74 ]} Dies äußert sich in der Differenz der kritischen Dimension (CD) zwischen den oberen und unteren Randlinien der 11 horizontalen Linien.

Die Polarisation durch Reflexion führt auch zu einer partiellen Polarisation von EUV-Licht, was die Abbildung von Linien begünstigt, die senkrecht zur Ebene der Reflexionen verlaufen. ^{[ 75 ] [ 76 ]}

Der Absorptionsfilter der EUV-Maske erzeugt aufgrund der partiellen Transmission eine Phasendifferenz zwischen der nullten und ersten Beugungsordnung eines Linien-Abstands-Musters. Dies führt zu Bildverschiebungen (bei einem gegebenen Beleuchtungswinkel) sowie zu Änderungen der Spitzenintensität (und damit der Linienbreite), die durch Defokussierung noch verstärkt werden. ^{[ 77 ] [ 78 ]} Letztendlich resultiert dies in unterschiedlichen Positionen des optimalen Fokus für verschiedene Rasterabstände und Beleuchtungswinkel. Im Allgemeinen wird die Bildverschiebung durch die paarweise Anordnung der Beleuchtungsquellen (jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der optischen Achse) ausgeglichen. Sind die Bildverschiebungen der einzelnen Quellen jedoch groß genug, überlagern sich die Einzelbilder, und der resultierende Bildkontrast verschlechtert sich. Die Phasendifferenz bestimmt letztendlich auch die Position des optimalen Fokus.

Die Multischichtstruktur ist auch für Bildverschiebungen aufgrund von Phasenverschiebungen durch gebeugtes Licht innerhalb der Multischicht selbst verantwortlich. ^{[ 79 ]} Dies ist unvermeidlich, da das Licht das Maskenmuster zweimal durchläuft. ^{[ 80 ]}

Die Verwendung von Reflexion führt dazu, dass die Belichtungsposition des Wafers extrem empfindlich auf die Ebenheit der Retikel und die Retikelhalterung reagiert. Daher muss die Sauberkeit der Retikelhalterung unbedingt gewährleistet sein. Kleine Abweichungen ( im Milliradian -Bereich) der Maskenebenheit in der lokalen Neigung, gekoppelt mit Wafer-Defokussierung, können zu erheblichen Überlagerungsfehlern führen. ^{[ 81 ]} Noch wichtiger ist, dass Masken-Defokussierung große Überlagerungsfehler verursacht. ^{[ 82 ] [ 83 ]} Insbesondere bei einer 10-nm-Metallschicht (mit 48 nm, 64 nm und 70 nm Strukturabstand, isolierten Strukturen und Versorgungsleitungen) betrug der nicht korrigierbare Fehler bei der Musterplatzierung 1 nm bei einer Verschiebung der Maskenposition in z-Richtung um 40 nm. ^{[ 84 ]} Dies ist eine globale Musterverschiebung der Schicht relativ zu zuvor definierten Schichten. Strukturen an verschiedenen Positionen verschieben sich jedoch aufgrund unterschiedlicher lokaler Abweichungen von der Maskenebenheit, z. B. durch Defekte unter der Multilayer-Struktur, unterschiedlich. Man kann abschätzen, dass der Beitrag der Maskenunebenheit zum Überlagerungsfehler etwa 1/40 der Dickenabweichung (Spitze-Tal) beträgt. ^{[ 85 ]} Bei einer Rohlingsdickenabweichung von 50 nm ist ein Bildplatzierungsfehler von ca. 1,25 nm möglich. Dickenabweichungen des Rohlings von bis zu 80 nm tragen ebenfalls dazu bei und führen zu einer Bildverschiebung von bis zu 2 nm. ^{[ 85 ]}

Die nicht-axiale Beleuchtung der Retikel ist auch die Ursache für die Nicht-Telezentrizität bei der Wafer-Defokussierung, die den größten Teil des 1,4 nm Overlay-Budgets des NXE:3400 EUV-Scanners ^{[ 86 ]} selbst bei so lockeren Designregeln wie 100 nm Pitch verbraucht. ^{[ 87 ]} Der größte nicht korrigierbare Musterplatzierungsfehler für eine 24 nm Linie betrug etwa 1,1 nm relativ zu einer benachbarten 72 nm Stromlinie pro 80 nm Wafer-Fokuspositionsverschiebung an einer einzelnen Spaltposition; Unter Berücksichtigung der Leistung über den Spalt hinweg beträgt der größte Fehler über 1,5 nm im Defokusfenster des Wafers ^{[ 84 ].} Im Jahr 2017 zeigte ein aktinisches Mikroskop, das ein EUV-Lithographiesystem mit einer numerischen Apertur von 0,33 und einer Quasar-45-Beleuchtung von 0,2/0,9 nachbildete, dass sich ein Kontaktarray mit 80 nm Rastermaß um −0,6 bis 1,0 nm und ein Kontaktarray mit 56 nm Rastermaß um −1,7 bis 1,0 nm relativ zu einer horizontalen Referenzlinie innerhalb eines Defokusfensters von ±50 nm verschob ^{[ 88 ] .}

Die Wafer-Defokussierung führt aufgrund von Abweichungen von der lokalen Maskenebenheit auch zu Fehlern bei der Bildplatzierung. Wird die lokale Neigung mit einem Winkel α angegeben, so wird das projizierte Bild in einem 4×-Projektionssystem um 8α × (DOF/2) = 4α DOF verschoben , wobei DOF die Schärfentiefe ist. ^{[ 89 ]} Bei einer Schärfentiefe von 100 nm kann eine kleine lokale Abweichung von der Ebenheit von 2,5 mrad (0,14°) zu einer Musterverschiebung von 1 nm führen.

Simulationen und Experimente haben gezeigt, dass Pupillenungleichgewichte in der EUV-Lithografie zu teilungsabhängigen Platzierungsfehlern führen können. ^{[ 90 ] [ 91 ]} Da sich das Pupillenungleichgewicht mit der Alterung oder Verschmutzung des EUV-Kollektorspiegels ändert, sind solche Platzierungsfehler möglicherweise nicht über die Zeit stabil. Dies stellt insbesondere für Logikbausteine ​​eine Herausforderung dar, bei denen mehrere Teilungen gleichzeitig kritische Anforderungen stellen. ^{[ 92 ]} Idealerweise wird das Problem durch Mehrfachbelichtungen mit angepasster Beleuchtung gelöst. ^{[ 93 ]}

Die Beleuchtungsrichtung hängt stark von der Spaltposition ab und ist im Wesentlichen azimutal gedreht. ^{[ 97 ] [ 98 ] [ 45 ] [ 99 ] [ 100 ] [ 101 ]} Nanya Technology und Synopsys stellten fest, dass sich die horizontale bzw. vertikale Vorspannung bei Dipolbeleuchtung über den Spalt ändert. ^{[ 102 ]} Die Rotation der Einfallsebene (azimutaler Bereich von −25° bis 25°) wurde im SHARP-Aktinik-Übersichtsmikroskop am CXRO bestätigt, das die Optik von EUV-Projektionslithografiesystemen simuliert. ^{[ 103 ]} Der Grund dafür ist, dass ein Spiegel verwendet wird, um gerade rechteckige Felder in bogenförmige Felder umzuwandeln. ^{[ 104 ] [ 105 ]} Um eine feste Einfallsebene zu gewährleisten, erfolgt die Reflexion am vorherigen Spiegel bei unterschiedlicher Spaltposition unter einem anderen Winkel zur Oberfläche; dies führt zu einer ungleichmäßigen Reflektivität. Um die Gleichmäßigkeit zu gewährleisten, wird Rotationssymmetrie mit einer rotierenden Einfallsebene genutzt. ^{[ 106 ]} Allgemeiner reduzieren sogenannte Ringfeldsysteme Aberrationen, indem sie die Rotationssymmetrie eines bogenförmigen Feldes nutzen, das von einem außermittigen Ring abgeleitet wird. ^{[ 107 ]} Dies ist vorteilhaft, da reflektierende Systeme außermittige Strahlengänge benötigen, welche Aberrationen verstärken. Daher würden identische Chipmuster in verschiedenen Hälften des bogenförmigen Spalts unterschiedliche optische Phasenkorrekturen (OPC) erfordern . Dies macht sie durch direkten Chipvergleich unbrauchbar, da sie nicht mehr als identische Chips gelten. Bei Rasterweiten, die Dipol-, Quadrupol- oder Hexapolbeleuchtung erfordern, führt die Rotation auch zu Fehlanpassungen bei gleichem Musterlayout an einer anderen Spaltposition, z. B. Rand vs. Mitte. Selbst bei ringförmiger oder kreisförmiger Beleuchtung wird die Rotationssymmetrie durch die oben beschriebene winkelabhängige Mehrschichtreflexion zerstört. Obwohl der Azimutwinkelbereich bei Scannern mit einer numerischen Apertur von 0,33 etwa ±20° beträgt ^{[ 108 ]} (Feldmessungen ergaben Werte über 18° ^{[ 109 ] ), kann die Toleranz für die Beleuchtung bei Designregeln von 7 nm (36–40 nm Rasterteilung) ±15° [ 110 ] [ 111 ]} oder sogar weniger ^{[ 112 ] [ 113 ] [ 114 ]} betragen. Auch die ungleichmäßige und asymmetrieartige Ausleuchtung des Rings beeinflusst die Bildgebung erheblich. ^{[ 115 ]}Neuere Systeme weisen Azimutwinkelbereiche von bis zu ±30° auf. ^{[ 116 ]} Bei Systemen mit einer numerischen Apertur von 0,33 kommt es bereits bei einer Rasterteilung von 30 nm und darunter zu einer so deutlichen Reduzierung der Pupillenfüllung, dass der Durchsatz erheblich beeinträchtigt wird. ^{[ 117 ]}

