Разработка методов спектральной фильтрации для источников экстремального ультрафиолетового излучения на основе лазерной плазмы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат физико-математических наук Медведев, Вячеслав Валериевич

• Медведев, Вячеслав Валериевич
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Медведев, Вячеслав Валериевич

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Оптическая литография.

1.2. ЭУФ литографии.

1.3. Источники ЭУФ излучения.

1.4. Проблема спектральной в ЭУФ литографии.

1.5. Обзор методов спектральной фильтрации ЭУФ излучения.

Глава 2. Фильтры ЭУФ излучения на основе металлических сеточных структур.

2.1. Введение.

2.2. Расчеш пропускания ИК излучения.

2.3. Расчеты пропускания ЭУФ излучения.

2.4. Экспериментальные результаты.

2.5. Выводы.

Глава 3. ЭУФ зеркала, комбинированные с антиотражающими покрытиями для ИК излучения.

3.1. Введение.

3.2. Расчеты отражения ЭУФ излучения.

3.3. Расчеты 01ражения ИК излучения.

3.4. Экспериментальные результаты.

3.5. Выводы.

Глава 4. Дифракционные фильтры ЭУФ излучения.

4.1. Введение.

4.2. Теоретическое описание спектральных характеристик фильтра.

4.3. Результаты теоретических расчетов.

4.4. Экспериментальные результаты.

4.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов спектральной фильтрации для источников экстремального ультрафиолетового излучения на основе лазерной плазмы»

Интенсивное развитие методов проекционной оптической литографии на протяжении последних нескольких десятилетий обуславливало прогресс в технологии изготовления интегральных микросхем и в индустрии полупроводниковой микроэлектроники в целом. Ключевым технологическим параметром в литографии является минимальный характеристический размер элементов интегральных схем, который определяется пространственным разрешением оптической системы литографа. Пространственное разрешение во многом определяется длиной волны источника излучения, используемого в литографе. Первые промышленные машины использовали ц-линию (436 им) дискретного спектра излучения рту гной лампы. Улучшение пространственного разрешение происходило постепенно но мере усовершенствования используемой оптики, и уменьшения длины волны источника излучения. Современная промышленная технология использует в качестве источников эксимерные АгГ лазеры, работающие на длине волны 193 нм. Эта технология обеспечивает минимальный характеристический размер равный 32 нм. Дальнейшее улучшение разрешения с использованием промышленных машин на основе Аг!7 лазеров усложняет литографический процесс на столько, что он становится коммерчески неоправданным. Поэтому для дальнейшего развития микроэлектроники необходимо создание следующего поколения промышленных литографических систем. Среди существующих альтернативных технологий, наиболее привлекательной является ЭУФ литография - технология проекционной фотолитографии в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне, которая использует излучение с длиной волны 13.5 ±0.135 нм.

Ключевое значение для ЭУФ литографии имеет разработка мощного источника излучения на длине волны 13.5 нм. В настоящее время наиболее перспективными с точки зрения получения высокой средней мощности и возможностей дальнейшего масштабирования являются источники ЭУФ излучения на основе лазерной плазмы. В качестве рабочего вещества для источника излучения используется олово благодаря сильным резонансным переходам группы ионов 8п+8 - 8п+13 вблизи длины волны 13.5 нм. Выбор длины волны лазерного излучения определяется эффективностью генерации ЭУФ излучения. Использование СО2 лазера (10.6 мкм) обеспечивает наиболее высокий коэффициент конверсии энергии лазерного излучения в "полезное" излучение. Помимо высокой мощности к источнику ЭУФ предъявляются высокие требования на спектральный состав выходного излучения, так как литографический процесс подразумевает использование только узкого спектрально диапазона 13.5 ± 0.135 нм, определяемого полосой пропускания оптической системы ЭУФ литографа. Однако использусмыс плазменные источники излучают и очень широком спектральном диапазоне - от мягкого рентгена до ближнего инфракрасного (ИК) диапазона. Также излучение СО2 лазера рассеивается плазмой. Исследования показывают, что интенсивность рассеянного лазерного излучения на выходе из источника даже превосходит по величине интенсивность излучения самой плазмы. Кроме того, многослойная Mo/Si оптика литографа обладает более высоким коэффициентом отражения в ИК диапазоне, чем в рабочей полосе. Поэтому рассеянное лазерное излучение эффективно распространяется вдоль всего оптического пути литографической системы и приводит к чрезмерным тепловым нагрузкам на оптику. Поэтому разработка методов спектральной фильтрации излучения является важной и актуальной задачей для создания источника ЭУФ излучения.

