CN103547945A - 反射光学元件和用于极紫外光刻的光学系统 - Google Patents

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Abstract

为了减少活性氢对尤其位于EUV光刻装置内的反射光学元件的寿命的不利影响，提出了用于极紫外和软X射线波长区域的反射光学元件(50)，其包含具有多层系统(51)的反射表面，在该情况下，反射表面(60)包含具有由碳化硅或钌构成的最上层(56)的保护层系统(59)，保护层系统(59)具有在5nm和25nm之间的厚度。

Description

反射光学元件和用于极紫外光刻的光学系统
技术领域
本发明涉及一种具有反射表面的、用于极紫外和软X射线波长区域的反射光学元件。而且，本发明涉及一种具有这种反射光学元件的用于EUV光刻的光学系统。
背景技术
对于半导体部件的光刻，在EUV光刻装置中，使用用于极紫外(EUV)和软X射线(SX)波长区域(例如在大约5nm至20nm之间的波长)的反射光学元件，比如基于多层系统的光掩模或反射镜。由于EUV光刻装置通常具有多个反射光学元件，所以反射光学元件必须具有尽可能高的反射率，以确保足够高的总反射率。反射光学元件的光学使用的反射表面的污染会减少反射光学元件的反射率和使用寿命，该污染是由工作环境中的短波辐射以及残留气体造成的。由于多个反射光学元件通常一个接着一个地布置在EUV光刻装置中，甚至每个单独反射光学元件上的相对小数量的污染也在相对较大的程度上影响总反射率。
例如，由于潮湿残留物，可出现污染。在该情况下，EUV和/或SX辐射使水分子离解，得到反射光学元件的自由氧基氧化光学作用表面(opticalactive surface)。另一污染源是聚合物，其可来源于例如EUV光刻装置中使用的真空泵，或者来源于用在待图案化的半导体基板上的光刻胶的残留物，该光刻胶在工作辐射的影响下导致反射光学元件上的碳污染。尽管氧化污染通常不可逆，但仍可尤其通过用活性氢的处理(通过使活性氢与含碳残留物作用形成挥发性化合物)等来去除碳污染。活性氢可以是氢原子团或者电离氢原子或分子。
然而，已发现，在用于清洁的活性氢的影响下，或者由于EUV和/或SX辐射与残留气氛(residual atmosphere)中存在的氢的相互作用，单独层，尤其是正好位于多层系统表面的单独层可变为脱离的。例如硅层中的氢被认为起了作用，以形成硅烷化合物。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种反射光学元件，其在即使存在活性氢的情况下也可用于EUV光刻。
该目的通过用于极紫外和软X射线波长区域的反射光学元件而实现，该反射光学元件包含具有多层系统的反射表面，在该情况下，反射表面具有保护层系统，保护层系统具有由碳化硅或钌构成的最上层，保护层系统具有在5nm和25nm之间的厚度。
已发现，提供这种保护层系统尤其保护布置在保护层系统下方的多层系统免受具有几百电子伏特动能的活性氢的影响，否则具有几百电子伏特动能的活性氢会穿入多层系统中几纳米，并在那里导致最上层的脱离(detachment)。最上层的含义是邻近真空或反射光学元件的周围环境(surroundings)的层。特别地，认为该高能氢在保护层系统中减速。特别地，从5nm厚的保护层系统开始，穿入位于下方的多层系统的最上层的高能活性氢的数量减少，使得即使在长期用在EUV光刻设备中时，也很少会仅观察到多层系统最上层的脱离。