Der größere Einfallswinkel bei der spaltabhängigen Dipolbeleuchtung beeinflusst die horizontale Linienabschattung weniger stark, die vertikale Linienabschattung nimmt jedoch vom Zentrum zum Rand hin zu. ^{[ 118 ]} Darüber hinaus bieten Systeme mit höherer numerischer Apertur (NA) möglicherweise nur eine begrenzte Entlastung von der Abschattung, da sie auf enge Spaltbreiten abzielen. ^{[ 118 ]}

Die Abhängigkeit von der Schlitzposition ist besonders bei den in DRAMs vorkommenden geneigten Strukturen problematisch. ^{[ 100 ]} Neben den komplexeren Effekten durch Abschattung und Pupillenrotation nehmen geneigte Kanten eine Treppenform an, die durch OPC verzerrt werden kann. Tatsächlich verlängert sich die Zellfläche von 32-nm-DRAMs mittels EUV auf mindestens 9 F² , wobei F die halbe Pitch der aktiven Fläche ist (traditionell 6 F² ⁾ . ^{[ 102 ] Mit einem zweidimensionalen ,} selbstjustierenden Doppelstrukturierungsschnitt der aktiven Fläche ist die Zellfläche mit 8,9 F² immer ^noch geringer ^{. [ 119} ]

Aberrationen , die durch Abweichungen optischer Oberflächen von subatomaren (<0,1 nm) Spezifikationen ^{[ 120 ]} sowie durch thermische Verformungen ^{[ 121 , 122 ]} und möglicherweise auch durch polarisierte Reflexionseffekte ^{[ 123 ]} entstehen, hängen auch von der Spaltposition ab ^{[ 124 , 122 ] , wie im Folgenden} im Hinblick auf die Quell-Masken-Optimierung (SMO) näher erläutert wird. Es ist zu erwarten, dass die thermisch induzierten Aberrationen an verschiedenen Positionen entlang des Spalts, die unterschiedlichen Feldpositionen entsprechen, Unterschiede aufweisen, da jede Position auf unterschiedliche Bereiche der verformten Spiegel trifft ^{[ 125 ]} . Ironischerweise erschwert die Verwendung von Substratmaterialien mit hoher thermischer und mechanischer Stabilität die Kompensation von Wellenfrontfehlern ^{[ 126 ] .}

In Kombination mit dem Wellenlängenbereich verschärft die gedrehte Einfallsebene den ohnehin schon starken stochastischen Einfluss auf die EUV-Bildgebung. ^{[ 127 ]}

Im Gegensatz zu Lithographiequellen im tiefen Ultraviolettbereich (DUV), die auf Excimerlasern basieren, erzeugen EUV-Plasmaquellen Licht über einen breiten Wellenlängenbereich ^{[ 128 ]} mit einer Bandbreite von etwa 2 % FWHM um 13,5 nm (13,36–13,65 nm bei 50 % Leistung). Der EUV-Bereich (10–121 nm) ist länger als der Röntgenbereich (0,1–10 nm) und kürzer als die Lyman-α-Linie des Wasserstoffs .

Obwohl das EUV-Spektrum weder vollständig monochromatisch noch so spektral rein wie das von DUV-Laserquellen ist, wird die Arbeitswellenlänge üblicherweise mit 13,5 nm angenommen. Tatsächlich verteilt sich die reflektierte Leistung hauptsächlich im Bereich von 13,3–13,7 nm. ^{[ 129 ]} Die Bandbreite des von einem für die EUV-Lithografie verwendeten Multilayer-Spiegel reflektierten EUV-Lichts beträgt über ±2 % (>270 pm). ^{[ 130 ]} Die Phasenänderungen aufgrund von Wellenlängenänderungen bei einem gegebenen Beleuchtungswinkel können berechnet ^{[ 131 ]} und mit der Aberrationsbilanz verglichen werden. ^{[ 132 ]} Die Wellenlängenabhängigkeit des Reflexionsvermögens ^{[ 131 ] [ 129 ]} beeinflusst auch die Apodisierung bzw. die Beleuchtungsverteilung über die Pupille (für verschiedene Winkel); unterschiedliche Wellenlängen „sehen“ effektiv unterschiedliche Beleuchtungen, da sie von den Multilayern der Maske unterschiedlich reflektiert werden. ^{[ 133 ] [ 129 ]} Diese effektive Neigung der Quellenbeleuchtung kann aufgrund von Defokussierung zu großen Bildverschiebungen führen. ^{[ 134 ]} Umgekehrt variiert die Wellenlänge des Reflexionsmaximums über die Pupille aufgrund unterschiedlicher Einfallswinkel. ^{[ 129 ] [ 135 ]} Dieser Effekt verstärkt sich, wenn die Einfallswinkel einen großen Radius umfassen, z. B. bei ringförmiger Beleuchtung. Die Wellenlänge des Reflexionsmaximums nimmt mit abnehmendem Einfallswinkel zu. ^{[ 136 ]} Aperiodische Multischichten wurden vorgeschlagen, um die Empfindlichkeit zu reduzieren, allerdings auf Kosten einer geringeren Reflektivität. Sie reagieren jedoch zu empfindlich auf zufällige Schwankungen der Schichtdicke, beispielsweise aufgrund von Ungenauigkeiten bei der Dickenkontrolle oder Interdiffusion. ^{[ 137 ]}

Eine geringere Bandbreite würde die Empfindlichkeit gegenüber der Dicke des Maskenabsorbers und des Puffers im 1-nm-Bereich erhöhen. ^{[ 138 ]}

Streulicht entsteht durch die Streuung an Oberflächenstrukturen, die vom Licht nicht aufgelöst werden. In EUV-Systemen kann dieses Licht EUV-Licht oder auch Streulicht (Out-of-Band, OoB) sein, das ebenfalls von der EUV-Quelle erzeugt wird. Das OoB-Licht beeinflusst die Belichtung des Fotolacks zusätzlich zu den durch die EUV-Belichtung bedingten Effekten. Die OoB-Lichtexposition lässt sich durch eine Beschichtung über dem Fotolack sowie durch „schwarze Ränder“ auf der EUV-Maske reduzieren. Allerdings absorbiert die Beschichtung zwangsläufig EUV-Licht, und die schwarzen Ränder erhöhen die Kosten der EUV-Maskenbearbeitung.

Eine zentrale Herausforderung für die EUV-Lithografie ist das gegenläufige Skalierungsverhalten des Linienspitzenabstands (T2T) bei Verkleinerung der halben Teilung (hp). ^{[ 112 ]} Dies ist teilweise auf den geringeren Bildkontrast der in der EUV-Lithografie verwendeten Binärmasken zurückzuführen, der bei der Verwendung von Phasenmasken in der Immersionslithografie nicht auftritt. ^{[ 139 ] [ 140 ]} Die Abrundung der Linienenden führt zu deren Verkürzung, ^{[ 141 ]} was bei Binärmasken stärker ausgeprägt ist. ^{[ 142 ]} Der Einsatz von Phasenmasken in der EUV-Lithografie wurde zwar untersucht, stößt jedoch auf Schwierigkeiten bei der Phasenkontrolle in dünnen Schichten ^{[ 143 ]} sowie auf die Bandbreite des EUV-Lichts selbst. ^{[ 144 ]} Üblicherweise wird die optische Proximity-Korrektur (OPC) eingesetzt, um die Eckenabrundung und die Linienendverkürzung zu kompensieren. Trotzdem hat sich gezeigt, dass die Auflösung zwischen den Spitzen und die Bedruckbarkeit der Linienspitzen gegenläufig sind und somit effektiv CDs mit entgegengesetzter Polarität darstellen. ^{[ 145 ]}

