極紫外光刻多層膜光學(xué)元件的表面狀態(tài)分析

極紫外光刻多層膜光學(xué)元件的表面狀態(tài)分析

1mo/si多層膜反射反射目前，該行業(yè)的設(shè)計(jì)通常引入了一系列多層膜反射光學(xué)構(gòu)件：（1）4個(gè)聚光鏡用于收集光源的極紫外輻射并聚焦曝光。（2）多層膜的反射覆蓋模型；（3）由四名或六位多層膜反射鏡組成的微縮投影光學(xué)系統(tǒng)。極紫外投影光刻系統(tǒng)采用的是中心波長為13.0nm的多層膜。這種膜通常由Mo、Si材料交替鍍制而成,類似于1/4波堆結(jié)構(gòu)。各個(gè)Mo、Si單層膜厚度是根據(jù)兩個(gè)條件來確定:(1)使反射光干涉最強(qiáng);(2)對(duì)光的吸收最小。在中心波長為13.0nm的Mo/Si多層膜中,周期膜厚為6.9nm,Mo層厚2.8nm,Si層厚4.1nm。為了確保極紫外光刻系統(tǒng)有足夠高的光學(xué)傳輸效率,一個(gè)重要指標(biāo)是要求其多層膜反射鏡應(yīng)具有盡可能高的正入射反射率。近幾年來,人們經(jīng)過不懈努力,已經(jīng)可以把Mo/Si多層膜反射率做到接近70%。這完全可以滿足極紫外投影光刻系統(tǒng)的要求。另一方面,為了達(dá)到極紫外微縮投影光學(xué)系統(tǒng)的近衍射極限的分辨率,該系統(tǒng)的RMS波像差應(yīng)小于工作波長的1/14,對(duì)應(yīng)于每個(gè)光學(xué)元件的面形精度要達(dá)到深亞納米級(jí)。一般情況下,在多層膜反射鏡光學(xué)基板上制備的多層膜內(nèi)都存在著殘余應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力是破壞光學(xué)基板的原始面形加工精度的最主要原因。據(jù)測(cè)量,在未施加任何控制的情況下,Mo/Si多層膜內(nèi)存在約-500Mpa的壓應(yīng)力。因此,把多層膜的殘余應(yīng)力控制到允許的范圍內(nèi)是十分重要的。本文將以Mo/Si多層膜為主,介紹多層膜殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因以及在不影響反射率的前提下其控制技術(shù)和測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,提出近期研究工作的設(shè)想。2薄膜殘余應(yīng)力的形成原因薄膜的形成過程分為四個(gè)基本階段:(1)島狀階段;(2)聚結(jié)階段;(3)溝渠階段;(4)連續(xù)階段。在成膜的初始階段,當(dāng)薄膜僅含有一些孤立的島時(shí),它們幾乎是完善的晶粒;隨著薄膜的進(jìn)一步生長,這些島彼此接觸(聚結(jié)階段),晶界和晶格缺陷就在薄膜中形成。在核的結(jié)合過程(溝渠階段)中,鄰近核的晶格常常相對(duì)另一個(gè)移動(dòng)并垂直表面旋轉(zhuǎn)。這樣就形成了兩個(gè)晶格之間的傾斜邊界,即位錯(cuò)。這種位錯(cuò)不會(huì)隨著連續(xù)薄膜(連續(xù)階段)的形成,而完全消失。目前,普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為,殘余應(yīng)力產(chǎn)生的過程是在成膜階段島生成時(shí),隨表面擴(kuò)散產(chǎn)生質(zhì)量傳遞,原子發(fā)生重新排列;在襯底界面和晶粒界面的影響下,原子排列不完整,引起了形變,從而產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。具體地說,殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因有:(1)薄膜在沉積的過程中,膜系材料與基片的熱膨脹系數(shù)不同引起的;(2)由于材料對(duì)各自晶格常數(shù)失配會(huì)產(chǎn)生失配位錯(cuò),在材料的膜表面之間擴(kuò)散產(chǎn)生的晶格缺陷引起的;(3)成膜過程中產(chǎn)生的缺陷引起的。第一種原因產(chǎn)生的殘余應(yīng)力被稱為熱應(yīng)力,第二和第三種原因產(chǎn)生的殘余應(yīng)力被稱為固有應(yīng)力。