保护层系统越厚，对活性氢的防范越好，这是因为具有甚至可仅为几个电子伏特的动能的低能活性氢的远到多层系统最上层中的扩散另外变得困难。同时，应记住，相应反射光学元件的最大反射率仍足够用于EUV光刻，所以大于25nm层厚的保护层是相当不利的。
已证明碳化硅和钌特别适合作为保护层系统的最上层，即，作为隔离周围环境或真空的层，这是因为已证明它们对于活性氢是惰性的。此外，已发现，在碳化硅的情况下，特别是锡和锡化合物以及金属氢化物化合物的沉积的可能性通常特别低，在基于锡等离子体的EUV辐射源的周围环境中使用反射光学元件的情况下，这是特别有利的，因为会出现较少的反射表面的锡杂质。此外，已证明在最上层由碳化硅构成以及最上层由钌构成的两种情况下，特别地，除了用等离子体辐射源的EUV和SX辐射之外，发射的在300nm与100nm之间的波长区域中的辐射与不具有这里提出的保护层系统的常规反射光学元件的情况中相比，得到更有效地抑制。特别地，这对于在EUV光刻中使用反射光学元件是有利的，其中，紫外波长区域中的该辐射会另外导致涂覆有光刻胶的晶片的不恰当曝光，这是因为常规光刻胶不仅与EUV反应，而且与UV辐射反应。
在优选实施例中，保护层系统包括由碳化硅或钌构成的厚度在5nm和25nm之间的最上层。对于保护层系统由单层构成的情况，特别优选的是，最上层具有11nm和19nm之间的厚度，以确保对活性氢的特别有效的防范和良好的反射率。可以特别简单地制造仅具有最上层作为保护层系统的反射光学元件。
在另一优选的实施例中，在最上层下方，保护层系统具有至少两个交替布置层，至少两个交替布置层一方面由钼或钌构成，另一方面由碳、碳化物或氮化物构成，优选地由来自碳化硅、氮化硅、碳化硼和碳的组的材料构成。交替布置在此的含义是相同材料的两个层并非直接布置成彼此邻近。对于保护层系统由多层构成的情况，特别优选地，保护层系统具有10nm和22nm之间的总厚度，以确保对活性氢的特别有效的防范及良好的反射率。具有上述材料的多层保护层系统的优点在于以下事实：与单层保护层系统相比，反射率的损失较小。在特别简单的变型中，保护层系统在最上层和多层系统之间仅具有一个附加层。在最上层由碳化硅构成的情况下，附加层由钼或钌构成。在最上层由钌构成的情况下，附加层是碳、碳化物(优选地是碳化硅或碳化硼)或氮化物(优选为氮化硅)。在另一简单变型中，保护层系统在最上层和多层系统之间正好具有两个附加层。
在特别优选的实施例中，在由碳化硅构成的最上层下方，保护层系统具有至少两个交替布置层，至少两个交替布置层由钼和碳化硅构成。在该情况下，保护层系统特别优选地具有11nm和22nm之间的总厚度。可以以可接受的耗费(effort)制造具有这种仅由两种材料构成的保护层系统的反射光学元件。同时，可以在最低可能地损失最大反射率的同时实现特别是对高能活性氢的最佳防范。此外，该反射光学元件特别适合用在具有金属等离子体辐射源(特别是锡等离子体辐射源)的EUV光刻中，这是因为反射表面被锡或锡化合物或金属氢化物的污染的可能性特别低，此外，紫外波长区域中的辐射被特别有效地抑制。
多层系统有利地具有在极紫外和软X射线波长区域中具有较小折射率实部的材料和在极紫外和软X射线波长区域中具有较高折射率实部的材料的交替布置层，具有较高折射率实部的材料是硅。已发现，特别地，由纯硅构成的层受到穿入的活性氢的特别强烈的攻击，即使在由另一种材料构成的另外的层布置在该层上方时也如此。特别地，通过在此提出的保护层系统还有效地保护硅层免受高能活性氢的影响。在具有硅作为具有较高折射率实部的材料的多层系统中，具有较低折射率实部的材料有利地是钼，以尤其在大约12.5nm至14.5nm波长区域中获得高反射率。