Целью диссертационной работы - разработка систем спектральной фильтрации для подавления рассеянного излучения СОз лазера в источниках ЭУФ излучения на основе лазерной плазмы. Согласно технологическим требованиям спектральный фильтр должен подавлять в 100-1000 раз интенсивность излучения с длиной волны 10.6 мкм, при этом фильтр должен обладать низким коэффициентом аттешоации в диапазоне 13.5 ± 0.1-35 нм.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1) Установлен диапазон геометрических параметров сеточного фильтра ЭУФ излучения, обеспечивающих подавление интенсивности излучения с длиной волны 10.6 мкм более чем на два порядка и одновременно обеспечивающих высокую геометрическую прозрачность фильтра.

2) Предложен новый тип двухслойного антиотражающего покрытия, который позволяет достигать полного подавления отражения на заданной длине волны для произвольно выбранных полупроводниковых и/или диэлектрических материалов подложки и верхнего слоя покрытия при помощи введения промежуточного металлического слоя со специально подобранной толщиной.

3) На основе предложенного принципа конструирования двухслойного антиотражающего покрытия бал разработан дизайн ЭУФ зеркала с близким к нулю коэффициентом отражения на длине волны 10.6 мкм.

4) Исследованы спектральные характеристики дифракционной решетки с многослойным интерференционным покрытием, отражающим ЭУФ излучение. Установлены параметры решетки, необходимые для достижения резонансного подавления основного порядка дифракции на заданной длине волны в ИК диапазоне.

Защищаемые положении:

1. Теоретически установлен диапазон геометрических параметров МСС фильтра с гексагональной упаковкой отверстий, обеспечивающих подавление ИК излучения с длиной волны 10.6 мкм более чем на два порядка и одновременно обеспечивающих геометрическую прозрачность фильтра равную 80%: период р <5 мкм, толщина стенок t = 0.1/7, глубина каналов отверстий h > р.

2. Предложено и продемонстрировано использование ЭУФ-отражающих многослойных интерференционных покрытий на основе нары ИК-прозрачных материалов B.iC и Si для конструирования ЭУФ зеркал, комбинированных с гонкопленочными антиотражающими покрытиями для ИК излучения. Максимальный экспериментально измеренный коэффициент отражения равный 45% продемонстрирован на длине волны 13.5 нм для зеркал на основе B.}C/Si покрытий.

3. Продемонстрировано спектрально-селективное подавление ИК излучения при помощи ЭУФ зеркала (B.}C/Si покрытие), комбинированного с резонансным четвертьволновым поглотителем ИК излучения. Экспериментально установлена толщина поглощающего слоя из молибдена (3 нм), обеспечивающая минимальный коэффициент отражения ИК излучения < 1% вблизи длины волны 11 мкм.

4. Продемонстрировано спектрально-селективное подавление ИК излучения при помощи ЭУФ зеркала (B.jC/Si покрытие), комбинированного с двухслойным антиотражающим покрытием для ИК излучения. Экспериментально установлена толщина молибденового слоя (10 нм), обеспечивающая минимальный коэффициент отражения ИК излучения < 1% вблизи длины волны 10.4 мкм.

5. Продемонстрировано спектрально-селективное подавление ИК излучения при помощи дифракционного ЭУФ фильтра с многослойным Mo/Si покрытием. Измеренный коэффициент отражения ЭУФ излучения на длине волны 13.5 нм составляет 61%. Измеренный коэффициент отражения ИК излучения в спектральном минимуме на длине волны 9.7 мкм составляет 1.4%.

