用于光譜純化和碎屑防護(hù)的極紫外光學(xué)元件
點(diǎn)擊藍(lán)字? 關(guān)注我們
極紫外（EUV）輻射是10-100 nm波長(zhǎng)范圍的電磁輻射。相較于深紫外（DUV）波段的光學(xué)光刻，EUV光刻具有更短的曝光波長(zhǎng)，可以獲得更高分辨率的光刻圖案?；谝簯B(tài)錫（Sn）的等離子體源是目前EUV光刻普遍使用的光源，通過放電（DPP）或高功率的CO2激光作用（LPP）產(chǎn)生等離子體，可以發(fā)射峰值波長(zhǎng)為13.5 nm的EUV輻射。
然而，在等離子體發(fā)射的過程中，頻譜不僅包含了光刻所需要的EUV輻射，同時(shí)也包含了帶外EUV輻射（EUV-OOB）、紫外及紅外輻射。
圖1 基于激光驅(qū)動(dòng)等離子體Sn靶的EUV發(fā)射光源的光譜分布[1]。
這些額外的輻射（尤其是深紫外和紅外）在進(jìn)入光刻照明和投影系統(tǒng)中后，被多層膜光學(xué)元件反射，會(huì)嚴(yán)重影響到EUV光刻的圖案分辨率[1,6]。圖2展示了50層Mo/Si多層膜反射鏡在近法線入射條件下對(duì)EUV、深紫外及紅外波段光的理論反射率曲線。
圖2 Mo/Si多層膜反射鏡在近法線入射條件下的理論反射率曲線[6]。
同時(shí)，由DPP或LPP產(chǎn)生的具有高速運(yùn)動(dòng)的顆粒、離子等碎屑在進(jìn)入光刻照明和投影系統(tǒng)中后（如圖3），會(huì)嚴(yán)重污染EUV光學(xué)元件和光學(xué)掩模，進(jìn)而影響光學(xué)元件的性能和使用壽命以及光刻的良率[2,3]。
圖3 基于LPP光源的EUV光刻系統(tǒng)的示意圖[6]。
因此，用于光譜純化和碎屑防護(hù)的EUV光學(xué)元件是實(shí)現(xiàn)高分辨EUV光刻的核心部件，其性能直接決定了光刻的性能和運(yùn)行成本。
EUV濾光片的類型
CATEGORY
根據(jù)材料和EUV光作用的不同原理，目前用于EUV光譜純化的濾光片（SPF-Spectral Purity Filter）主要分為透射型和反射型兩類，如表1所示。
表1 不同類型EUV濾光片及其適用波長(zhǎng)范圍[1, 2, 4, 5, 9]。
① 透射型EUV濾光片
常見的透射型濾光片如Zr或Si filter對(duì)13 nm附近的寬帶EUV光具有非常高的透過率，同時(shí)能夠有效吸收或反射紅外光，被廣泛用于EUV光源的光譜診斷[1]。但這類濾光片對(duì)材料純度的要求極高，任何外界因素或制備過程導(dǎo)致的材料表面的氧化都會(huì)引起濾光片光學(xué)性能的降低[7]。對(duì)此，Bibishkin等人設(shè)計(jì)和制備了基于Zr/Si多層膜的EUV濾光片，一方面這類濾光片對(duì)13 nm的EUV光的透過率可以高達(dá)76%并能夠有效消除紫外和紅外輻射，另一方面通過在多層膜表面增加金屬保護(hù)層能夠有效提升材料的抗氧化能力，延長(zhǎng)濾光片的使用壽命[8]。
格柵SPF是又一種透射型EUV濾光片，其結(jié)構(gòu)中包含了微米尺度的線或孔陣列，利用紅外波長(zhǎng)的光經(jīng)過這類濾光片時(shí)發(fā)生反射或衍射，而13.5 nm波長(zhǎng)的EUV光在透過孔陣列時(shí)不發(fā)生衍射（波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于孔直徑）實(shí)現(xiàn)紅外/EUV光的分離[5]。
圖4 左圖為（a）總厚度100 nm的高純度Zr filter對(duì)EUV光的透過率曲線和總厚度100 nm（50 nm氧化層）的Zr filter對(duì)EUV光的理論（b）和實(shí)際（c）透過率曲線[7]。右圖為鍍有金屬Ru保護(hù)層（1）和未鍍金屬保護(hù)層（2）的Zr/Si filter對(duì)紅外光的透過率曲線[8]。
②?反射型EUV濾光片
EUV/Visible二向色鏡