熱應(yīng)力在蒸發(fā)沉積鍍膜中表現(xiàn)很突出,但在離子束或磁控濺射法沉積鍍制的多層膜中表現(xiàn)并不明顯。在離子束和磁控濺射法沉積鍍制的多層膜中,我們只考慮第二種和第三種原因所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。我們知道,沉積在基片上的薄膜內(nèi)存在的應(yīng)力會(huì)使基片發(fā)生一定程度的形變。這種形變的類型有:(1)薄膜中的某些部分與其他部分處于壓縮狀態(tài),彎曲的結(jié)果使薄膜成為彎曲面的外側(cè);(2)薄膜中的某些部分與其外的部分處于拉伸狀態(tài),彎曲的結(jié)果使薄膜成為彎曲面的內(nèi)側(cè)。第一種情況產(chǎn)生的殘余應(yīng)力稱為壓應(yīng)力,后種情況產(chǎn)生的殘余應(yīng)力稱為張應(yīng)力。在未施加控制的情況下,Mo/Si多層膜中Mo單層膜表現(xiàn)為張應(yīng)力,Si單層膜表現(xiàn)為壓應(yīng)力,多層膜整體表現(xiàn)為壓應(yīng)力。3膜法水處理技術(shù)根據(jù)多層膜內(nèi)殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因,其大小與多層膜結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。這樣就可以通過改變沉積條件、使用退火工藝、加入亞層(sublayer)結(jié)構(gòu)和進(jìn)行離子束拋光等手段,改變多層膜結(jié)構(gòu),達(dá)到應(yīng)力控制的目的。下面討論控制Mo/Si多層膜內(nèi)殘余應(yīng)力的各項(xiàng)技術(shù)。3.1射頻源功率的變化在磁控濺射沉積鍍膜實(shí)驗(yàn)中,隨著射頻源的功率變化,沉積原子(Mo、Si)的動(dòng)能也發(fā)生變化,界面擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)和膜層結(jié)構(gòu)的晶格缺陷濃度也隨之變化。這樣,多層膜內(nèi)的殘余應(yīng)力就會(huì)發(fā)生改變。在離子束或磁控濺射法沉積鍍制單層膜實(shí)驗(yàn)中,在本底真空度和Ar氣的工作氣壓分別保持在1.0×10-5Pa和0.5Pa的條件下,射頻源的功率從100W變化到500W時(shí),Si單層中殘余應(yīng)力變化不大,且其壓應(yīng)力存在增大的趨勢(shì);Mo單層內(nèi)殘余應(yīng)力變化很大,且在400W時(shí)表現(xiàn)為最大的張應(yīng)力。如圖1所示,在磁控濺射法沉積鍍制Mo/Si多層膜實(shí)驗(yàn)中,在Si靶的射頻源功率保持在200W的條件下,Mo靶的射頻源功率從100W變化到500W時(shí),多層膜的殘余應(yīng)力從壓應(yīng)力狀態(tài)變到張應(yīng)力狀態(tài),且在200W和500W時(shí)為零。從圖中可以看出多層膜殘余應(yīng)力隨射頻源功率變化很大。3.2mo/si多層膜殘余應(yīng)力和反射率特性薄膜內(nèi)的殘余應(yīng)力與膜厚有直接的關(guān)系。當(dāng)Г值(在一個(gè)周期膜厚中Mo單層厚度與周期厚度的比值)改變時(shí),Mo單層和Si單層的厚度都將發(fā)生變化。這樣,多層膜內(nèi)的殘余應(yīng)力必然發(fā)生變化。如圖2所示,當(dāng)Г值不斷增加時(shí),殘余應(yīng)力經(jīng)歷了從最初的表現(xiàn)為壓應(yīng)力逐漸減少到零,再由零過渡到表現(xiàn)為張應(yīng)力且逐漸增大的過程。同時(shí),多層膜的反射率在逐漸減小。當(dāng)Г=0.68時(shí),Mo/Si多層膜內(nèi)的殘余應(yīng)力接近為零,且中心波長為13.4nm處多層膜的反射率為44%。從圖中不難看到,雖然通過改變Г值可以使薄膜內(nèi)的殘余應(yīng)力得到控制,但同時(shí)也會(huì)影響多層膜的反射率。3.3膜內(nèi)殘余應(yīng)力在Mo/Si多層膜鍍制過程中,當(dāng)其工作氣壓升高時(shí),Ar氣體濃度增大,中性原子(Mo、Si原子)和Ar氣體分子之間的碰撞頻率增加。