В результаты совместных работ автором внесен определяющий вклад в разработку и теоретическое исследование описанных в диссертации систем для спектральной фильтрации ЭУФ излучения. Автор участвовал в постановке экспериментов но изготовлению тестовых образцов спектральных фильтров. Автор проводил экспериментальные измерения спектральных характеристик фильтров ЭУФ излучения, проводил анализ результатов измерений и их интерпретацию.

Основные результаты, представленные в диссертационной работе, опубликованы в рецензируемых научных журналах: Optics Letters и Труды МФТИ. Кроме того результаты работы докладывались и обсуждались на международных симпозиумах по ЭУФ литографии (Miami, Florida, USA 2011; Brussels, Belgium, 2012), международных совещаниях no источникам мягкого рентгена и ЭУФ излучения (Dublin, Ireland, 2010), международном совещании по ЭУФ литографии (Maui, Hawaii, 2011), международной конференции «Нанофизика и наноэлектроника» (Н-Новгород, Россия, 2010).

Заключение диссертации по теме «Оптика», Медведев, Вячеслав Валериевич

Основные результаты диссертации

Исследована возможность применения фильтров на основе МСС для подавления рассеянного лазерного излучения в источниках ЭУФ излучения на основе лазерной плазмы. Найдена область геометрических параметров МСС, обеспечивающих сильное ослабление рассеянного лазерного излучения (7'<1%) при высокой геометрической прозрачности фильтра (7^ =80%). Измерены спектры пропускания образов МСС из вольфрама.

Продемонстрировано хорошее соответствие между теоретическими расчетами и результатами экспериментальных измерений спектров пропускания.

Исследована стабильность МСС из вольфрама под воздействием мощного лазерного излучения. Показано, что механическая прочность МСС из вольфрама ухудшается в результате длительного нагрева лазерным излучением, так как нагрев обуславливает интенсивную рекристаллизацию вольфрама. Для улучшения механической стабильности предложено использовать в качестве материала МСС сплав \*/о7зКео27

Исследована возможность создания ЭУФ зеркал, комбинированных с антиогражающими покрытиями для ИК излучения - гибридных ЭУФ зеркала. Предложена структура зеркала на основе двухслойного аптиотражающего покрытия на основе тонко металлической пленки. Предложено использование пар материалов В.)С/81 и МоР/81 для конструирования многослойных интерференционных покрытий, отражающих ЭУФ излучение и, одновременно, являющихся прозрачными для ИК излучения. Найдены геометрические параметры гибридного ЭУФ зеркала, обеспечивающего сильное подавления отражения на длине волны 10.6 мкм (Т < 1%): 10 нм - толщина молибденового слоя, 100х6.85нм -толщина многослойного периодического В4С/81 покрытия, с периодом 6.85 нм. Измерены спектры ЭУФ и ИК отражения от экспериментальных образцов гибридных зеркал.

Исследованы спектральные характеристики дифракционного фильтра ЭУФ излучения па основе прямоугольной фазовой решетки с многослойным покрытием, отражающим ЭУФ излучения. Найдена область значений геометрических параметров фильтра, соответствующих сильному подавлению зеркального отражения (основного порядка дифракции) на заданной длине волны X: И = Л/4 соответствует оптимальной глубине каналов решетки, р>1Л соответствует оптимальным значениям периода решетки, Г = 0.5 соответствует оптимальному соотношению между шириной каналов и периодом решетки.

Измерены спектры ЭУФ и ИК отражения для экспериментальных образцов дифракционного фильтра, предназначенного для эффективного отражения на длине волны 13.5 им и подавления зеркального отражения на длине волны 9.7 мкм. Измеренный коэффициент отражения на длине волны 13.5 нм составляет 61%, Измеренный коэффициент зеркального отражения на длине волны 9.7 мкм составляет 1.4%.

