이 프로토콜은 사용자가 극자외선(EUV) 및 신흥 Blue-X 리소그래피에서 주석 이물질 제어를 달성하기 위한 통합 시뮬레이션 프레임워크를 통해 안내하고, 운동학 모델링, 볼츠만 수송 방정식(BTE), 밀도 함수 이론(DFT) 기반 방법을 통합하여 이온 상호작용과 수소 보조 세척을 평가하는 것을 목표로 합니다.
Method Article
이 프로토콜은 사용자가 극자외선(EUV) 및 신흥 Blue-X 리소그래피에서 주석 이물질 제어를 달성하기 위한 통합 시뮬레이션 프레임워크를 통해 안내하고, 운동학 모델링, 볼츠만 수송 방정식(BTE), 밀도 함수 이론(DFT) 기반 방법을 통합하여 이온 상호작용과 수소 보조 세척을 평가하는 것을 목표로 합니다.
이 프로토콜은 대표적인 결과를 보여주는 개념적이고 통합된 모델링 프레임워크로, 사용자에게 볼츠만 수송 방정식(BTE), 입자-인-셀(PIC), 그리고 운동 시뮬레이션을 결합하여 극자외선(EUV) 리소그래피에서 주석(Sn) 잔해 완화를 연구하는 방법을 안내합니다. 프로토콜에는 Mo/Si 다층 미러(MLM)의 반사율, 스퍼터 수율, 이식 깊이, 운동학 모델링, BTE 계산이 포함됩니다. BTE 및 PIC 시뮬레이션은 수소 플라즈마의 전자 에너지 분포 함수(EEDF)를 해소하고, 다양한 플라즈마 조건에서 고에너지 Sn 이온의 생성 및 가속을 분석하는 데 사용됩니다. 수소 흐름이 이온 감속과 방사선 효율에 미치는 영향도 정량화되었습니다. SnxHy 종의 이온화 단면과 해리 채널을 바탕으로, Sn-H 충돌의 상호작용 전위는 밀도 함수 이론(DFT) 방법을 사용하여 이식 깊이를 계산합니다. 또한, MLM의 Sn 이물질과 MLM 내 Ru 코팅 간 상호작용에서 발생하는 MLM 반사율과 스퍼터 수율은 반경험적 공식을 사용하여 계산됩니다. 이 프로토콜을 따르면 사용자는 스퍼터 수율, 주입 깊이, MLM 반사율, 다양한 수소 플라즈마 EEDF 하에서의 SH4 형성 등 Sn 파편 제어와 관련된 주요 물리적 매개변수를 얻을 수 있습니다. 이러한 결과물은 EUV 리소그래피 시스템에서 오염, 세척, 검출 공정을 체계적으로 평가할 수 있게 합니다.
극자외선 리소그래피(EUVL)는 집적 회로 소형화를 진전시키는 최첨단 기술로, 2nm 미만의 특징 파운팅을 가능하게 합니다. 일반적인 EUV 소스에서는 주석(Sn) 미세방울이 먼저 Nd:YAG 레이저의 프리펄스로 기화되고 이온화되며, 생성된 플라즈마 구름은 10.6 μm에서 작동하는CO2 레이저에 의해 재가열되어 EUV 방사선을 생성하며, 이는 Mo/Si 다층 거울(MLM)1,2에 의해 수집됩니다. ASML이 개발한 상용 시스템의 경우, 전원 전력은 대량 생산에 충분한 수준에 도달했습니다. 그럼에도 불구하고, 특히 중국에서의 연구는CO2 레이저 생성 Sn 플라즈마의 효율 향상에 계속 집중하고 있습니다.
EUV 광원의 주요 과제 중 하나는 고에너지 Sn 이온의 생성입니다. 고강도CO2 레이저 펄스로 Sn 방울을 조사하면 keV 범위의 에너지를 가진 이온이 생성되며, 이는 다층 거울(MLM)을 손상시키고 시스템 수명을 단축시킬 수 있습니다. 이온에 의한 손상을 줄이기 위해 수소(H-2)가 완충 가스로 널리 사용됩니다. 충돌 감속을 통해H2는 Sn 이온 수송을 완화하고 광학 부품에 도달하는 이물질을 줄입니다. 따라서 신뢰할 수 있는 제동 데이터와 Sn–H 상호작용의 정확한 모델은 소스 효율성과 내구성 최적화에 매우 중요합니다 5,6,7.