Bei unidirektionalen Metallschichten stellt der Spitzenabstand eines der größten Probleme bei der Strukturierung mit Einzelbelichtung dar. Bei vertikalen Linien mit 40 nm Teilung führte ein nomineller Spitzenabstand von 18 nm mit OPC zu einem tatsächlichen Spitzenabstand von 29 nm ^{[ 112 ].} Bei horizontalen Linien mit 32 nm Teilung stieg der Spitzenabstand bei einem nominellen Abstand von 14 nm mit OPC auf 31 nm ^{[ 146 ]} . Diese tatsächlichen Spitzenabstände definieren eine untere Grenze für die halbe Teilung der Metallisierung senkrecht zur Spitze. In diesem Fall liegt die untere Grenze bei etwa 30 nm. Durch weitere Optimierung der Beleuchtung (siehe Abschnitt zur Source-Mask-Optimierung) lässt sich die untere Grenze auf etwa 25 nm reduzieren ^{[ 147 ] .}

Bei größeren Rasterabständen, bei denen konventionelle Beleuchtung eingesetzt werden kann, ist der Abstand zwischen den Leiterbahnspitzen im Allgemeinen größer. Bei den 24-nm-Halbrasterabständen mit einem nominellen Spalt von 20 nm betrug der Abstand tatsächlich 45 nm, während bei 32-nm-Halbrasterabständen derselbe nominelle Spalt einen Abstand von 34 nm ergab. ^{[ 146 ]} Mit OPC betragen diese Werte 39 nm bzw. 28 nm für 24-nm- bzw. 32-nm-Halbrasterabstände. ^{[ 148 ]}

Hilfsstrukturen werden häufig eingesetzt, um die durch Nicht-Telezentrizität bedingte Asymmetrie bei unterschiedlichen Spaltpositionen aufgrund verschiedener Beleuchtungswinkel auszugleichen. Dies beginnt bei der 7-nm-Knotengröße ^{[ 149 ] [ 150 ]} , wo die Teilung bei einer Wellenlänge von ca. 13,5 nm und einer numerischen Apertur (NA) von 0,33 etwa 41 nm beträgt, was einem k1-Wert von ca. 0,5 entspricht. ^{[ 151 ]} Die Asymmetrie wird dadurch zwar reduziert, aber nicht vollständig beseitigt, da die Hilfsstrukturen hauptsächlich die höchsten Ortsfrequenzen verstärken, während mittlere Ortsfrequenzen, die ebenfalls Fokus und Position der Strukturen beeinflussen, kaum beeinflusst werden. Die Kopplung zwischen dem Primärbild und den Selbstbildern ist zu stark, als dass die Asymmetrie durch Hilfsstrukturen beseitigt werden könnte; dies ist nur durch asymmetrische Beleuchtung möglich. ^{[ 73 ]} Hilfsstrukturen können zudem den Zugang zu den Strom- und Masseleitungen behindern. Da Stromleitungen voraussichtlich breiter sind, schränkt dies die Effektivität der Hilfsstrukturen ein, indem die lokale Teilung begrenzt wird. Lokale Teilungen zwischen dem 1- und 2-Fachen der minimalen Teilung verhindern die Platzierung von Hilfsstrukturen, da schlichtweg kein Platz vorhanden ist, um die lokale Teilungssymmetrie zu erhalten. Tatsächlich kann die optimale Platzierung der Hilfsstrukturen im Fall der Zwei-Balken-Asymmetrie kleiner oder größer als die Zwei-Balken-Teilung sein. ^{[ 150 ]} Abhängig vom zu optimierenden Parameter (Prozessfensterfläche, Schärfentiefe, Belichtungsspielraum) kann die optimale Konfiguration der Hilfsstrukturen sehr unterschiedlich sein, z. B. kann die Teilung zwischen Hilfsstruktur und Balken von der Zwei-Balken-Teilung abweichen, symmetrisch oder asymmetrisch sein usw.

Bei Rasterweiten unter 58 nm besteht ein Zielkonflikt zwischen der Verbesserung der Schärfentiefe und dem Kontrastverlust durch die Platzierung der Hilfsstrukturen. ^{[ 150 ]} Generell besteht weiterhin ein Zielkonflikt zwischen Fokus und Belichtung, da das Dosisfenster durch die Notwendigkeit eingeschränkt ist, ein versehentliches Drucken der Hilfsstrukturen zu verhindern.

Ein weiteres Problem stellt das Schrotrauschen dar; ^{[ 152 ]} Unterauflösungs-Hilfsstrukturen (SRAFs) erfordern eine geringere Dosis, um ein versehentliches Drucken der Hilfsstrukturen zu vermeiden. ^{[ 153 ]} Dies führt dazu, dass kleinere Strukturen mit weniger Photonen definiert werden (siehe Abschnitt über Schrotrauschen).

Da SRAFs kleinere Strukturen als primäre Strukturen sind und nicht so hohe Dosen erhalten sollen, dass sie gedruckt werden können, sind sie anfälliger für stochastische Dosisschwankungen, die zu Druckfehlern führen; dies ist insbesondere bei EUV problematisch, da hier Phasenmasken verwendet werden müssen. ^{[ 154 ]}

Aufgrund der Auswirkungen der Nicht-Telezentrizität reichen Standard-Beleuchtungspupillenformen wie Scheiben- oder Ringform für Strukturgrößen von ca. 20 nm oder darunter (10-nm-Knoten und kleiner) nicht aus. ^{[ 87 ]} Stattdessen müssen bestimmte Bereiche der Pupille (oft über 50 %) asymmetrisch ausgeblendet werden. Welche Bereiche ausgeblendet werden, hängt vom Muster ab. Insbesondere müssen die dichtesten zulässigen Linien in einer Richtung ausgerichtet sein und bevorzugen eine Dipolform. In diesem Fall ist für 2D-Muster eine Doppelbelichtungslithografie erforderlich, da sowohl X- als auch Y-orientierte Muster vorhanden sind, die jeweils eine eigene 1D-Mustermaske und Dipolausrichtung benötigen. ^{[ 155 ] [ 156 ]} Es können 200–400 Beleuchtungspunkte vorhanden sein, von denen jeder einen Anteil der Dosis zur Bildbalance im Fokus beiträgt. Daher beeinflusst der Schrotrauscheffekt (der später erläutert wird) die Bildposition im Fokus bei einer großen Anzahl von Strukturen entscheidend.

Eine Doppel- oder Mehrfachmusterung wäre auch dann erforderlich, wenn ein Muster aus Teilmustern besteht, die aufgrund unterschiedlicher Teilungen, Ausrichtungen, Formen und Größen deutlich unterschiedliche optimierte Beleuchtungen erfordern.

Hauptsächlich aufgrund der Spaltform ^{[ 108 ]} und des Vorhandenseins von Restaberrationen ^{[ 157 ]} variiert die Effektivität der SMO entlang der Spaltposition ^{[ 158 ]} . An jeder Spaltposition treten unterschiedliche Aberrationen ^{[ 124 ]} und unterschiedliche Einfallswinkel auf, was zu unterschiedlicher Abschattung führt ^{[ 45 ]} . Folglich können bei aberrationsempfindlichen Strukturen unkorrigierte Variationen entlang des Spalts auftreten, die bei regelmäßigen Linien-Abstands-Mustern möglicherweise nicht deutlich sichtbar sind ^{[ 150 ]} . Obwohl an jeder Spaltposition auch die optische Proximity-Korrektur (OPC) , einschließlich der oben genannten Hilfsstrukturen, zur Behebung der Aberrationen angewendet werden kann ^{[ 159 ] [ 160 ],} beeinflussen diese auch die Beleuchtungsspezifikation ^{[ 161 ] [ 158 ] [ 162 ] [ 163 ]} , da sich die Vorteile je nach Beleuchtungsbedingungen unterscheiden. ^{[ 159 ]} Dies würde die Verwendung unterschiedlicher Quellen-Masken-Kombinationen an jeder Spaltposition erfordern, d. h. mehrere Maskenbelichtungen pro Schicht. ^{[ 124 ] [ 164 ]}

Die oben erwähnten chromatischen Aberrationen, die auf maskeninduzierte Apodisierung zurückzuführen sind, ^{[ 133 ]} führen auch zu inkonsistenten Quell-Masken-Optimierungen für verschiedene Wellenlängen.