Исследованные методы спектральной фильтрации ЭУФ излучения и разработанные прототипы систем спектральной фильтрации могут быть применены для подавления рассеянного лазерного излучения в источниках ЭУФ излучения на основе лазерной плазмы, которые используются в промышленных литографических машинах нового поколения

Благодарности

Автор выражает благодарность Константину Николаевичу Кошелеву и Влидимиру Михайловичу Кривцуну за научное руководство и конструктивные замечания по работе. Автор признателен Надежде Николаевне Новиковой за помощь при выполнении работы. Автор также благодарен коллегам из Института спектроскопии РАН Гаязову Роберту Рафилсвичу, Борису Николаевичу Маврину, Болдыреву Николаю, коллегам из института FOM DIFFER Андрею Якшину, Робберту ванн де Крайсу, коллегам из компании ASML Якунину Андрею Михайловичу и Банину Вадиму Евгениевичу при непосредственном участии которых были получены результаты, представленные в работе.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Медведев, Вячеслав Валериевич, 2012 год

1. Banqiu Wu, Ajay Kumar//Extreme Ultraviolet Lithography, 2009, vol. 7, P. 1

2. International Technology Roadmap for Semiconductors, 2001 (http://www.itrs.net)

3. N. Kaiser, S. Yulin, M. Perske, T. Feigl //Proc. of SPIE 2008, V. 7101, pp. 71010Z-1

4. Slaughter, J. M.; Schulze, Dean W.; Hills, C. R.; Mirone, A.; Stalio, R. et al.//J. Appl. Phys., 1994, V. 76, N. 4, P. 2144

5. T. W. Barbee Jr., S. Mrowka, and M. C. Hettrick//Appl. Opt., 1985, V. 24, P. 883-886'

6. P. J. Silverman //J. Microlith., Micro fab., Microsyst. 2005, N 4(1), P. 011006

7. Seisyan, R.P., "Extreme ultraviolet nanolithography for ULSI: A review", //Techn. Phys., 2005, V. 50, N. 5, pp. 535-545

8. Takahiro Nakayama, Akira Miyake, Iliromitsu Takase, Shigeru Terashima et al // Proc. SPIE 2009, N7271, P.72713

9. H. Shin; R. Raju; D. N. Ruzic H Proc. of SPIE 2008 Vol. 6921 P. 692132-1

10. Samuel Graham, Jr., Charles A. Steinhaus, W. Miles Clift, Leonard E. Klcbanoff et al // Proceedings of SPIE Vol. 5037 (2003) 460-469

11. Sasa Bajt, Henry N. Chapman, Nhan Nguyen, Jennifer Alameda et al //Applied Optics 2003, 42, N. 28, P. 5750

12. Marc Bienert, Aksel Göhnemeier, Oliver Natt, Martin Lowisch et al //J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 2009, 8, N. 4, P. 041509

13. V. Banine, J. Benschop //Proc. of SPIE, 2004, V. 5401, P. 1

14. Зырянов C.M., Ковалев A.C., Лопаев Д.В., Малыхин Е.М., Рахимов А.Т., Рахимова Т.В., Кошелев К.П., Кривцуи В.М. //Физика плазмы, 2011, т. 37 (статья принята в печать и готовится к опубликованию)

15. D. V. Lopaev, Е. М. Malykhin, S. М. Zyryanov 2011 .Journal of Physics D: Applied Physics 44 015201

16. E.M. Малыхин, В.А. Кривченко, Д.В. Лопаев, T.B. Рахимова, С.М. Зырянов //Вестник Московского Университета, 2011,N. 1, Р. 53

17. Е.М. Малыхин, Д.В. Лопаев, А.Т. Рахимов, Т.В. Рахимова, О.В. Брагинский, A.C. Ковалев, Т.В. Васильева, С.М. Зырянов //Вестник Московского Университета, 2011, N. 2, Р. 76

18. Е. Malykhin, О. Braginsky, A. Kovalev, D. Lopaev, A. Rakhimov, Т. Rakhimova, A. Vasilieva, S. М. Zyryanov, К. Koshelev, V. Krivtsun, О. Yakushev 2010 Bulletin of the American Physical Society 55(7)12

19. О. В. Брагинский, А. Н. Васильева, С. М. Зырянов, А. С. Ковалев, Д. В. Лопаев, Е. М. Малыхин, Ю. А. Манкелевич, Т. В. Рахимова, А. Т. Рахимов, М. Р. Бакланов 2009 7-я Курчатовская Молодежная Научная Школа 197