또 다른 중요한 문제는 진공 챔버 내 표면, 특히 플라즈마 근처에 위치한 집전기 거울에 Sn 조각이 침착되는 것과 관련이 있습니다. 얇은 Sn 코팅도 EUV 반사율을 낮추고 광학 성능과 작동 안정성을 저하시킵니다 8,9,10. 실용적인 산업 해결책으로는H2를 배경 가스11로 연속적으로 주입하는 방법이 있습니다. 이 방법에서는 수소 라디칼이 다음 발열 반응을 통해 Sn 코팅을 식각하여 휘발성 스탄난(SnH4)을 생성하고, 이를 펌핑으로 제거합니다.
Sn(s) + 4H(g) → SnH4(g),
이 방법은 Sn 제거를 향상시키는 데 효과적이지만, 새로운 합병증을 초래합니다. H-2 플라즈마 해리에서 생성된 수소 라디칼은 SnH4의 사슬 분해를 유도하여 Sn을 재생하고 2차 오염을 유발할 수 있습니다. 이러한 공정은 세척 효율을 떨어뜨리고 거울 안정성과 광학 성능을 저해할 수 있습니다. 따라서 주석 수소화물의 형성, 분해, 표면 상호작용에 대한 상세한 이해는 수소 기반 세척 방법 개선에 필수적입니다. 최근 표면 연구는 주석 수소화물과 그 중간체를 특성화하여 오염 경로를 정확히 식별하고 Sn재침착을 억제하는 데 매우 중요함을 강조합니다.
이러한 노력에도 불구하고, Sn–H 플라즈마 화학의 핵심 측면은 여전히 충분히 특성화되지 못하고 있습니다. 특히, EUV 관련 플라즈마 조건 하에서 Sn-H 종(예: Sn2H2 및 SnHx)의 구조, 반응성, 단편화, 형성/해리 속도는 직접적인 실험적 검증이 부족하다13. 더불어, Sn-H 플라즈마의 부작용 경로, 그 발생 확률을 결정하는 요인, 부작용의 임계 임계값, 장기 작동 안정성에 대해서는 체계적으로 조사되지않았습니다.
이 문제들을 종합해 보면, 원자물리학 및 분자 물리학, 플라즈마 물리학, 양자화학 관점에서 플라즈마-표면 상호작용에 대한 근본적인 연구가 필요함을 강조합니다. 기존 모델링 접근법은 일반적으로 Sn 이온 생성,H-2 의 고에너지 Sn 이온에 대한 차단력, 이온-표면 상호작용 등 Sn 이물질 제어의 고립된 측면만 다루므로, 오염-청소-검출 전체 과정을 포착하지 못합니다. 이러한 한계를 해결하기 위해 입자-인-셀(PIC) 시뮬레이션, 볼츠만 수송 방정식(BTE) 분석, 밀도 함수 이론(DFT), 운동 모델링을 결합한 통합 시뮬레이션 프로토콜을 개발하고자 했습니다. 극자외선(EUV) 광원 연구는 레이저-물방울, 레이저-플라즈마, 플라즈마-플라즈마, 플라즈마-가스 상호작용 등 여러 결합 과정을 포함합니다. 이 프로토콜은 유체역학, 입자-인-셀(PIC), 밀도 함수 이론(DFT) 방법을 결합한 통합 시뮬레이션 프레임워크를 설명하여 주석(Sn) 잔해 완화와 수소 정화를 모델링합니다. 이 프로토콜은 Sn 잔해 생성, 운송, 표면 상호작용 및 수소 보조 완화를 위한 통합되고 재현 가능한 워크플로우를 제공합니다. 다음 절에서는 이 방법론의 단계별 구현을 자세히 설명합니다.
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참고: 유체, 운동학, 양자화학 접근법의 통합을 포함한 전체 워크플로우를 포함합니다. 작업 흐름은 그림 1 (빨간 박스에 강조됨)에 나와 있습니다.