Der optimale Fokus für eine gegebene Strukturgröße variiert unter einer gegebenen Beleuchtung stark in Abhängigkeit von Rasterabstand, Polarität und Orientierung. ^{[ 165 ]} Bei einem Rasterabstand von 36 nm beträgt der Fokusunterschied zwischen horizontalen und vertikalen Dunkelfeldstrukturen mehr als 30 nm. Strukturen mit Rasterabständen von 34 nm und 48 nm weisen unabhängig vom Strukturtyp den größten Fokusunterschied auf. Im Rasterabstandsbereich von 48–64 nm verschiebt sich die Position des optimalen Fokus annähernd linear mit dem Rasterabstand um bis zu 10–20 nm. ^{[ 166 ]} Im Rasterabstandsbereich von 34–48 nm verschiebt sich die Position des optimalen Fokus annähernd linear in die entgegengesetzte Richtung. Dies korreliert mit der Phasendifferenz zwischen der nullten und ersten Beugungsordnung. ^{[ 167 ]} Hilfsstrukturen, sofern sie in den Rasterabstand passen, reduzierten diese Tendenz für einen Bereich mittlerer Rasterabstände nicht wesentlich ^{[ 168 ]} oder verstärkten sie sogar im Fall von 18–27 nm und Quasarbeleuchtung. ^{[ 169 ]} Bei 50 nm großen Kontaktlöchern mit 100 nm und 150 nm Rasterweite lagen die optimalen Fokuspositionen etwa 25 nm auseinander; kleinere Strukturen weisen erwartungsgemäß schlechtere Werte auf. ^{[ 170 ]} Kontaktlöcher im Rasterweitenbereich von 48–100 nm zeigten einen optimalen Fokusbereich von 37 nm. ^{[ 171 ]} Die optimale Fokusposition in Abhängigkeit von der Rasterweite ist auch vom Fotolack abhängig. ^{[ 172 ]} Kritische Schichten enthalten häufig Linien mit einer minimalen Rasterweite einer Polarität, z. B. Dunkelfeldgräben, in einer Orientierung, z. B. vertikal, vermischt mit Bereichen der anderen Polarität in der anderen Orientierung. Dies verstärkt oft die Unterschiede in der optimalen Fokusposition und erschwert die Abbildung zwischen den Spitzen und Linien. ^{[ 173 ]}

Eine Folge der SMO-Technologie und der Verschiebung von Fokusfenstern ist die Reduzierung der Pupillenfüllung. Anders ausgedrückt: Die optimale Beleuchtung ist notwendigerweise eine optimierte Überlappung der bevorzugten Beleuchtungen für die verschiedenen zu berücksichtigenden Muster. Dies führt zu einer geringeren Pupillenfüllung und damit zu besseren Ergebnissen. Unterhalb einer Pupillenfüllung von 20 % wird der Durchsatz jedoch durch Absorption beeinträchtigt. ^{[ 174 ] [ 175 ] [ 56 ]}

Ein häufig genannter Vorteil der EUV-Lithografie ist die vergleichsweise einfache Lithografie, die sich im Verhältnis der Strukturgröße zur Wellenlänge multipliziert mit der numerischen Apertur (k1-Wert) widerspiegelt. Beispielsweise ergibt sich bei einer Metalllinienbreite von 18 nm und einer Wellenlänge von 13,5 nm (NA 0,33) ein k1-Wert von 0,44. Bei einem k1-Wert nahe 0,5 war eine schwache Auflösungsverbesserung, beispielsweise durch abgeschwächte Phasenverschiebungsmasken , für die Produktion mit ArF-Lasern (193 nm) unerlässlich ^{[ 176 ] [ 177 ] [ 178 ] [ 179 ] [ 180 ] [ 181 ]} , während diese Auflösungsverbesserung bei EUV nicht verfügbar ist ^{[ 182 ] [ 183 ] [ 184 ]} . Insbesondere 3D-Maskeneffekte, wie die Streuung an den Absorberkanten, verzerren das gewünschte Phasenprofil. ^{[ 183 ]} Das Phasenprofil wird effektiv aus dem Spektrum der von der Multischicht durch den Absorber reflektierten ebenen Welle abgeleitet, nicht aus dem Spektrum der einfallenden ebenen Welle. ^{[ 185 ]} Ohne Absorber tritt aufgrund der schrägen Beleuchtung auch an einer geätzten Multischicht-Seitenwand eine Nahfeldverzerrung auf; ^{[ 186 ]} ein Teil des Lichts durchdringt nur eine begrenzte Anzahl von Doppelschichten in der Nähe der Seitenwand. ^{[ 70 ]} Zusätzlich weisen die verschiedenen Polarisationen (TE und TM) unterschiedliche Phasenverschiebungen auf. ^{[ 70 ]} Prinzipiell ermöglicht eine chromlose Phasenmaske die Aufteilung der Beugungsordnung durch Unterdrückung der nullten Beugungsordnung auf der Maske. Die Herstellung einer hochwertigen Phasenmaske für EUV ist jedoch keine triviale Aufgabe. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die räumliche Filterung in der Fourier-Ebene des Maskenmusters. Im Lawrence Berkeley National Lab handelt es sich beim Licht nullter Ordnung um ein zentral abgeschattetes System, und die +/-1 Beugungsordnungen werden durch die freie Apertur erfasst, wodurch ein funktionales Äquivalent zur chromlosen Phasenverschiebungsmaske bei Verwendung einer herkömmlichen binären Amplitudenmaske erreicht wird. ^{[ 187 ]}

EUV-Licht erzeugt bei Absorption durch Materie Photoelektronen. Diese Photoelektronen erzeugen wiederum Sekundärelektronen, die abgebremst werden, bevor sie chemische Reaktionen eingehen. ^{[ 188 ]} Bei ausreichender Dosis durchdringen 40-eV-Elektronen nachweislich 180 nm dicken Fotolack und führen so zur Entwicklung. ^{[ 189 ]} Bei einer Dosis von 160 μC/cm² ^, entsprechend einer EUV-Dosis von 15 mJ/cm² ⁽ bei einem Elektron/Photon), entfernten 30-eV-Elektronen nach Standardentwicklung 7 nm PMMA-Fotolack. ^{[ 190 ]} Bei einer höheren 30-eV-Dosis von 380 μC/cm² ^, entsprechend 36 mJ/cm² ⁽ bei einem Elektron/Photon), wurden 10,4 nm PMMA-Fotolack abgetragen. ^{[ 191 ]} Diese Werte zeigen, welche Strecken die Elektronen im Fotolack unabhängig von ihrer Richtung zurücklegen können. ^{[ 192 ]}

Es wurde gezeigt, dass der Grad der Photoelektronenemission der unter dem EUV-Photoresist liegenden Schicht die Schärfentiefe beeinflusst. ^{[ 193 ]} Leider erhöhen Hartmaskenschichten tendenziell die Photoelektronenemission und verschlechtern dadurch die Schärfentiefe. Auch Elektronen aus unscharfen Bereichen im Resist können das optimal scharfe Bild beeinträchtigen. ^{[ 194 ]}

Die zufällige Anzahl der Sekundärelektronen ist selbst eine Quelle stochastischen Verhaltens in EUV-Resistbildern. Die Skalenlänge der Elektronenunschärfe weist eine Verteilung auf. ^{[ 195 ]} Intel demonstrierte mit einer aufwendigen Simulation, dass EUV-freigesetzte Elektronen in EUV-Resists Streustrecken von mehr als 15 nm zurücklegen. ^{[ 196 ]}

Die Elektronenunschärfe wird auch durch die Totalreflexion an der Oberfläche des Fotolacks beeinflusst. ^{[ 197 ] [ 198 ]}

Eine realistischere Beschreibung der Elektronenunschärfe verwendet die Differenz zweier Exponentialfunktionen. ^{[ 199 ]}

Bei chemisch verstärkten Resists kann die Säureunschärfe zwar die Kantenrauigkeit verringern, jedoch bleibt die Rauigkeit bei niedrigen Ortsfrequenzen bestehen. Bei Metalloxidresists hingegen bleibt selbst die Rauigkeit bei hohen Ortsfrequenzen erhalten, da keine Glättung durch Säureunschärfe stattfindet. ^{[ 200 ]} Eine stärkere Unschärfe kann die Rauigkeit im kleineren Maßstab glätten, jedoch auf Kosten des Bildkontrasts. ^{[ 201 ]}

Sekundärelektronen aus Schichten unterhalb des Fotolacks können sowohl das Fotolackprofil als auch den Strukturkollaps beeinflussen. ^{[ 202 ]} Daher sind die Auswahl sowohl der Unterschicht als auch der darunter liegenden Schicht wichtige Aspekte bei der EUV-Lithographie. Darüber hinaus können Elektronen aus defokussierten Bildern die stochastische Natur des Bildes verstärken. ^{[ 203 ]}

Aufgrund der hohen Absorptionseffizienz von EUV durch Fotolacke spielen Erwärmung und Ausgasung eine zentrale Rolle. Ein bekanntes Problem ist die Kontamination des Fotolacks durch Kohlenwasserstoffe aus der Umgebung oder ausgasende Stoffe, die durch EUV- oder elektroneninduzierte Reaktionen entsteht. ^{[ 204 ]} Organische Fotolacke gasen Kohlenwasserstoffe aus ^{[ 205 ]} , während Metalloxid-Fotolacke Wasser und Sauerstoff ^{[ 206 ]} sowie Metall (in Wasserstoffatmosphäre) freisetzen; letzteres ist nicht entfernbar. ^{[ 54 ]} Es ist bekannt, dass Kohlenstoffverunreinigungen die Reflektivität von Mehrschichtsystemen beeinträchtigen ^{[ 207 ],} während Sauerstoff besonders schädlich für die Ruthenium-Deckschichten (die unter EUV- und Wasserstoffbedingungen relativ stabil sind) der EUV-Mehrschichtoptik ist. ^{[ 208 ]}

Die Degradation des EUV-Resists nimmt mit der Dosis zu, was sich in der Ausgasung wichtiger Komponenten zeigt. ^{[ 209 ] [ 210 ] [ 211 ] [ 212 ]}

Mehrere Studien haben gezeigt, dass EUV-Resists mit zunehmender Dosis dünner werden. ^{[ 213 ] [ 214 ] [ 215 ] [ 209 ]}

Für Metalloxidresists hatte IMEC gezeigt, dass der Gegenionenverlust während der EUV-Belichtung signifikant war. ^{[ 216 ]}

Atomarer Wasserstoff in den Werkzeugkammern wird zur Reinigung von Zinn und Kohlenstoff verwendet , die sich auf den optischen Oberflächen des EUV-Lichts ablagern. ^{[ 217 ]} Atomarer Wasserstoff wird durch direkte Photoionisation von H₂ durch EUV-Licht _erzeugt : ^{[ 218 ]}

hν + H ₂ → H ⁺ + H + e ⁻ .