反射型EUV濾光片是通過反射帶內(nèi)EUV輻射，并吸收、透射或衍射紫外和紅外光實(shí)現(xiàn)13.5 nm附近光的選擇?？紤]到大部分材料對(duì)EUV光都具有強(qiáng)的吸收，這類濾光片的設(shè)計(jì)和制備通常是選用周期性結(jié)構(gòu)的多層膜材料。同時(shí)，不同于透射型EUV濾光片，反射型濾光片的應(yīng)用需要考慮EUV光的入射角度，以獲得最大的EUV光反射率。EUV/Visible二向色鏡是一類典型的反射型EUV濾光片，通過在石英基底上鍍可見/近紅外光減反的多層膜結(jié)構(gòu)，同時(shí)該膜層結(jié)構(gòu)對(duì)EUV光具有較高的反射率，從而實(shí)現(xiàn)EUV和可見光的分離。如圖2是一個(gè)EUV/Visible二向色鏡在80°入射角條件下對(duì)EUV和紅外光的反射率模擬結(jié)果，理論上該濾光片對(duì)13.5 nm波長(zhǎng)的EUV光反射率可以達(dá)到65%以上，而對(duì)1000-1100 nm的紅外光反射率<5%，尤其適用于高次諧波EUV光源的應(yīng)用[9]。
圖5 基于Nb2O5/SiO2多層膜結(jié)構(gòu)的EUV/可見光二向色鏡對(duì)EUV光（上圖）和紅外光（下圖）的反射率模擬曲線[9]。
光柵結(jié)構(gòu)的多層膜反射鏡
光柵結(jié)構(gòu)的多層膜反射鏡是一類極具應(yīng)用前景的反射型EUV濾光片，通過在周期性多層膜結(jié)構(gòu)上刻蝕光柵或在光柵結(jié)構(gòu)表面鍍上多層膜，將周期性多層膜的高反射率特點(diǎn)和光柵結(jié)構(gòu)的高分辨率特點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，以獲得較高EUV光反射的同時(shí)實(shí)現(xiàn)其他帶外輻射光的抑制。此種技術(shù)通常是在EUV/極紫外光刻機(jī)的收集鏡上使用。相較于其他EUV濾光片，光柵結(jié)構(gòu)的多層膜反射鏡最大的優(yōu)勢(shì)在于無需額外的SPF光學(xué)元件，通過反射鏡本身就可以獲得較純的EUV光，同時(shí)反射鏡還具有非常高的機(jī)械強(qiáng)度，避免了由于腔室內(nèi)的真空壓差導(dǎo)致的濾膜的破裂。
圖6 光柵結(jié)構(gòu)的多層膜反射鏡對(duì)EUV光反射和紅外光抑制的原理示意圖[6]。
圖7 德國(guó)optiXfab公司加工的集成水冷通道的具有光柵結(jié)構(gòu)的多層膜反射鏡。
用于碎屑防護(hù)的EUV薄膜元件
? ? ? ? ? ? ? ? ?-EUV pellicle
OPTIC
前面我們講到了針對(duì)于EUV光產(chǎn)生和發(fā)射過程中不可避免的碎屑污染的問題，除了利用電場(chǎng)、磁場(chǎng)、氣體吹拂等有利措施改變碎屑運(yùn)動(dòng)的方向，減少污染源進(jìn)入EUV光路外，采用對(duì)EUV光具有高透過率的薄膜元件實(shí)現(xiàn)對(duì)污染碎屑的阻擋和隔離是實(shí)現(xiàn)高分辨率圖案光刻的核心環(huán)節(jié)[10, 11]。新一代的EUV薄膜元件主要采用碳基材料，例如石墨烯薄膜和碳納米管（CNT）薄膜，相比于早期的晶體硅薄膜，碳基薄膜具有更高的EUV透過率，同時(shí)碳材料優(yōu)異的導(dǎo)熱性和機(jī)械穩(wěn)定性，使得這類薄膜材料能夠滿足EUV光刻過程中的碎屑污染防護(hù)[11-14]。目前，IMEC生產(chǎn)的自支撐CNT薄膜對(duì)EUV的透過率已經(jīng)可以高達(dá)96%以上[13,15]。與此同時(shí)，三星電子也在積極開發(fā)基于石墨烯材料的EUV薄膜。
圖8 左圖為40 nm厚的CNT薄膜對(duì)EUV光的實(shí)驗(yàn)透過率與同等厚度的Si、SiNx和石墨烯薄膜材料柵對(duì)EUV光的理論透過率的對(duì)比。右圖為40 nm厚的CNT薄膜應(yīng)力測(cè)試結(jié)果[14]。
圖9 直徑為12cm，厚度80 nm的自支撐CNT薄膜實(shí)物圖[11]。
星辰大海，眾星聯(lián)恒默默航行，我們始終致力于為廣大用戶提供專業(yè)的EUV、X射線產(chǎn)品及解決方案。對(duì)于本文中介紹的產(chǎn)品與解決方案，若您有興趣深入了解，敬請(qǐng)聯(lián)系我們，期待與您展開更深層次的對(duì)話。
參考文獻(xiàn)
[1] Z. Bouza, et al., The spectrum of a 1-μm-wavelength-driven tin microdroplet laser-produced plasma source in the 5.5–265.5 nm wavelength range. AIP Advances 11, 125003 (2021).