20. G.E. Moore. Cramming more components onto integrated circuits. //Electronics Magazine, 1965,V. 38

21. G.E. Moore//Intel/WSTS, 2002, N12

22. Chris A. Mack // Proceedings of SPIE Vol. 5037 (2003)

23. Position paper report submitted by the ITRS Starting Materials Sub-TWG, in June 2005

24. B. Noyce, "Microelectronics," Scientific American, Vol. 237, No. 3 (Sep., 1977) pp. 63-69

25. Chris A. Mack// Proceedings of SPIE Vol. 5374

26. S.Y. Chou, P.R. Kraus, and P.J. Renstrom. Imprint lithography with 25-nm resolution. Science, 227, P 85-87, 1996.

27. Andrea Wuest, Andrew J. Hazelton, Greg Hughes, Lloyd C. Litt et al //EUVL Symposium, 2008

28. Greg Hughes, Lloyd C. Litt, Andrea Wuest, and Shyam Palaiyanur. "Mask and wafer cost of ownership (COO) from 65 to 22 nm half-pitch nodes," Proc. SPIE 7028, (2008)

29. Marc Bienert; Aksel Göhnermeier; Oliver Natt; Martin Lowisch et al // J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 8(4), 041509

30. N. N. Salashchenko and N. I. Chkhalo // Herald of the Russian Academy of Sciences, 2008, Vol. 78, No. 3, pp. 279-285

31. Vivek Bakshi; Rainer Lebert; Bernhard Jägle; Christian Wies et al // Proc. of SPIE Vol. 6533 653315-1

32. B. J. Lin, J. Microlithogr., Microfabr., Microsyst. 5, 33005 (2006)

33. Hans Meiling, Nico Buzing, Kevin Cummings, Noreen Ilarned et al//, Proc. SPIE 7271, 727102 (2009); doi:10.1117/12.814041

34. K. Bergmann, О. Rosier, and C. Metzmacher. // Rev. Sei. Instrum., 7б(4):043104, 2005

35. Malek, С. Khan; Moreno, Т.; Barchewitz, R.; Rivoira, R. et al//Rev. Sei. Instrum. 63 (9), September 1992

36. Sergiy Yulin, Nicolas Benoit, Torsten Feigl, Norbert Kaiser //Journal of Microelectronic Engineering archive Volume 83 Issue 4-9, April, 2006

37. M. Singh and J. J. M. Braat. //Opt. Lett., 26, 259-261, 2001

38. К. Boller, R.-P. Haelbich, H. Hogrefe, W. Jark et al //Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res., 208, 273-279, 1983.

39. N. Koster, B. Mertens, R. Jansen, A. van de Runstraat, et al //Microelectron. Eng., 61, 65-76, 2002

40. M.E. Malinowski, C. Steinhaus, W.M. Clift, L.E. Klebanoff et al //Proc. SPIE, 4688(1 ):442-453, 2002

41. B. Mertens, M. Weiss, I I. Meiling, R. Klein, et al //Microelectron. Eng., 73-74:16-22, 2004.

42. Takahiro Nakayama; Hiromitsu Takase; Shigeru Terashima; Takashi Sudo et al// Proc. of SPIE Vol. 6921 69213B-1

43. Hill, S. B.; Faradzhev, N. S.; Tarrio, C. S.; Lucatorto et al // Proceedings of the SPIE, Volume 7271 (2009), pp. 727113-727113-11 (2009).