Die bei der obigen Reaktion erzeugten Elektronen können auch H ₂ dissoziieren , um atomaren Wasserstoff zu bilden: ^{[ 218 ]}

e ⁻ + H ₂ → H ⁺ + H + 2e ⁻ .

Die Reaktion mit Zinn in der Lichtquelle (z. B. Zinn auf einer optischen Oberfläche in der Quelle) zur Bildung von flüchtigem SnH ₄ ( Stannan ), das aus der Quelle abgepumpt werden kann, verläuft über die Reaktion ^{[ 217 ].}

Sn(s) + 4 H(g) → SnH ₄ (g).

Das SnH ₄ kann die Beschichtungen anderer EUV-optischer Oberflächen erreichen, wo es über die Reaktion Sn wieder abscheidet ^{[ 217 ].}

SnH ₄ → Sn(s) + 2 H ₂ (g).

Eine Redeposition kann auch durch andere Zwischenreaktionen erfolgen. ^{[ 219 ]}

Das wiederabgelagerte Zinn ^{[ 53 ] [ 54 ]} könnte anschließend durch atomaren Wasserstoff entfernt werden. Insgesamt liegt die Zinnreinigungseffizienz (das Verhältnis des von einer Zinnprobe entfernten Zinnflusses zum atomaren Wasserstofffluss auf die Zinnprobe) jedoch aufgrund von Wiederablagerung und Wasserstoffdesorption, die zur Bildung von Wasserstoffmolekülen auf Kosten von atomarem Wasserstoff führt, unter 0,01 %. ^{[ 217 ]} Die Zinnreinigungseffizienz für Zinnoxid ist etwa doppelt so hoch wie die von Zinn (mit einer nativen Oxidschicht von ca. 2 nm). ^{[ 217 ]} Die Zufuhr einer geringen Menge Sauerstoff zur Lichtquelle kann die Zinnreinigungsrate verbessern.

Die Entfernung von Zinnpartikeln ist für die Aufrechterhaltung der Maskenleistung von entscheidender Bedeutung, da Zinn zur Erzeugung von EUV-Licht verwendet wird und die EUV-Masken während der Lithographie kontinuierlich verunreinigt. ^{[ 220 ]}

Wasserstoff reagiert mit metallhaltigen Verbindungen und reduziert diese zu Metall ^{[ 221 ]} . Er diffundiert durch das Silizium ^{[ 222 ]} und Molybdän ^{[ 223 ]} in der Multilayer-Struktur und verursacht schließlich Blasenbildung ^{[ 224 ] [ 225 ] [ 226 ]} . Deckschichten, die wasserstoffbedingte Schäden mindern, reduzieren die Reflektivität oft deutlich unter 70 % ^{[ 225 ]} . Deckschichten sind bekanntermaßen durchlässig für Umgebungsgase, einschließlich Sauerstoff ^{[ 227 ]} und Wasserstoff ^{[ 228 ] [ 229 ] [ 230 ] [ 231 ]} , und anfällig für wasserstoffinduzierte Blasenbildung ^{[ 232 ] [ 224 ]} . Wasserstoff kann auch mit der Deckschicht reagieren und deren Ablösung verursachen ^{[ 233 ]} . TSMC hat einige Verfahren zur Minderung von Wasserstoffblasen auf EUV-Masken vorgeschlagen, die die Produktivität beeinträchtigen können. ^{[ 234 ]}

Wasserstoff kann in geschmolzenes Zinn eindringen und darin Wasserstoffblasen bilden. Bewegen sich diese Blasen an der Oberfläche des geschmolzenen Zinns, platzen sie und geben Zinn frei, wodurch sich dieses großflächig verteilt. Dieses Phänomen wird als Zinnspritzen bezeichnet und ist eine der Kontaminationsquellen für EUV-Kollektoren.

Wasserstoff reagiert auch mit Fotolacken und ätzt ^{[ 235 ] [ 236 ]} oder zersetzt ^{[ 237 ]} . Neben Fotolacken können Wasserstoffplasmen auch Silizium ätzen, wenn auch sehr langsam. ^{[ 238 ]}

Um die oben genannten Effekte zu minimieren, verfügt das 2017 eingeführte neueste EUV-Belichtungsgerät NXE:3400B über eine Membran, die den Wafer von der Projektionsoptik trennt und diese vor Ausgasungen des Fotolacks schützt. ^{[ 56 ]} Die Membran enthält Schichten, die DUV- und IR-Strahlung absorbieren und 85–90 % der einfallenden EUV-Strahlung transmittieren. Natürlich kommt es zu Verunreinigungen durch Wafer-Ausgasungen sowie durch Partikel im Allgemeinen (obwohl diese außerhalb des Fokus liegen, können sie das Licht dennoch behindern).

EUV-Lithographiesysteme arbeiten mit EUV-Licht in einem Wasserstoff-Hintergrundgasdruck von 1–10 Pa. ^{[ 239 ]} Das Plasma ist eine Quelle von VUV-Strahlung ^{[ 240 ]} sowie von Elektronen und Wasserstoffionen ^{[ 241 ].} Dieses Plasma ist dafür bekannt, belichtete Materialien zu ätzen. ^{[ 241 ] [ 242 ]}

Eine 2023 von TSMC unterstützte Studie wurde veröffentlicht, die eine Nettoladung durch Elektronen aus dem Plasma sowie durch Elektronenemission nachwies. ^{[ 243 ]} Es wurde festgestellt, dass die Ladung sogar außerhalb des EUV-Bestrahlungsbereichs auftrat, was darauf hindeutet, dass die Umgebung Elektronen ausgesetzt war.

Durch chemisches Sputtern von Kohlenstoff mittels Wasserstoffplasma ^{[ 244 ]} können Nanopartikel entstehen ^{[ 245 ]} , die die Belichtung des EUV-Resists behindern können. ^{[ 246 ] [ 247 ]}

Die Reduzierung von Defekten auf EUV-Masken (Extreme Ultraviolet) ist derzeit eine der wichtigsten Herausforderungen für die Kommerzialisierung der EUV-Lithografie. ^{[ 248 ] Defekte können unter oder innerhalb des Multilayer-Stapels [ 249 ]} oder auf der Oberfläche des Multilayer-Stapels liegen . Auf den für die Multilayer-Abscheidung verwendeten Sputtertargets bilden sich Mesas oder Erhebungen, die sich während der Abscheidung als Partikel ablösen können. ^{[ 250 ]} Tatsächlich können Defekte mit atomarer Höhe (0,3–0,5 nm) und einer Halbwertsbreite (FWHM ) von 100 nm noch bedruckbar sein, da sie einen CD-Einfluss von 10 % aufweisen. ^{[ 251 ]} IBM und Toppan berichteten auf der Photomask Japan 2015, dass kleinere Defekte, z. B. mit einer Größe von 50 nm, selbst bei einer Höhe von 0,6 nm einen CD-Einfluss von 10 % haben können, aber dennoch unentdeckt bleiben. ^{[ 252 ]}

Darüber hinaus verringert die Kante eines Phasendefekts die Reflektivität um mehr als 10 %, wenn ihre Abweichung von der Planarität 3 Grad überschreitet. Dies ist auf die Abweichung vom Soll-Einfallswinkel von 84 Grad zur Oberfläche zurückzuführen. Selbst bei geringer Defekthöhe verformt die Kante die darüberliegende Multischicht und erzeugt einen ausgedehnten Bereich mit geneigter Multischicht. Je abrupter die Verformung, je schmaler die Ausdehnung der Defektkante und desto größer der Reflektivitätsverlust.