這樣,沉積的中性原子的動(dòng)能變小,擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)和膜層結(jié)構(gòu)的晶格缺陷減少,從而可以使多層膜內(nèi)殘余應(yīng)力變小。如圖3所示,當(dāng)Г=0.375時(shí),工作氣壓從0.1Pa增加到0.6Pa,多層膜內(nèi)殘余應(yīng)力整體表現(xiàn)為壓應(yīng)力,且其從-1200MPa減小到-400MPa;當(dāng)Г=0.468或Г=0.625時(shí),工作氣壓從0.1Pa增加到0.6Pa,多層膜內(nèi)殘余應(yīng)力從表現(xiàn)為壓應(yīng)力逐漸變化到表現(xiàn)為張應(yīng)力,亦即:可以控制這樣一個(gè)區(qū)間,在這個(gè)區(qū)間內(nèi),多層膜內(nèi)的殘余應(yīng)力會(huì)足夠小。在實(shí)驗(yàn)中還觀察到低能量的沉積原子形成的膜層結(jié)構(gòu)較差,膜表面粗糙度較大,薄膜柱狀結(jié)構(gòu)生長,多層膜的反射率會(huì)被降低。3.4膜的殘余應(yīng)力在鍍膜過程中使用退火工藝可以改變多層膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu),消滅薄膜中的晶格缺陷,從而減小膜內(nèi)的殘余應(yīng)力。一塊沒有經(jīng)過退火工藝處理的Mo/Si多層膜,在中心波長為13.0nm處,一般其反射率為67.5%,應(yīng)力為-520MPa。當(dāng)以每分鐘升高2℃的速率從室溫加熱到300℃,再以每分鐘降低2℃的速率從300℃降回到室溫后,該膜的反射率一般降低了1.7%,而其內(nèi)的殘余應(yīng)力近乎為零。繼續(xù)對(duì)該膜進(jìn)行觀察測(cè)試能夠確定:經(jīng)過退火工藝處理的Mo/Si多層膜具有較好的熱穩(wěn)定性,在較長時(shí)間內(nèi)其殘余應(yīng)力不會(huì)發(fā)生變化。另外,使用退火工藝會(huì)使極紫外光刻系統(tǒng)的反射鏡基底發(fā)生形變,多層膜的相鄰膜層之間相互擴(kuò)散增強(qiáng),這個(gè)結(jié)果是不希望得到的。3.5加入亞層后的mo/si多層膜內(nèi)殘余應(yīng)力大小的變化從應(yīng)力產(chǎn)生的原因可知,薄膜中的殘余應(yīng)力大小與薄膜內(nèi)各單層的厚度有關(guān)。人們可以通過改變薄膜內(nèi)各單層的膜厚,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜中的殘余應(yīng)力的控制。可以在傳統(tǒng)的Mo/Si多層膜周期結(jié)構(gòu)中增加一種材料Ru(在中心波長13.0nm處,該種材料的光學(xué)常數(shù)與Mo的比較相近,不會(huì)影響到反射率。),在不改變多層膜的周期膜厚的情況下,把其鍍制成多層膜中的一個(gè)亞層。在這個(gè)鍍制過程中,Mo、Ru、Si各單層之間是相對(duì)獨(dú)立的,它們被鍍制的先后順序是Mo/Ru/Mo/Si,且兩個(gè)Mo單層與一個(gè)Ru單層的厚度之和等于未加入該亞層之前的一個(gè)Mo單層厚度。如圖4所示,加入該亞層結(jié)構(gòu)前Mo/Si多層膜內(nèi)的殘余應(yīng)力大小為-450MPa,而加入后在反射率幾乎不變的情況下,其殘余應(yīng)力為-320MPa。因此可以確定通過添加亞層,Mo/Ru/Mo/Si多層膜內(nèi)的殘余應(yīng)力大小與Mo/Si多層膜內(nèi)的相比會(huì)有所降低。通過高分辨率電子顯微鏡(HREM)可以較清楚地看到多層膜的微觀結(jié)構(gòu)和表面形貌。在多層膜內(nèi),相鄰的兩個(gè)Mo和Si單層之間存在著不對(duì)稱的混合物間隔層。其中,分布于Mo膜層上的間隔層厚度約占其總厚度的2/3,相當(dāng)于Si膜層上的2倍。產(chǎn)生這個(gè)間隔層的原因是由于兩個(gè)相鄰的Mo和Si單層膜的原子發(fā)生了擴(kuò)散。如前面分析,這是產(chǎn)生多層膜殘余應(yīng)力的一個(gè)原因,并且隨著這種擴(kuò)散的減少,壓應(yīng)力就會(huì)減少,從而使多層膜內(nèi)的殘余應(yīng)力減小。