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研究者与机构及发表信息
本研究的主要作者包括Daisuke Bizen、Shunsuke Mizutani、Makoto Sakakibara、Makoto Suzuki和Yoshinori Momonoi，他们分别隶属于日立有限公司（Hitachi, Ltd.）和日立高新技术公司（Hitachi High-Technologies Corp.）。该研究于2019年在《Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS》期刊上发表，标题为“CD Metrology for EUV Resist Using High-Voltage CD-SEM: Shrinkage, Image Sharpness, Repeatability, and Line Edge Roughness”。

学术背景
这项研究属于半导体制造技术领域，具体聚焦于极紫外光刻（Extreme Ultraviolet Lithography, EUV）中光刻胶的临界尺寸（Critical Dimension, CD）测量方法。EUV光刻技术自2019年起被引入用于先进半导体器件的大规模生产，但其CD测量面临一些挑战。其中，电子束照射引起的光刻胶收缩（shrinkage）是一个关键问题。相较于传统的浸没式氟化氩光刻（Immersion Argon Fluoride Lithography, IARF），EUV光刻中的光刻胶收缩比例显著增加。此外，EUV光刻的图案尺寸更小，对空间分辨率的要求更高。因此，本研究旨在探索一种兼容低收缩率和高空间分辨率的CD-SEM（Critical Dimension Scanning Electron Microscopy）测量方法，通过使用高能初级电子（Primary Electrons, PEs）来解决这一问题。

研究流程
本研究分为多个步骤，详细描述如下：

1. 模拟与实验设计

   • 使用蒙特卡罗（Monte-Carlo, MC）模拟研究PEs在EUV光刻胶及其下层材料（如旋涂碳SOC和旋涂玻璃SOG）中的能量损失。模拟模型基于实验样品的实际尺寸，PEs的能量分别为200 eV、800 eV和4000 eV，剂量为1000 μC/cm²。
     
   • 实验部分使用了由IMEC提供的EUV光刻胶图案，其尺寸与模拟模型一致。PEs的能量从200 eV到4000 eV不等。为了减少表面电荷对测量结果的影响，采用了一种新的收缩测量方法。该方法首先在低能量和低剂量条件下（200 eV，28 μC/cm²）获取初始CD值，然后调整PEs的能量进行照射以引发收缩，最后再次在低能量和低剂量条件下获取最终CD值。
     

2. 评估指标与实验条件

   • 评估指标包括光刻胶收缩率、图像锐度（sharpness）、对比噪声比（Contrast-to-Noise Ratio, CNR）、重复性（repeatability）以及线边缘粗糙度（Line Edge Roughness, LER）。
     
   • 实验设备为CG6300型CD-SEM，探针电流为8 pA，放大倍数为300k×或80k×。LER测量时，帧数设置为32帧，并通过去除功率谱密度（Power Spectral Density, PSD）中的白噪声成分来提高数据准确性。
     

3. 数据分析流程

   • 对模拟结果进行分析，观察不同能量PEs在光刻胶和下层材料中的能量分布情况。
     
   • 对实验数据进行统计分析，计算收缩率、图像锐度、CNR、重复性和LER的具体数值，并比较不同能量PEs的表现。
     

主要结果
1. 蒙特卡罗模拟结果
模拟结果显示，200 eV的PEs主要在光刻胶和SOG表面发生能量损失；800 eV的PEs则在光刻胶和SOG内部发生能量损失；而4000 eV的PEs主要在SOC和SOG层中发生能量损失。这表明，使用4000 eV的PEs可以有效减少光刻胶的收缩。

1. 收缩曲线与图像质量

   • 收缩曲线显示，在剂量为110 μC/cm²时，4000 eV的PEs引起的收缩最小，而800 eV的PEs引起的收缩最大。当剂量达到400 μC/cm²以上时，4000 eV和800 eV的PEs引起的收缩趋于一致，而200 eV的PEs引起的收缩最大。
     
   • 图像锐度随PEs能量的增加而提高，4000 eV的PEs提供了最清晰的图像，但CNR较低。
     

2. 重复性与LER测量

   • 在重复性方面，4000 eV的PEs在约0.15 nm和0.22 nm的重复性条件下表现出最低的收缩率，优于200 eV和800 eV的PEs。
     
   • LER测量结果显示，200 eV、800 eV和4000 eV的PEs在高频范围内的PSD略有差异，但总体LER值几乎相同。
     

结论与意义
本研究表明，使用4000 eV的高能PEs可以在EUV光刻胶的CD测量中实现低收缩率和高空间分辨率。尽管高能PEs可能会对下层材料造成电子辐照损伤，且收缩率可能因图案尺寸而异，但高压CD-SEM仍为EUV光刻大规模生产中的CD监测提供了一种解决方案。这项研究不仅在科学上验证了高能PEs在CD测量中的可行性，还为未来EUV光刻技术的发展提供了重要的技术支持。

研究亮点
1. 重要发现
- 高能PEs（4000 eV）能够显著减少光刻胶收缩，同时保持较高的图像锐度。
- 不同能量PEs的LER测量结果几乎一致，表明高能PEs不会显著影响线边缘粗糙度。

1. 方法创新

   • 提出了一种新的收缩测量方法，通过统一CD测量条件消除了表面电荷对结果的影响。
     
   • 使用蒙特卡罗模拟结合实验验证，系统地评估了不同能量PEs的性能。
     

2. 特殊性

   • 研究对象为EUV光刻胶，具有极高的分辨率要求，体现了研究的技术难度和前沿性。
     

其他有价值内容
研究团队还探讨了高能PEs在实际应用中的潜在问题，例如对下层材料的电子辐照损伤，以及如何优化测量条件以进一步提高精度。这些讨论为后续研究提供了方向。