Die Reparatur von Defekten in EUV-Masken ist aufgrund der oben erwähnten Variation der Beleuchtung über den Spalt hinweg ebenfalls komplizierter. Aufgrund der unterschiedlichen Abschattungsempfindlichkeit über den Spalt hinweg muss die Höhe der Reparaturablagerung sehr sorgfältig kontrolliert werden, da sie an verschiedenen Positionen über den Beleuchtungsspalt der EUV-Maske unterschiedlich ist. ^{[ 253 ]}

GlobalFoundries und die Lawrence Berkeley Labs führten eine Monte-Carlo-Studie durch, um die Auswirkungen der Durchmischung von Molybdän- (Mo) und Siliziumschichten (Si) in der Multilayer-Struktur zu simulieren, die zur Reflexion von EUV-Licht an der EUV-Maske dient. ^{[ 254 ]} Die Ergebnisse zeigten eine hohe Empfindlichkeit gegenüber atomaren Variationen der Schichtdicke. Solche Variationen konnten mit großflächigen Reflexionsmessungen nicht erfasst werden, wären aber im Bereich der kritischen Dimension (CD) signifikant. ^{[ 254 ]} Die lokale Variation der Reflektivität könnte bei einer Standardabweichung von wenigen Nanometern in der Größenordnung von 10 % liegen. ^{[ 255 ]}

Mehrere EUV-Pulse mit einer Energiedichte von weniger als 10 mJ/cm² ^können Schäden an einem Ru-beschichteten Mo/Si-Mehrschichtspiegel verursachen. ^{[ 256 ]} Der Einfallswinkel betrug 16° bzw. 0,28 rad und liegt damit im Bereich der Winkel für ein optisches System mit einer numerischen Apertur von 0,33.

Für die EUV-Produktion wird eine Pellikel benötigt, um die Maske vor Verunreinigungen zu schützen. Pellikel sollen die Maske üblicherweise während des Transports, des Ein- und Austritts in die Belichtungskammer sowie während der Belichtung selbst vor Partikeln schützen. Ohne Pellikel würden Partikel die Ausbeute verringern, was bei der konventionellen optischen Lithografie mit 193-nm-Licht und Pellikeln kein Problem darstellte. Bei EUV ist die praktische Anwendbarkeit von Pellikeln jedoch aufgrund der erforderlichen Dünne der Abschirmfolien zur Vermeidung übermäßiger EUV-Absorption stark eingeschränkt. Partikelverunreinigungen wären unüberwindbar, wenn Pellikel oberhalb von 200 W, der für die Fertigung angestrebten Leistung, nicht stabil wären. ^{[ 257 ]}

Die Erwärmung der EUV- Maskenpellike (Filmtemperatur bis zu 750 K bei 80 W Eingangsleistung) ist aufgrund der daraus resultierenden Verformung und der damit einhergehenden Transmissionsabnahme ein erhebliches Problem. ^{[ 258 ]} ASML entwickelte eine 70 nm dicke Polysilizium-Pellikelmembran, die eine EUV-Transmission von 82 % ermöglicht; allerdings überstand weniger als die Hälfte der Membranen die erwarteten EUV-Leistungspegel. ^{[ 259 ]} Auch SiNx-Pellikelmembranen versagten bei einer äquivalenten EUV-Quellenleistung von 82 W. ^{[ 260 ]} Bei den angestrebten 250 W wird erwartet, dass die Pellikel 686 °C erreicht, ^{[ 261 ]} was deutlich über dem Schmelzpunkt von Aluminium liegt. Alternative Materialien müssen daher eine ausreichende Transmission ermöglichen und gleichzeitig mechanische und thermische Stabilität gewährleisten. Graphit, Graphen und andere Kohlenstoff-Nanomaterialien (Nanoblätter, Nanoröhren) werden jedoch durch EUV-Strahlung aufgrund der Elektronenfreisetzung beschädigt ^{[ 262 ]} und lassen sich zudem im Wasserstoff-Reinigungsplasma, das in EUV-Scannern eingesetzt werden soll, zu leicht ätzen ^{[ 263 ]} . Auch Silizium kann durch Wasserstoffplasma geätzt werden ^{[ 264 ] [ 265 ]} . Eine Beschichtung verbessert zwar die Wasserstoffbeständigkeit, verringert aber die Transmission und/oder das Emissionsvermögen und kann auch die mechanische Stabilität beeinträchtigen (z. B. durch Ausbeulen) ^{[ 266 ] .}

Falten auf der Pellikel können aufgrund ungleichmäßiger Absorption zu CD-Nichtuniformität führen; dies ist bei kleineren Falten und kohärenterer Beleuchtung, d. h. geringerer Pupillenfüllung, stärker ausgeprägt. ^{[ 267 ]}

Fehlt die Pellikel, muss die Reinheit der EUV-Maske vor der Belichtung der eigentlichen Produktwafer mithilfe speziell für die Fehlerinspektion präparierter Wafer überprüft werden. ^{[ 268 ]} Diese Wafer werden nach dem Drucken auf wiederkehrende Fehler untersucht, die auf eine verschmutzte Maske hinweisen. Werden solche Fehler gefunden, muss die Maske gereinigt und ein weiterer Satz Inspektionswafer belichtet werden. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die Maske sauber ist. Alle betroffenen Produktwafer müssen nachbearbeitet werden.

TSMC berichtete, 2019 mit dem begrenzten Einsatz einer eigenen Pellikel begonnen und diesen anschließend weiter ausgebaut zu haben ^{[ 269 ]} . Samsung plant die Einführung einer Pellikel im Jahr 2022 ^{[ 270 ]} . Nachfolgende Berichte deuten jedoch darauf hin, dass EUV-Pellikel aufgrund beschleunigter Schädigung bei höheren Leistungen bisher nicht eingesetzt werden ^{[ 271 ] [ 272 ].}

Ohne Pellikel kann die Ausbeute durch Partikel, die sich auf der Belichtungsfläche der Maske ablagern, erheblich reduziert werden. ^{[ 273 ]} Die Partikelgröße ist ebenfalls entscheidend dafür, ob dies zu einem Ausbeuteverlust führen kann. ^{[ 274 ]}

Wie bereits erwähnt, kann der in modernen EUV-Systemen verwendete Wasserstoff bei der Entfernung von Verunreinigungen in die EUV-Maskenschichten eindringen. TSMC gab in seinem Patent an, dass der Wasserstoff vom Maskenrand aus eindringt. ^{[ 275 ]} Dort bilden sich nach dem Eindringen Blasen oder Ausbeulungen, ^{[ 232 ]} die zum Ablösen der Folie führen können. ^{[ 275 ]} Es handelt sich dabei im Wesentlichen um Blasenbildung, die nach einer ausreichenden Anzahl von EUV-Maskenbelichtungen in Wasserstoffatmosphäre auftritt. TSMC schlug Maßnahmen zur Minderung dieser Wasserstoffblasenbildung auf EUV-Masken vor, die die Produktivität beeinträchtigen kann. ^{[ 234 ]}

Die EUV-Lithografie reagiert besonders empfindlich auf stochastische Effekte. ^{[ 276 ] [ 277 ]} Bei einer großen Anzahl von Strukturen, die mittels EUV gedruckt werden, werden zwar die meisten Strukturen korrekt aufgelöst, jedoch kommt es bei einigen zu vollständigen Druckfehlern, z. B. fehlenden Löchern oder Überbrückungen. Ein bekanntermaßen wesentlicher Faktor hierfür ist die verwendete Dosis. ^{[ 278 ]} Dies hängt mit dem Schrotrauschen zusammen , das weiter unten erläutert wird. Aufgrund der stochastischen Schwankungen der eintreffenden Photonenzahlen erreichen einige zu druckende Bereiche die erforderliche Belichtungsschwelle nicht, wodurch unbelichtete Defektbereiche entstehen. Andere Bereiche können überbelichtet sein, was zu übermäßigem Resistverlust oder Vernetzung führt. Die Wahrscheinlichkeit für stochastische Fehler steigt exponentiell mit abnehmender Strukturgröße, und bei gleicher Strukturgröße erhöht sich die Wahrscheinlichkeit auch mit zunehmendem Abstand zwischen den Strukturen signifikant. ^{[ 278 ]} Fehlgeformte Linienschnitte stellen aufgrund der Gefahr von Lichtbögen und Kurzschlüssen ein erhebliches Problem dar. ^{[ 279 ]} Für eine hohe Ausbeute ist die Erkennung stochastischer Fehler bis unter 1e-12 erforderlich. ^{[ 278 ]}

Die Neigung zu stochastischen Defekten ist bei Defokussierung über einer großen Pupillenfüllung stärker ausgeprägt. ^{[ 280 ] [ 281 ]}

Bei ein und derselben Population können mehrere Fehlermodi auftreten. Beispielsweise können neben der Überbrückung von Gräben auch die Linien zwischen den Gräben brechen. ^{[ 278 ]} Dies lässt sich auf stochastischen Resistverlust ^{[ 276 ]} durch Sekundärelektronen zurückführen. ^{[ 282 ] [ 283 ]} Die zufällige Anzahl der Sekundärelektronen selbst ist eine Quelle stochastischen Verhaltens in EUV-Resistbildern.