在鍍膜的過程中,人們對(duì)Mo層采用離子束拋光,使薄膜中弱束縛的原子遷移率增高,增加薄膜的致密程度,有效地防止了膜層間Si原子向Mo層擴(kuò)散,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多層膜內(nèi)的殘余應(yīng)力的控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)過離子束拋光處理后的多層膜膜層界面清晰,擴(kuò)散較小;且其壓應(yīng)力會(huì)從處理前的-450MPa減少到-140MPa。在實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中,人們常把加亞層結(jié)構(gòu)和離子束拋光技術(shù)結(jié)合起來,在不減小極紫外光刻用多層膜反射鏡反射率的情況下,把多層膜內(nèi)的殘余應(yīng)力降低到零,從而達(dá)到不破壞多層膜反射鏡基片的原始加工面形精度的目的。圖6表示出了多層膜總應(yīng)力及其各單層膜的應(yīng)力隨膜厚變化的關(guān)系。通過加入Ru層使Mo/Ru/Mo層中張應(yīng)力減少(與Mo/Si多層膜中的Mo單層相比),采用離子束拋光技術(shù)使Si層壓應(yīng)力減少(與Mo/Si多層膜中的Si單層相比),整個(gè)多層膜張應(yīng)力與壓應(yīng)力相對(duì)平衡,從而獲得低應(yīng)力的多層膜。4薄膜殘余應(yīng)力對(duì)變形的影響簡單地說,鍍膜的過程就是按照一定的條件要求用某些材料形成的薄膜覆蓋某一基片(或光學(xué)元件)的表面的過程。如前所述,在薄膜內(nèi)殘余應(yīng)力存在的條件下,薄膜內(nèi)的晶格常數(shù)要發(fā)生變化,薄膜本身會(huì)產(chǎn)生或者收縮、或者伸長的形變,同時(shí),其覆蓋的基片也隨之發(fā)生形變。當(dāng)薄膜發(fā)生收縮形變時(shí),基片會(huì)產(chǎn)生阻止其收縮的拉伸彈性形變;反之,基片會(huì)產(chǎn)生壓縮彈性形變。彈性形變大小正比于膜層中應(yīng)力的大小。下面介紹通過測(cè)量彈性形變量或晶格常數(shù)的變化量,運(yùn)用相關(guān)的原理和公式,計(jì)算薄膜內(nèi)殘余應(yīng)力的大小的方法。4.1薄膜殘余應(yīng)力的測(cè)量在圓形的平面基片上鍍膜以后,通常圓形的平面基片都會(huì)發(fā)生形變,其表面變成碗形的空間曲面。可以把這個(gè)曲面視作球面的一部分。如前面所述,可以這樣認(rèn)定:基片發(fā)生的形變完全是由薄膜內(nèi)存在的殘余應(yīng)力作用的結(jié)果。這樣,就可以近似地用Stoney公式計(jì)算出薄膜內(nèi)的殘余應(yīng)力的大小,即:σ=Eb26(1?v)rd?(1)σ=Eb26(1-v)rd?(1)式(1)中,E為基片的楊氏模量,b為基片的厚度,v為基片的泊松比,d為薄膜的厚度,r為球冠(即形變后的基片)曲率半徑。E,b,v的大小由基片材料本身決定,在鍍膜前已明確。d的大小可以由晶振法測(cè)量。r的大小可以用牛頓環(huán)法進(jìn)行測(cè)量,其測(cè)量裝置如圖7所示。其測(cè)量原理是:當(dāng)平行光束從垂直光學(xué)平板玻璃表面的方向,射向與光學(xué)平板玻璃時(shí),在變形后的薄膜和光學(xué)平板玻璃之間的劈尖形空氣層的兩表面會(huì)有反射光,而且這些反射光產(chǎn)生干涉,形成一組同心干涉圓環(huán)(牛頓環(huán))。通過測(cè)量牛頓環(huán)的半徑就可以計(jì)算出r的大小。4.2應(yīng)力的計(jì)算過程圖8為X射線衍射法測(cè)量應(yīng)力的裝置。X射線衍射法原理是:選定薄膜內(nèi)某一晶體的晶面為研究對(duì)象,當(dāng)該晶體沒有發(fā)生畸變時(shí),晶面之間距離為d0,當(dāng)由于沿晶面方向的內(nèi)應(yīng)力σ引起晶面間距d0變?yōu)閐時(shí),其應(yīng)力計(jì)算由下面公式給出:σ=E2vd0?dd0,(2)σ=E2vd0-dd0,(2)式(2)中,E為基片的楊氏模量,v為基片的泊松比,其晶格常數(shù)用X射線衍射儀測(cè)量。這種方法要求薄膜厚度至少在幾十個(gè)納米以上,Mo/Si多層膜中,Mo層為強(qiáng)的<110>晶向,而Si層具有<40