一种适用于EUV光刻的Mo/Si多层膜反射镜制备方法

一种适用于euv光刻的mo/si多层膜反射镜制备方法
技术领域
1.本发明属于极深紫外(euv)光刻领域，特别提供了一种适用于euv光刻的mo/si多层膜反射镜的制备技术。具体来说，即是以直流磁控溅射技术制备mo/si多层膜，利用直流磁控溅射技术对溅射功率的精确控制实现单层薄膜厚度的调制，并通过磁控溅射腔体中mo和si源顶端的挡板连续切换控制来实现mo、si周期性交替生长。生长过程中通过时间来精确调控mo和si层的生长厚度，从而得到厚度精确、平均粗糙度低、高反射率、界面清晰的mo/si多层膜反射镜。


背景技术：

2.光刻是集成电路制造工艺中最关键的技术之一，决定了电子设备向小型化、微型化、高集成度方向发展的上限。目前，集成电路工艺中应用最广泛的193nm波长的光刻系统已经接近光刻设计的极限，进一步提升该系统的光刻工艺将会大大地增加光刻系统设计的复杂程度，从而使得光刻的成本急剧上升。而工作波长为13.5nm的极深紫外光刻系统可以极大地减小工艺因子以及物镜数值孔径的要求，因此极紫外光刻有望成为最优的解决方案，大力推动极紫外光刻技术的发展有助于我们进一步地提高光刻工艺的分辨率，实现更大密度的元件集成。
3.因此具有更高分辨率、有利于极大提高元器件集成密度的euv光刻系统吸引了一众研究者的目光。由于几乎所有的材料对极紫外光都有极强的吸收特性，因此只有反射式光刻系统可以实现建立euv光刻系统，而在反射式光刻系统中，如何降低材料对极紫外光的损耗，仍然是一个亟待解决的问题。极紫外光几乎能够被所有已知光学材料强吸收的特性决定了euv光刻系统无法直接采用传统的折射式光学系统，所以euv光刻系统的照明系统、掩模以及投影物镜均采用反射式设计。而传统的光学材料制作的反光镜会对极紫外光有极大的损耗，通过选择两种对极紫外光具有高低折射率的材料(通常为mo、si)，建立多层膜结构，在满足布拉格衍射的条件下可以实现极紫外光强的相干叠加，从而实现多层膜对极紫外光高反射的功能。然而，这种解决方案仍存在以下缺点：制备出来的多层膜的膜层之间很容易发生扩散现象﹐使多层膜结构丧失。在多层膜内部存在与入射波传播方向相同和相反的两种电磁波﹐并且这两种波具有很强的相干性，并且能够形成驻波从而产生对极紫外光的损耗。传统镀膜手段难以实现周期性交替镀膜时对膜厚的精确控制。目前最常用的蒸发镀膜手段在沉积过程中会形成岛状结构，不断阻碍沉积原子沉积到周围的空位中，从而使得薄膜内部孔隙结构增多，导致薄膜对极紫外光的反射率降低。
4.因此,设计一种具有高反射率的mo/si极紫外多层膜的结构并研发一种简单易行、可重复性高且能够实现周期性交替镀膜时对膜厚精确控制的mo/si多层膜制备方法,是科研工作者们的当务之急。


技术实现要素：

5.本发明目的是，提出一种使用直流磁控溅射在高真空，最优的溅射参数组合下周
期性交替生长mo/si多层膜样品的方法，从而使其能更好地满足euv光刻反射镜多层膜的要求。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案是，一种适用于euv光刻的mo/si多层膜反射镜制备方法，采取直流磁控溅射方法在凸面镜上生长mo/si周期性多层膜，凸面镜在直流磁控溅射生长腔中做溅射处理以清洁表面吸附气体和使得样品表面平整，从而得到高质量的样品，溅射清洗功率为5-10w，溅射清洗时间为5-10分钟；mo，si均由高能ar