Das gleichzeitige Auftreten von stochastisch unter- und überbelichteten Defektbereichen führt zu einem Verlust des Dosisfensters bei einem bestimmten Defektniveau nach dem Ätzen zwischen den Übergängen zwischen niedriger und hoher Dosis. ^{[ 284 ]} Dadurch geht der Auflösungsvorteil kürzerer Wellenlängen verloren.

Die Resistunterschicht spielt ebenfalls eine wichtige Rolle. ^{[ 278 ]} Dies könnte an den von der Unterschicht erzeugten Sekundärelektronen liegen. ^{[ 285 ]} Sekundärelektronen können über 10 nm Resist an der belichteten Kante abtragen. ^{[ 282 ] [ 286 ]}

Photonenschrotrauschen führt auch zu stochastischen Kantenplatzierungsfehlern. ^{[ 287 ]} Das Photonenschrotrauschen kann bis zu einem gewissen Grad durch Unschärfeeffekte wie Sekundärelektronen oder Säuren in chemisch verstärkten Resists kompensiert werden; ^{[ 288 ]} ist die Unschärfe jedoch signifikant, verringert sie auch den Bildkontrast an der Kante. Für ein EUV-gedrucktes Metallmuster mit 48 nm Rastermaß wurde ein Kantenplatzierungsfehler (EPE) von bis zu 8,8 nm gemessen. ^{[ 289 ]}

Aufgrund der natürlichen Poisson-Verteilung, bedingt durch die zufälligen Ankunfts- und Absorptionszeiten der Photonen ^{[ 290 ] [ 291 ],} ist eine natürliche Dosisvariation (Photonenzahl) von mindestens einigen Prozent 3σ zu erwarten, wodurch der Belichtungsprozess anfällig für stochastische Schwankungen wird. Diese Dosisvariation führt zu einer Variation der Kantenposition und somit zu einer Unschärfe. Im Gegensatz zur durch Beugung bedingten harten Auflösungsgrenze setzt das Schrotrauschen eine weichere Grenze. Der wichtigste Richtwert ist die ITRS-Spezifikation für die Linienbreitenrauhigkeit (LWR) von 8 % (3σ) der Linienbreite ^{[ 292 ]} . Eine Erhöhung der Dosis reduziert das Schrotrauschen ^{[ 293 ]} , erfordert jedoch auch eine höhere Quellleistung.

Die beiden Probleme des Schrotrauschens und der EUV-freigesetzten Elektronen verdeutlichen zwei einschränkende Faktoren: 1) Die Dosis muss hoch genug sein, um das Schrotrauschen auf ein tolerierbares Maß zu reduzieren, gleichzeitig muss aber auch 2) eine zu hohe Dosis vermieden werden, da die EUV-freigesetzten Photoelektronen und Sekundärelektronen einen erhöhten Beitrag zum Belichtungsprozess des Fotolacks leisten, was die Kantenunschärfe erhöht und somit die Auflösung begrenzt. Neben den Auswirkungen auf die Auflösung erhöht eine höhere Dosis auch die Ausgasung ^{[ 294 ]} und begrenzt den Durchsatz ; zudem tritt bei sehr hohen Dosen Vernetzung auf ^{[ 295 ]} . Bei chemisch verstärkten Fotolacken erhöht eine höhere Dosis auch die Kantenrauigkeit aufgrund der Zersetzung des Säuregenerators ^{[ 296 ]} . Darüber hinaus setzt der Fotolackverlust eine Obergrenze für die Dosiserhöhung ^{[ 297 ] .}

Aufgrund der mit steigender Dosis zunehmenden Resistverdünnung definieren die stochastischen Defektgrenzen der EUV-Bestrahlung ein enges CD- oder Dosisfenster. ^{[ 298 ] [ 299 ]} Der dünnere Resist reduziert bei höherer einfallender Dosis die Absorption und damit die absorbierte Dosis. Zudem ist der dünnere Resist anfälliger für Nanoporen, die zu Resistbrüchen führen können. ^{[ 300 ] [ 301 ]}

Selbst bei höherer Absorption bei gleicher Dosis weist EUV ein größeres Schrotrauschen auf als ArF-Laser (193 nm), hauptsächlich aufgrund der Verwendung dünnerer Fotolacke. ^{[ 302 ]} Zusätzlich entsteht Rauschen durch Sekundärelektronenemission. ^{[ 303 ] [ 304 ]}

Aufgrund stochastischer Gegebenheiten sieht der IRDS 2022-Lithographie-Fahrplan nun höhere Dosen für kleinere Strukturgrößen vor. ^{[ 305 ]}

Die EUV-Auflösung wird wahrscheinlich durch stochastische Effekte beeinträchtigt. Stochastische Defektdichten überschritten bei einer Strukturbreite von 36 nm 1/cm² ^; [ ^{306 ] [ 307 ] dies} wird durch Elektronenunschärfe verstärkt. ^{[ 308 ]} Im Jahr 2024 zeigte eine EUV-Resistbelichtung von ASML eine Kontaktlochdefektdichte von >0,25/cm² (177 Defekte pro Wafer) bei einer Strukturbreite von 32 nm ^, wobei sich die Defektdichte bei dünnerem Resist noch verschlimmerte. ^{[ 309 ]} ASML gab an, bei einer Strukturbreite von 30 nm nicht direkt, sondern mit Doppelstrukturierung zu arbeiten. ^{[ 310 ]} Intel verwendete EUV nicht für eine Strukturbreite von 30 nm. ^{[ 311 ]} Neben der geringeren absorbierten Photonendichte hängt der Einfluss stochastischer Effekte auf die EUV-Auflösung auch mit der geringeren Molekülgröße von EUV-Resists zusammen. ^{[ 312 ] [ 313 ] [ 314 ] [ 315 ]}

Die Skalierung von DRAM wird aufgrund der stochastischen Effekte der EUV-Strahlung bei 10-11 nm-Strukturgrößen ebenfalls schwierig. ^{[ 316 ] [ 317 ]} Die in einem hexagonalen Array angeordneten Speicherknotenstrukturen reagieren besonders empfindlich, da sie auf Hexapol-EUV-Beleuchtung angewiesen sind, welche das Bild in drei verschiedene Teilbilder aufteilt, von denen jedes ein Drittel der Dosis erhält. ^{[ 318 ]}

Auch größere Objekte können aufgrund lokaler Maxima und Minima in ihrem Luftbild unerwarteten stochastischen Schwankungen unterliegen. ^{[ 319 ]}

Das 2024 aktualisierte Ausbeutemodell von IMEC zeigte, dass der verstärkte Einsatz von EUV für die 5-nm-Technologie und kleinere Strukturgrößen aufgrund höherer stochastischer Defekte bei engeren Strukturgrößen zu einer geringeren Ausbeute führte. ^{[ 320 ]}

Im Jahr 2025 lagen die Wahrscheinlichkeiten für stochastische Defekte im ppm-Bereich und konnten zudem um eine Größenordnung schwanken, was zu unregelmäßigen Ausbeuten führte. ^{[ 321 ] [ 322 ] [ 323 ] [ 324 ]}

Bei Teilungen, die kleiner als die halbe Wellenlänge geteilt durch die numerische Apertur sind, ist eine Dipolbeleuchtung erforderlich. Diese Beleuchtung füllt höchstens einen blattförmigen Bereich am Rand der Pupille aus. Aufgrund von 3D-Effekten in der EUV-Maske ^{[ 325 ]} benötigen kleinere Teilungen jedoch noch kleinere Bereiche dieser Blattform. Unterhalb von 20 % der Pupille beginnen Durchsatz und Dosisstabilität zu leiden. ^{[ 56 ]} Eine höhere numerische Apertur ermöglicht zwar eine höhere Pupillenfüllung bei gleicher Teilung, reduziert aber die Schärfentiefe deutlich. ^{[ 326 ]}

Eine stärkere Pupillenfüllung ist anfälliger für stochastische Schwankungen innerhalb der Pupille. ^{[ 327 ] [ 328 ]}

Es wird erwartet, dass EUV bei einer Strukturbreite von ca. 34 nm und einer numerischen Apertur (NA) von 0,33 Doppelstrukturierung verwendet. ^{[ 329 ] [ 330 ]} Diese Auflösung entspricht „1Y“ für DRAM. ^{[ 331 ] [ 332 ]} Im Jahr 2020 berichtete ASML, dass für eine 5 nm dicke M0-Schicht (minimale Strukturbreite 30 nm) Doppelstrukturierung erforderlich sei. ^{[ 310 ]} Im zweiten Halbjahr 2018 bestätigte TSMC, dass sein 5-nm-EUV-Verfahren weiterhin Mehrfachstrukturierung nutzt ^{[ 333 ]} und gab zudem an , dass die Maskenanzahl im Vergleich zum 7-nm-Knoten, der umfangreiche DUV-Mehrfachstrukturierung verwendete, zum 5-nm-Knoten, der umfangreiche EUV-Strukturierung nutzt, nicht gesunken sei. ^{[ 334 ]} Auch EDA-Anbieter bestätigten die fortgesetzte Verwendung von Mehrfachstrukturierungsverfahren. ^{[ 335 ] [ 336 ]} Obwohl Samsung einen eigenen 7-nm-Prozess mit EUV-Einzelstrukturierung einführte, ^{[ 337 ]} traten dort starke Photonenschrotrauschen auf, die zu übermäßiger Linienrauhigkeit führten. Dies erforderte eine höhere Dosis und reduzierte den Durchsatz. ^{[ 290 ]} TSMCs 5-nm-Knoten verwendet noch strengere Designregeln. ^{[ 338 ]} Samsung wies darauf hin, dass kleinere Abmessungen mit stärkerem Schrotrauschen einhergehen würden. ^{[ 290 ]}