[2] F. R. Powell, et al., Filter windows for EUV lithography. Proc. SPIE 4343 (2001).
[3] J. Etula, et al., Small scale, big impact: the world’s thinnest and strongest free-standing carbon nanotube membrane. Proc. SPIE 11854, 118540S (2021).
[4] V.V. Medvedev, et al., Infrared diffractive filtering for extreme ultraviolet multilayer Bragg reflectors. Opt. Express 21, 16964-16974 (2013).
[5] W. A. Soer, et al., Grid spectral purity filters for suppression of infrared radiation in
laser-produced plasma EUV sources. Proc. SPIE 7271, 72712Y-1 (2009).
[6] N. Lin, et al., Spectral purity systems applied for laser-produced plasma extreme ultraviolet lithography sources: a review. High Power Laser Sci. 11, e64 (2023).
[7] T. A. Johnson, et al., Zirconium and niobium transmission data at wavelengths from 11-16 nm and 200-1200 nm. SPIE 5538, 119-124 (2004).
[8] M. S. Bibishkin, et al., Multilayer Zr/Si filters for EUV lithography and for radiation source metrology. Proc. SPIE 7025, 702502 (2008).
[9] H. Carstens, et al., High-harmonic generation at 250 MHz with photon energies exceeding 100 eV. Optica 3, 366 (2016).
[10] D. Brouns, Development and performance of EUV pellicles. Adv. Opt. Techn. 6, 221–227 (2017).
[11] J. Etula, et al., Small scale, big impact: the world’s thinnest and strongest free-standing carbon nanotube membrane. Proc. SPIE 11854, 118540S-1 (2023).
[12] H. W. Choi, Graphite Pellicle: Physical Shield for Next-Generation EUV Lithography Technology. Adv. Mater. Interfaces 10, 2202489 (2023).
[13] M.Y. Timmermans, et al., CNT EUV pellicle: moving towards a full-size solution. Proc. SPIE 10451, 104510P-1 (2017).
[14] V.M. Gubarev, et al., Single-walled carbon nanotube membranes for optical applications in the extreme ultraviolet range. Carbon 155, 734e739 (2019).
[15] J. Bekaert, Carbon nanotube pellicles: imaging results of the first full-field extreme ultraviolet exposures. J. Micro/Nanopattern. Mater. Metrol. 20, 021005 (2021).
?內(nèi)容?? β·GONG
?審核?? 凱文
?編輯?? 小喬