그림 1. 극자외선 리소그래피용 통합 시뮬레이션 프레임워크 개략도. 약어: MLM = 다층 거울; PIC = 입자-인-셀; BTE = 볼츠만 수송 방정식; EEDF = 전자 에너지 분포 함수. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
1. MLM 반사율 시뮬레이션




그림 2. Ru 캡핑층의 두께가 다양한 Mo/Si 다층의 반사율. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
2. 스퍼터 수율 계산





그림 3. 스퍼터 수율 계산을 위한 파이썬 스크립트입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 4. 야마무라 공식용 파이썬 스크립트. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 5. Ru에서 Ar, Ru에서 Sn이 계산된 퍼터 수확량입니다. 왼쪽: 루; 오른쪽: Sn in Ru. Yamamura 등의 2.1단계에서 설명한 공식이 사용되었다. 현재 시뮬레이션과 Wu 등(26 ), Laegreid 등(등)의 시뮬레이션 간 비교가 수행되었다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
3. 이식 깊이 시뮬레이션


| C1 | C2 | C3 | d1 | d2 | D3 |
| 0.19095 | 0.47367 | 0.33538 | 0.27854 | 0.63717 | 1.91925 |
표 1: KrC 퍼텐셜에 관여하는 매개변수 ci와 di.

그림 6. 이식 깊이 계산을 위한 파이썬 스크립트입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 7. Ru-Mo-Si 다층 거울에 Sn 이온의 주입 깊이를 계산했습니다. 왼쪽: 2.0 keV(노란색)와 3.0 keV(파란색) 두 입사 에너지에서 10,000개의 입사 Sn 이온의 주입 깊이 분포; 오른쪽: 프로토콜 3.1단계에서 설명된 RustBCA에서 구현된 KrC 전위로 계산된 평균 Sn의 이식 깊이. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
4. 제동력 계산
5. SnH4 형성 및 분해
참고: SnH4의 형성 및 분해에 대한 상세한 동역학적 연구는 여러 단면과 반응 속도 간의 Sn-H 간의 측정이 필요합니다. 이전에는 스탄인21의 전자 충격 이온화와 파편화, 반응률 XH4+H→XH3+H2,SnH 4+SnH→Sn2H3+H2, SnH4+SnH→Sn2H522,23이 보고된 바 있습니다. 그러나 SnH4의 플라즈마상 형성과 다양한 물질과의 상호작용 및 반응 메커니즘은 아직 완전히 규명되거나 이해되지 않았습니다. 따라서 스탄난 화학과 관련 분해 경로에 대한 실험 연구는 여전히 부족해12,24 추가 연구의 필요성을 강조한다.

그림 8. Sn+H2→SnH2의 반응 속도와 에너지 장벽. 왼쪽: 반응률 상수 Sn+H2→SnH2; 오른쪽: 반응 경로를 위한 에너지 장벽(모든 회색 원자는 수소를, 파란색 원자는 Sn을 나타냅니다). 계산은 가우시안 16으로 수행됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
| 반응 | 제품 | ΔH | ΔG | ΔE |
| Sn+H2→SnH2 | SnH2 | -24.71 | -19.13 | 17.87 |
표 2: 298.15 K 및 1 기압에서 세 반응 채널의 반응 엔탈피(H), 깁스 자유 에너지(G), 퍼텐셜 장벽(E)(kcal/mol).
| 아레니우스 매개변수 | 방법 | 반응 |
| Sn+H2→SnH2 | ||
| A | TST | 2.50×10-13 |
| TST/위그너 | 1.13×10-13 | |
| TST/에카르트 | 1.45×10-29 | |
| n | TST | 0.85 |
| TST/위그너 | 0.93 | |
| TST/에카르트 | 5.56 | |
| Ea(kJ/mol) | TST | 68.99 |
| TST/위그너 | 65.3 | |
| TST/에카르트 | 30.4 | |
| k(298K)(cm3 mol-1 sec-1) | TST | 2.72×10-23 |
| TST/위그너 | 8.94×10-23 | |
| TST/에카르트 | 1.03×10-21 |
표 3: 180에서 2000 K 온도 범위 내 Sn+H2→SnH2 반응의 아레니우스 매개변수.