In Intels komplementärem Lithographieverfahren mit 20 nm Halbpitch würde EUV nur bei einer zweiten Belichtung zum Linienschneiden nach einer ersten Belichtung zum Liniendrucken mit 193 nm verwendet werden. ^{[ 339 ]}

Mehrfachbelichtungen sind auch dann zu erwarten, wenn zwei oder mehr Strukturen in derselben Schicht, z. B. mit unterschiedlichen Teilungen oder Breiten, unterschiedliche optimierte Quellpupillenformen benötigen. ^{[ 340 ] [ 341 ] [ 342 ] [ 343 ]} Betrachtet man beispielsweise ein gestaffeltes Balkenarray mit einer vertikalen Teilung von 64 nm, so führt eine Änderung der horizontalen Teilung von 64 nm auf 90 nm zu einer signifikanten Änderung der optimierten Beleuchtung. ^{[ 57 ]} Eine Quellmaskenoptimierung, die ausschließlich auf Linien-Abstands-Gittern und Spitzen-zu-Spitzen-Gittern basiert, führt nicht zu Verbesserungen für alle Teile einer Logikstruktur, z. B. für einen dichten Graben mit einer Lücke auf einer Seite. ^{[ 340 ] [ 344 ]}

ASML berichtete im Jahr 2020, dass bei der 3-nm-Technologie für bestimmte Kontakt-/Via-Anordnungen Mitte-zu-Mitte-Abstände 40 nm oder weniger eine doppelte oder dreifache Strukturierung erforderlich sein würde. ^{[ 345 ]}

Für Metallisierungsstrukturen mit einer Strukturbreite von 24–36 nm zeigte sich, dass die Verwendung von EUV als (zweite) Schneidebelichtung ein deutlich größeres Prozessfenster bot als die Verwendung als vollständige Einzelbelichtung für die Metallschicht. ^{[ 346 ] [ 340 ]} Die Verwendung einer zweiten Belichtung im LELE-Verfahren zur Doppelstrukturierung behebt jedoch nicht die Anfälligkeit für stochastische Defekte. ^{[ 347 ] [ 348 ]}

Auch bei der Fehlerkorrektur ohne Pellikel sind Mehrfachbelichtungen derselben Maske zu erwarten, was die Produktivität ähnlich wie bei der Mehrfachbelichtung einschränkt. ^{[ 268 ]}

Self-aligned litho-etch-litho-etch (SALELE) ist eine hybride SADP/LELE-Technik, deren Implementierung bei 7 nm begonnen hat. ^{[ 349 ]} Self-aligned litho-etch-litho-etch (SALELE) hat sich als anerkannte Form der Doppelstrukturierung für die Verwendung mit EUV etabliert. ^{[ 350 ]}

Um höhere Dosen zur Minderung stochastischer Effekte zu vermeiden (selbst bei 36-nm-Vias ^{[ 351 ]} ), würde eine Aufteilung des Musters, die zu Doppel- oder Mehrfachstrukturierung führt, eine bessere Bildqualität ermöglichen. ^{[ 352 ] [ 353 ]} Tatsächlich tritt dies bei ausreichend großen Designregeln (d. h. 36 nm) auf, sodass es sich mit der DUV-Doppelstrukturierung überschneidet. ^{[ 352 ]}

Eine Rückkehr zu längeren Generationen von Einzelstrukturierungen wäre mit Werkzeugen höherer numerischer Apertur (NA) möglich. Eine NA von 0,45 könnte eine Nachjustierung von einigen Prozent erfordern. ^{[ 354 ]} Eine verstärkte Verkleinerung könnte diese Nachjustierung vermeiden, jedoch beeinträchtigt die reduzierte Feldgröße große Strukturen (ein Chip pro 26 mm × 33 mm Feld), wie beispielsweise die Mehrkern-Xeon-Chips mit mehreren Milliarden Transistoren im 14-nm-Verfahren, erheblich. ^{[ 355 ]} Dies erfordert das Zusammenfügen zweier Maskenbelichtungen.

2015 veröffentlichte ASML Details zu seinem anamorphen EUV-Scanner der nächsten Generation mit einer numerischen Apertur (NA) von 0,55. Diese Geräte kosten rund 360 Millionen US-Dollar. ^{[ 35 ]} Die Verkleinerung wird nur in einer Richtung (in der Einfallsebene) von 4× auf 8× erhöht. ^{[ 356 ]} Allerdings weist die NA von 0,55 eine deutlich geringere Schärfentiefe ^{[ 357 ]} als die Immersionslithografie auf. ^{[ 358 ]} Darüber hinaus zeigte ein anamorpher Scanner mit einer NA von 0,52 zu hohe CD- und Platzierungsabweichungen bei der Einzelbelichtung und Mehrfachstrukturierung von 5-nm-Strukturen. ^{[ 359 ]}

Die Verringerung der Schärfentiefe ^{[ 360 ] durch Erhöhung der numerischen Apertur (NA) ist ebenfalls ein Problem [ 361 ]} , insbesondere im Vergleich zu Mehrfachmusterungsbelichtungen mit 193-nm-Immersionslithographie:

Hoch-NA-EUV-Systeme fokussieren horizontale und vertikale Linien aufgrund der unterschiedlichen Verkleinerung horizontaler Linien anders als Systeme mit niedriger NA. ^{[ 362 ] [ 363 ]}

Auch EUV-Werkzeuge mit hoher numerischer Apertur (NA) leiden unter Abschattung, was zu Fehlern bei der Abbildung bestimmter Muster führen kann. ^{[ 364 ]}

Intel schloss die Montage seines ersten kommerziellen High-NA-Tools, TWINSCAN EXE:5000, im April 2024 in seiner D1X-Forschungs- und Entwicklungsfabrik in Oregon ab ^{[ 365 ]} , wobei eine zweite Maschine im Oktober 2024 installiert wurde ^{[ 366 ]} . Ende 2025 installierte Intel den neuen TWINSCAN EXE:5200B für seinen kommenden 14A-Prozess, dessen Serienproduktion für 2027 erwartet wird ^{[ 367 ].}

Bei Strukturgrößen unter 2 nm werden EUV-Systeme mit hoher numerischer Apertur (NA) von einer Reihe von Problemen betroffen sein: Durchsatz, neue Masken, Polarisation, dünnere Fotolacke sowie Unschärfe und Zufälligkeit der Sekundärelektronenstrahlung. ^{[ 368 ]} Die reduzierte Schärfentiefe erfordert eine Fotolackdicke von weniger als 30 nm, was wiederum stochastische Effekte aufgrund der verringerten Photonenabsorption verstärkt.

Die Elektronenunschärfe wird auf mindestens ~2 nm geschätzt, was ausreicht, um den Vorteil der EUV-Lithographie mit hoher numerischer Apertur (NA) zunichtezumachen. ^{[ 369 ] [ 370 ]}

Neben hochauflösenden EUV-Spektrometern kündigte ASML 2024 Pläne zur Entwicklung eines Hyper-NA-EUV-Spektrometers mit einer numerischen Apertur (NA) von über 0,55, beispielsweise 0,75 oder 0,85, an. ^{[ 371 ] [ 372 ]} Diese Geräte könnten jeweils 720 Millionen US-Dollar kosten und werden voraussichtlich ab 2030 verfügbar sein. ^{[ 35 ]} Ein Problem bei Hyper-NA ist die Polarisation des EUV-Lichts, die zu einer Verringerung des Bildkontrasts führt. ^{[ 371 ] [ 373 ]}

Eine deutlich kürzere Wellenlänge (~6,7 nm) läge jenseits des EUV-Bereichs und wird oft als BEUV (jenseits des extremen Ultravioletts) bezeichnet. ^{[ 374 ]} Mit der aktuellen Technologie würden BEUV-Wellenlängen stärkere Schrotrauschen-Effekte hervorrufen, ohne eine ausreichende Dosis zu gewährleisten. ^{[ 375 ]} (Die allgemein anerkannte Grenze des UV-Bereichs liegt bei 10 nm, unterhalb derer der (weiche) Röntgenbereich beginnt.)