在特别优选的实施例中，反射光学元件被设计成聚光镜。聚光镜在EUV光刻中常常用作位于辐射源(特别是等离子体辐射源)的光束方向下游的第一反射镜，以在各方向上聚集由辐射源发出的辐射，并将辐射以聚焦的方式反射至随后的反射镜。由于辐射源的周围环境中的高辐射强度，残留气体中出现的分子氢在此以特别高的可能性转变为具有高动能的原子氢，从而尤其使聚光镜正好暴露于基于穿入的活性氢而在多层系统的上层呈现的脱离现象的风险。如果聚光镜是用于极紫外和软X射线波长区域的、包含具有多层系统的反射表面的反射光学元件，反射表面具有保护层系统，保护层系统具有由碳化硅或钌构成的最上层，保护层系统具有5nm和25nm之间的厚度，则可减少这些脱离现象的发生，并获得足够的反射率。
该目的另外通过用于EUV光刻的光学系统来实现，该光学系统具有至少一个如上所述的反射光学元件。
从属权利要求中存在有利的改进。
附图说明
参考优选的示例性实施例，将更详细地说明本发明，其中：
图1是具有照明系统的EUV光刻装置的实施例的示意图，该照明系统包含具有保护层系统的聚光镜；
图2a-c是反射光学元件的各实施例的示意图；以及
图3示出对于反射光学元件的各实施例，多层系统中氢浓度与最大反射率的比较。
具体实施方式
图1是EUV光刻装置10的示意图。主要部件是照明系统14、光掩模17和投射系统20。EUV光刻装置10在真空条件下工作，使得EUV辐射在EUV光刻装置内部被尽可能少地吸收。
举例来说，辐射源12可以是等离子体源或同步加速器。在此所示示例中，辐射源是等离子体源。从大约5nm至20nm的波长区域内的发射辐射首先被聚光镜13聚焦。然后，工作光束被引入照明系统14。在图1所示示例中，照明系统14具有两个反射镜15、16。反射镜15、16将光束引导到光掩模17上，光掩模具有待成像在晶片21上的结构。光掩模17也是用于EUV和软X射线波长区域的反射光学元件，根据制造工艺更换所述元件。投射系统20用于将由光掩模17反射的光束投射在晶片21上，从而在晶片21上使光掩模的结构成像。在所示示例中，投射系统20具有两个反射镜18、19。应指出，投射系统20和照明系统4可分别具有仅一个或者三个、四个、五个和更多反射镜。
此外，对于在照明系统14的残留气体气氛中，尤其在辐射源12的周围环境中出现可通过辐射分为高能活性氢的分子氢或者来源于对反射镜13、15或16的清洁并侵袭聚光镜13的多层系统的上层的氢的情况，为了延长聚光镜13的寿命，聚光镜13配备有保护层系统，其具有由碳化硅或钌构成的最上方反射镜，保护层系统具有5nm和25nm之间的厚度。结果，聚光镜13不仅被保护免受高能活性氢的影响，而且在等离子体辐射源12以锡等离子体为基础运行时被保护免受锡沉积物的影响。此外，聚光镜13具有在很大程度上抑制由辐射源12发出的紫外辐射的优点。因此，聚光镜还具有光谱滤波器的功能。应指出，作为聚光镜的替代或附加，EUV光刻装置10或其光学系统14、20的任何其它期望的反射镜也可配备有下面更详细描述的保护层系统。
图2a-b是具有保护层系统59的反射光学元件50的示例性实施例的结构的示意图。所示示例是基于多层系统51的反射光学元件。在此所涉及的是在工作波长(针对该波长，例如执行光刻曝光)具有较高折射率实部的材料(还称为间隔体55)以及在工作波长具有较低折射率实部的材料(还称为吸收体54)的交替施加的层，吸收体-间隔体对形成层堆53。因此在一定程度上模仿晶体，晶体的晶格平面对应于发生布拉格反射(Bragg reflection)的吸收体层。