解读EUV光刻机专利（二）台积电的21EUV光源设计

　　一一发明专利，通常带有超前的概念、设计、思想，却常常用大众化能理解的语言描述。希望这个13.5纳米EUV光刻机专利的系列解读，可以为大家带来或新鲜的、或有趣的、或深刻的科技知识。
　　今天要讲的是2018年台积电发表的一篇很有趣的EUV光源设计的专利： EUV源生成方法及相关系统
　　美国专利申请 No.US2018/0317309 A1
　　图1：台积电的EUV光源生成方法及相关系统的专利申请首页概要：如何提升EUV光源功率？
　　台积电这篇专利是基于2017年的Provisional application(临时专利申请文件) 而发表的。2017年是ASML发布250W商用EUV光源的年份。而此前提升EUV光源的功率仍是业界最关注的核心问题之一--这是涉及到大批量量产的关键技术。由此可见，当初，台积电也是非常关注这一技术。
　　那么台积电这篇专利是描述一个什么样的方案呢？
　　我们从专利的摘要主图就可以看到（图2），这是一个2+1的EUV激发系统 ，包括了：
　　1st Pre-pulse + 2nd Pre-pulse + Main pulse
　　图2：台积电设计的2+1EUV光源激发系统
　　专利中如此描述：＂本公开的实施例之一描述了一种方法，该方法包括使用第一预脉冲激光束照射极端紫外线(EUV)容器内的液滴以形成重新形状的液滴。在各种实施例中，然后通过使用第二预脉冲激光束照射重组液滴而形成种子等离子体。此后，在某些情况下，种子等离子体是通过利用主脉冲激光束照射种子等离子体来产生EUV光来加热的。  ＂
　　也就是说在射流Sn液滴进入激发点之前（MP Focus）,在第一聚焦点位置（PP Focus）加上第一个激光脉冲；再在Sn液滴进入MP Focus点时，加上第二个激光脉冲，并紧接着施加20kW以上的主激光脉冲激发出高功率EUV光源。创新：从AMSL的＂1+1＂到＂2+1＂
　　看过我之前介绍EUV光源的文章的朋友可以非常清楚，EUV光源技术发展历史上，有三大技术革新：
　　1，射流Sn液体控制技术；
　　2，预脉冲Pre-pulse技术；
　　3，二氧化碳激光器高功率MOPA系统；
　　我们知道ASML和Gigaphoton采用的Pre-pulse是1+1方案：1 Pre-pulse + 1 Main pulse 。
　　图3：EUV光源的预脉冲pre-pulse+主脉冲main pulse设计方案示意图
　　难道台积电的2+1设计仅仅是外观上增加了一个小的部分吗？
　　我在台积电在专利中，看到了关于1+1方案和2+1方案的理论框架描述（图3）：
　　1，1+1的方案中，PP是一个＂Multi-photon ionizatoin＂多光子电离过程 ；
　　2，2+1方案，双PP是一个＂Tunneling ionization＂（隧穿电离）过程 。
　　图4：台积电专利中对比了1+1方案和2+1方案
　　台积电在专利中认为：
　　1，1+1的光场电离，提供电子-离子碰撞，其中这种过程的时间尺度可能远小于激光脉冲的持续时间。因此，可能限制了EUV激发效率；
　　2，2+2方案则可以提供对第二预脉冲的功率、持续时间和延迟的控制(例如调谐)；在某些情况下，第二预脉冲可以实现为单个脉冲或作为脉冲序列。此外第一预脉冲、第二预脉冲和主脉冲的每一个都可以由相同或不同的激光源产生。因此， 2+1的设计提供了增强等离子体种子形成以及提高等离子体加热效率 。
　　从我的理解来看，这种2+1的设计的确是一个很好的思路，概念设计上也很优秀，理论上也做了一些合理的推论。但是台积电始终没有在专利中提到任何的实例以及实际测试效果，所以2+1系统是否能达到预期的高功率提升目标，我们不得而知。希望有机会在不久的将来可以看到实际的突破。结语
　　从1+1到2+1，是一个非常有趣的现象。当然，理论上你可以设计3+1,4+1，或N+1，看似非常稀松平常。
　　上次聊到中芯国际的专利，是把光源系统的喷射头从1拓展为N；而台积电这篇专利，是把预脉冲从1拓展N。这里面涉及科技发展和企业竞争之间非常有趣的现象。
　　单从技术拓展性来做一个比较的话，将喷射头从1拓展为N，意味着引入复杂的机械控制系统，在高频工作系统下这无疑会带来巨大的可靠性隐患。而多一个激光预脉冲，由于激光脉冲的高稳定、高可控性，不仅没有给系统带来巨大的复杂度，而且提供了指数级的有机会提升EUV光源性能的变量，从工程上而言，也是一个非常好的想法！
　　朋友们怎么看呢？欢迎讨论交流。参考
　　https://www.freepatentsonline.com/y2018/0317309.html