轰击进行溅射，通过分别控制直流溅射功率来控制两种元素的沉积速率；通过磁控溅射腔体中，mo和si源顶端的挡板连续切换控制实现mo/si周期性交替生长，最后一层生长1.5nm的si层进行覆盖防止氧化。磁控溅射腔体中需要有石英晶体振荡器作为原位的沉积速率定标手段。
7.进一步的，直流磁控溅射腔室背景真空度需达到10-7
torr量级。mo、si溅射生长时，凸面镜需保持5rpm的自转速度，无公转。
8.进一步的，mo、si溅射生长时，凸面镜与靶材之间的距离需保持在100mm。
9.进一步的，从两个靶材溅射出的粒子能均匀沉积到同一生长位置的凸面镜表面。
10.进一步的，mo靶的直流溅射功率为10w,si靶的直流溅射功率为20w。
11.进一步的，磁控溅射腔体中需要可以通以纯氩气的通气管道。
12.进一步的，通入磁控溅射腔体内的氩气的纯度应当达到99.99％，mo，si两元素的溅射压强需控制在7mtorr左右。
13.有益效果：本发明利用直流磁控溅射方法在凸面镜上生长了40个周期层的mo/si多层膜，每一周期中，mo层厚度为2.76nm，si层厚度为4.13nm，最终生长1.5nm si覆盖层以防止样品的氧化。在生长过程中通过磁控溅射腔体mo和si源顶端的挡板连续切换控制来实现mo、si周期性交替生长。利用晶振装置标定mo和si源在一定功率、转速和真空度下的生长速率，并通过控制溅射时间分别来调节mo层和si层的生长厚度。生长结束之后，通过原子力显微镜(afm)来观测mo/si多层膜的表面粗糙度，以此来衡量其应用在euv光刻系统反射镜中的反射效率。该方法膜厚控制精确、简单易行、可重复性高，且依据该方法制得的薄膜具有性质稳定、分界面清晰、粗糙度极低且反射率较高的优点。本发明中涉及到的样品结构依次包括凸面镜，mo/si周期性多层膜和si保护层。
附图说明
14.图1是本发明所涉及到的样品凸面镜结构示意图；
15.图2是本发明所涉及到的样品微观结构示意图；
16.图3是本发明所用的磁控溅射系统示意图；
17.图4(a)(b)(c)三图是本发明所涉及到的样品不同区域的原子力显微镜(afm)图像。平均表面粗糙度约为0.4nm。
具体实施方式
18.总的来说，本发明是使用直流磁控溅射生长系统来制备mo/si多层薄膜，通过设计极紫外多层膜的周期结构和精确控制多层膜生长条件来获得低粗糙度、高反射率的euv多层膜反射镜。
19.对于应用于euv光刻系统反射镜的mo/si多层膜结构，反射率是其最重要的性能指
标之一。结构决定性能，周期性多层膜的设计，包括单层膜的厚度、周期厚度以及生长层数的选择将直接影响到其性能。因此，要获得具有高反射率的euv光刻系统反射镜，对周期性多层膜科学合理的设计是首要任务。
20.各个mo、si单层膜厚度是根据两个条件来确定:(1)使反射光干涉最强；(2)对极紫外光的吸收最小。对极紫外具有高低反射率材料堆叠在一起，形成的薄膜的周期性结构满足bragg衍射条件时，入射光在两种不同材料薄膜界面上的反射波会形成相干叠加效应，使多层膜的反射率提高。
21.在mo/si多层膜中，mo层为吸收层，si层为间隔层。薄膜厚度为d，入射波长为λ，掠入射角为θ时，由bragg公式可得：
[0022][0023]
m为bragg衍射级数，θ为掠入射角，为两种材料折射率实部的加权平均值：
[0024][0025]
d为一个周期中mo层和si层厚度之和，也称周期厚度：
[0026]
d＝ta ts[0027]
γ为吸收层厚度与周期厚度的比值，也称比率：
[0028][0029]
γ的值越大，膜层中的应力效应越大，应力效应会导致表面粗糙度增大，从而影响光的收集和透射。
[0030]
多层膜的结构由四个参数描述：材料对、周期数(n)、周期厚度(d)、比率γ。
[0031]
针对中心波长为13.0nm的mo/si多层膜,我们取：
[0032]
1.材料对：mo作为吸收层，si作为间隔层；
[0033]
2.mo/si多层膜样品膜的周期厚度d为工作波长的0.51倍，3.5
×
0.51＝6.89nm；
[0034]
3.γ＝0.4，其中mo层2.76nm,si层4.13nm；
[0035]
4.周期数n可取30-50，在本发明中优选n＝40；