그림 9. SnH2+H2→SnH4의 반응 속도와 에너지 장벽. 왼쪽: 반응 속도 상수 SnH2+H2→SnH4; 오른쪽: 반응 경로를 위한 에너지 장벽(모든 회색 원자는 수소를, 파란색 원자는 Sn을 나타냅니다). 계산은 가우시안 16으로 수행됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
| 반응 | 제품 | ΔH | ΔG | ΔE |
| SnH2+H2→SnH4 | SnH4 | -26.5 | -32.81 | 26.26 |
표 4: 298.15 K 및 1 기압에서 세 반응 채널의 반응 엔탈피(H), 깁스 자유 에너지(G), 퍼텐셜 장벽(E)(kcal/mol).
| 아레니우스 매개변수 | 방법 | 반응 |
| SnH2+H2→SnH4 | ||
| A | TST | 3.73×10-17 |
| TST/위그너 | 1.23×10-17 | |
| TST/에카르트 | 1.29×10-37 | |
| n | TST | 1.55 |
| TST/위그너 | 1.67 | |
| TST/에카르트 | 7.5 | |
| Ea(kJ/mol) | TST | 136.39 |
| TST/위그너 | 132.94 | |
| TST/에카르트 | 90.83 | |
| k(298K)(cm3 mol-1 sec-1) | TST | 3.39×10-37 |
| TST/위그너 | 9.33×10-37 | |
| TST/에카르트 | 6.56×10-36 |
표 5: 180에서 2,000 K 온도 범위 내 SnH2+H2→SnH4 반응의 아레니우스 매개변수.
6. 전자 에너지 분포 함수(EEDF) 계산
참고: 볼츠만 수송 방정식
이온화된 기체 내 전자 앙상블에 대한 볼츠만 방정식은 다음과 같습니다.

여기서 f 는 6차원 위상 공간 내 전자 분포, v 는 속도 좌표, e 는 기본 전하, m 은 전자 질량(9.10956 × 10-31kg ), E 는 전기장,
는 속도-기울기 연산자, C 는 충돌로 인한 f 의 변화율을 나타냅니다.

그림 10. BOLSIG+ 소프트웨어의 그래픽 인터페이스. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
7. Sn–H 플라즈마 화학의 운동 운동 모델링
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스퍼터링 수율 보정 및 검증
보정 단계로서 Ru 내 Ar 원자의 스퍼터 생성율을 계산하세요. 이 스퍼터 수율은 프로토콜 단계 2.1(야마무라 모델)의 출력을 나타냅니다. 결과는 그림 5 (왼쪽)에 나와 있습니다. Wu 등26 과 Laegreid 등27 이 보고한 실험 데이터는 대체로 일관성이 있다. 본 모델의 이론적 결과는 80 eV 이상의 입사 에너지에서의 실험 측정과 좋은 일치를 보입니다. 저입사 에너지(<40 eV)에서는 Wu 등의 데이터와의 상대적 편차가 약 60%에 달한다. 이 비교는 프로토콜 2.4의 올바른 실행을 확인하는 검증 체크포인트 역할을 합니다.
이 보정을 바탕으로 Ru에 입사한 Sn 이온의 스퍼터 수율이 그림
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볼츠만 수송 방정식(BTE), 입자-인-셀(PIC), 운동 시뮬레이션을 결합한 통합 방법론은 극자외선(EUV) 리소그래피에서 주석(Sn) 잔해 저감을 조사하는 통합된 틀을 구축합니다. 구체적으로, 유체 시뮬레이션은 플라즈마 매개변수—밀도와 온도—를 산출하며, 이를 PIC 프로그램에 통합하여 SnxHy 분자의 시공간적 분포를 얻을 수 있습니다. 이 PIC 결과와 DFT/TST 계산에서 얻은 반응률을 결합함으로써 Sn-H 종의 완전한 동역학적 조사가 가능하다. 이 다중 규모 접근법은 플라즈마 속도론, 이온 수송, 표면 반응의 동시 모델링을 가능하게 하며, 이는 원천 효율성과 내구성 향상에 필수적입니다. 정확한 단면과 반응 속도 수집에 대한 최근 진전은 Sn–수소 시스템의 현실적인 동역학 시뮬레이션에 견고한 토대를 제공합니다.
여러 대표적인 결과가 이 프로토콜의 신뢰성을 확인시켜 줍니다...
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저자들은 공개할 이해 상충이 없습니다.
중국국가자연과학기금(National Natural Science Foundation of China)의 지원금(Grant No.12374231)에 감사드립니다.
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 볼시그+ | 플라즈마 및 에너지 변환 실험실, 폴 사바티에 대학교 | 2025년 4월 24일에 업데이트된 버전입니다 | |
| 가우시안 | 가우시안 주식회사 | 가우시안 16 | |
| 러스트BCA | 일리노이 대학교 어배너-샴페인 캠퍼스 원자력, 플라즈마 및 방사선공학과 | 1.2.0 |
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