44. Sasa Bajt; Zu Rong Dai; Erik J. Nelson; Mark, A. Wall et al//Procecdings of SPIE Vol. 5751

45. P. A. Grunow, L. E. Klebanoff, S. Graham, Jr., S. J. Haney, and W. M. Clift, //Proc. SPIE 5037, 418-428 (2003).

46. Iwao Nishiyama//Proc. SPIE 6151, 61510G (2006); doi:10.1117/12.655499

47. G. Edwards, S. Wurm, O. Wood, S. Bajt //CD-ROM of EUVL Symposium 2004 (Miyazaki).

48. H. Shin, S. N. Srivastava, and D. N. Ruzic //Proc. SPIE 6518,65184N (2007)

49. Samuel Graham, Lennie Klebanoff, Sasa Bajt et al //Proceedings of SPIE Vol. 5037 (2003)

50. S. B. Hill; N. S. Faradzhev; C. Tarrio; T. B. Lucatorto et al //Proc. of SPIE Vol. 6921 692117-1

51. C.G. Morgan, P.P. Naulleau, S.B. Rckawa, P.E. Denham, B.H. Hocf et al. //Proc. of SPIE 2010, 7636, P. 76361 Q-l

52. A. C. Ferrari and J. Robertson, 2000, Phys Rev B, V61, N20, P14095

53. F. Tuinstra, J. L. Koenig, 1970, J. Chem. Phys. V53, Issue 3, PI 126

54. Ralph Kurt, Michiel van Beek, Co Crombeen, Peer Zalm, Yde Tamininga //Proceedings of SPIE 2002, Vol. 4688, P702

55. A. Gupta, G. Chen, P. Joshi, S. Tadigadapa et al //Nano Lett. 2006, 6, N. 12, P. 2667

56. S. B. Hill, N. S. Faradzhev, C. Tarrio, T. B. Lucatorto et al //Proc. of SPIE 2008, 6921, P. 692117

57. C F Hong et al //J Phys D 2009, 42, P. 1

58. A.M. Kuptsov, G.N. Zhizhin Handbook of Fourier Transform Raman and Infrared Spectra of Polymers. Elsevier, 1998 (Physical Sciences Data, V. 45)

59. S. Hill, I. Ermanoski, C. 'Tarrio and T. B. Lucatorto //IEUVI-2009

60. Jeromy T. HoIIenshead; Leonard E. Klebanoff// Proceedings of SPIE 2004 Vol. 5374 P 675

61. Cabrera A. L., Morales Erie, Armor J. N. //Journal of Materials Research 1995, 10, N. 3, P.779-785

62. S. Matsunari, T. Aoki, K. Murakami, Y. Gomei //Proc. of SPIE 2007, 6517, P. 65172

63. Raizer Yu.P., Gas Discharge Physics, 1991, Springer

64. Michael A.Lieberman "Principles of plasma discharges and materials processing", 2005, New Jersey

65. D. Pagnon, J. Amorim, J. Nahorny, M. Touzeau, and M. Vialle, 1995, J. Phys. D„ V28, N9, P1856

66. P Macko, P Veis and G Cernogora, 2004, Plasma Sources Sei. Technol., VI3, P251

67. Young C. Kim, Michel. Boudart. Langmuir, 1991, V7, N12, pp 2999

68. Guerra, V., 2007, IEEE Transactions on Plasma Science, V35, PI397

69. В Gordiets, С M Ferreira, M J Pinheiro and A Ricard, 1998, Plasma Sources Sei. Technol., V.7, P.363

70. В Gordiets, С M Ferreira, M J Pinheiro and A Ricard, 1998, Plasma Sources Sei. Technol. V7, P379

71. A Fridman, Plasma Chemistry, 2008, Cambridge (the book)

72. E Tatarova, F M Dias, В Gordiets and С M Ferreira, 2005, Plasma Sources Sei. Technol. V.14, P. 19

73. Yasushi Nishiyama, Toshihisa Anazawa, Iliroaki Oizumi, Iwao Nishiyama et al //Proc. SPIE 6921, 692116 (2008); doi:10.1117/12.771978

74. Chang Sung Moon, Keigo Takeda, Seigo Takashima, Makoto Sekine et al //J. Appl. Phys. 2010, V. 107, P. 103310

75. Phillip J. Stout, H. Q. Yang, Paul Dionne, Andy Leonard et al // Proc. SPIE 3680, 328 (1999)

76. M. Moisan, J. Pelletier. Microwave Excited Plasmas. 1992, Plasma Technology, Elsevier Science Plubishers В. V. Amsterdam-London-New York-Tokyo

77. Справочник констант элементарных процессов с участием атомов, ионов, электронов, фотонов. Под ред. проф. А.Г. Жиглинского. Изд-во СПбГУ, Санкт-Петербург, 1994.

78. Лопаев Д.В., Смирнов A.B. II Физика плазмы. 2004. V. 30. N. 10. Р.948.