[0036]
取以上mo/si多层膜结构设计参数时，可以达到使得反射光干涉最强和对紫外光吸收最小的目的。
[0037]
此外，对于应用于euv光刻系统反射镜的mo/si多层膜结构，即使多层膜的厚度存在零点几个纳米的偏差，都会使工作波长位于多层膜的反射率通带之外，从而极大地降低多层膜对极紫外光的反射。因此，多层膜膜厚的控制是euv光刻系统反射镜多层膜制备的重中之重。而精确地控制多层膜中单层薄膜厚度的关键在于得出各单一元素在最佳的溅射参数下的沉积速率。
[0038]
我们利用上海实路真空技术工程有限公司定制的磁控溅射设备，在凸面镜上生长40周期层的mo/si多层膜，每周期层厚度为6.89nm，其中mo层厚度为2.76nm，si层厚度为4.13nm，最后在薄膜上沉积厚度1.5nm的si层作为防氧化的覆盖层。
[0039]
在本发明中，各靶材在所选的溅射参数组合下的沉积速率是由石英晶体振荡器完
成定标的。我们通过调节溅射功率来调整沉积速率，固定mo的沉积速率在固定si的沉积速率在并通过磁控溅射腔体中，mo和si源顶端的挡板连续切换控制来实现周期性交替镀膜。同一工艺参数下溅射镀膜装置的沉积速率十分稳定,由此我们可以通过控制沉积时间来精确控制mo层及si层的厚度。
[0040]
在本发明中，凸面镜规格为ф101.6*7.23mm，总体厚度为16.45mm，凹陷高度约为9mm，材质为jgs1。将凸面镜装入磁控溅射设备前，我们首先对凸面镜进行表面清洁处理，具体方法是将凸面镜依次放入丙酮、异丙醇、去离子水中各超声10分钟；然后放入去离子水清洗掉表面吸附的溶剂，再在加热台上以180℃的温度烘干，最终装入磁控溅射设备的样品准备室。待样品准备室真空达到10-7
torr量级后再将凸面镜传入磁控溅射生长腔，调节其位置至生长位置。在生长样品前，我们先利用位于凸面镜后方的样品加热灯丝将凸面镜加热至300℃维持5分钟以去除凸面镜表面吸附的气体及水分。
[0041]
然后使用磁控溅射表面清理功能使表面平整，以此来获得高品质的多层膜。清洗完毕后，先打开mo源顶端的挡板并确认si源顶端的挡板处于关闭状态，调整生长高度为100mm，溅射压强7mtorr(ar2,99.99％)，凸面镜自旋转速为5rpm且无公转，设置mo靶的溅射功率为dc10w，生长1min25s，获得第一层厚度为2.76nm的mo层；然后关闭mo源顶端的挡板并打开si源顶端的挡板，整生长高度为100mm，溅射压强7mtorr(ar2,99.99％)，凸面镜自旋转速为5rpm且无公转，设置si靶的溅射功率为dc20w，生长1min42s，获得第一层厚度为4.13nm的si层。至此，完成第一周期层的沉积，由此再重复39次上述操作。在最后一次沉积si薄膜时，调整溅射时间为2min 30s以期在多层膜顶端覆盖一层1.5nm厚的si防氧化层。
[0042]
在本发明中，我们通过晶振装置标定mo和si源在最优溅射参数下的生长速率，并利用台阶仪测试所得样品的厚度，将之与晶振装置所给出的数据对比，进一步地修正晶振装置的参数，之后通过控制时间来控制mo层和si层的生长厚度，以此来达到精确控制单层薄膜的厚度。我们固定mo的沉积速率为si的沉积速率为对应的mo靶溅射功率为10w，si靶溅射功率为20w，溅射气压为7mtorr(ar2,99.99％)，生长高度为100mm，自转速度控制为5rpm且无公转。并通过磁控溅射腔体中，mo和si源顶端的挡板连续切换控制来实现周期性交替镀膜。
[0043]
由于极紫外多层膜的粗糙度直接影响到多层膜的反射率，且利用原子力显微镜(afm)可以精确地直接测得多层膜表面得粗糙度，因此极紫外多层膜表面的粗糙度成为了衡量其反射率高低的评价标准之一。一般而言，要实现euv光刻系统反射镜多层膜对极紫外光的高反射，其表面粗糙度要低于0.7nm。
[0044]
在本发明中，图4展示了在样品凸面镜上不同区域截取的原子力显微镜图像，由图可见所得的样品凸面镜上mo/si多层膜的平均粗糙度约为0.4nm，表面比较平滑，因此可见其具有较高的反射率，符合应用于euv光刻系统反射镜的标准。表明本发明通过直流磁控溅射获得的mo/si反射镜多层膜有助于提高euv光刻系统的反射率。