单独层54、55的厚度及重复层堆53的厚度在整个多层系统51上是恒定的，或者可以变化，这取决于要获得取决于光谱还是取决于角度的反射分布。还可通过用另外的或多或少能吸收的材料补充吸收体54和间隔体55的基本结构来有意地影响反射分布，以增加针对相应工作波长的最大可能反射率。为此，在一些层堆中，可彼此交换吸收体和/或间隔体，或者从多于一个的吸收体和/或间隔体材料构造层堆。吸收体和间隔体材料可具有在所有层堆上恒定或变化的厚度，以最优化反射率。此外，还可在间隔体和吸收体层55、54之间提供附加层作为扩散阻挡层。
多层系统51被施加到基板52，并形成反射表面60。具有低热膨胀系数的材料优选地被选择作为基板材料。
在图2a所示反射光学元件50的实施例中，保护层系统包括厚度在5nm和25nm之间的由碳化硅或钌构成的最上层。在优选的变型中，最上层具有在11nm和19nm之间的厚度。
在另一实施例中，保护层系统具有位于最上层下方的交替布置层，交替布置层一方面由钼或钌构成，另一方面由碳、碳化物或氮化物构成，优选地由来自碳化硅、氮化硅、碳化硼和碳的组的材料构成。有利地，在这些情况下，保护层系统具有在10nm和22nm之间的厚度。图2b和2c中以示例的方式示出两个变型。在图2b所示变型中，由钼或钌构成的另外的层57布置在保护层系统的最上层56下方，对于最上层56由碳化硅构成的情况，仅提供钌，在最上层下方且在多层系统51上方有由碳化硅、氮化硅、碳化硼或碳构成的另外的层58。在最上层56由碳化硅构成的情况下，附加层58有利地也由碳化硅构成，以保持制造费用尽可能低。制造具有反射表面(具有多层系统)的反射光学元件的所有已知和当前的方法适于作为制造方法。应指出，对于最上层56由钌构成的情况，有利地，首先在最上层下方布置由碳化硅、氮化硅、碳化硼或碳构成，或者由其它氮化物或碳化物构成的层58，在其下方朝向多层系统51布置由钼或钌构成的层57，以获得得到的反射光学元件的较高反射率。
图2c所示变型与图2b所示变型的不同之处在于以下尝试：不只提供了两个，而是提供了四个分别由钼或钌，或者碳化硅、氮化硅、碳化硼或碳构成的另外的层57和58，以同时改进对高能活性氢的防范，并与不具有保护层系统的相当光学元件相比减少最大反射率损失。当然，在另外的变型中，还可以在保护层系统59中提供奇数个附加层57、58。此外，在最上层56下方可提供不仅一个、两个、三个、四个、五个，而且六个、七个、八个、九个或更多个附加层57、58。
应指出，例如，可在保护层系统59的这些层之间布置附加层，其通过接管扩散阻挡层的功能来阻碍两个相邻层56、57、58的混合。
依赖于选择的最上层56的类型以及另外的层57、58的数量和类型，多层系统51的邻近保护层系统59的最上层可以是间隔体层55或吸收体层54。优选地，保护层系统的具有较高折射率实部的层58或57邻近最上吸收体层54，相对于设计的多层系统51的波长具有较低折射率实部的层57或58邻近最上间隔体层55，以便获得尽可能高的反射率。还有利的是，多层系统的邻近保护层系统的最上层是吸收体层，以另外保护多层系统的最上间隔体层免受活性氢的影响，特别是在间隔体层由硅构成的情况下。
在特别优选的实施例中，在由碳化硅构成的最上层下方，保护层系统具有由钼和碳化硅构成的交替布置层，保护层系统有利地具有11nm和22nm之间的厚度。
针对高能活性氢的侵入及具有各种保护层系统的多个特定实施例在EUV和/或SX波长区域中的反射率，精确地研究该具有各种保护层系统的多个特定实施例。反射光学元件具有基于交替硅和钼层的多层系统，其优化用于13.5nm的工作波长，即，在13.5nm，反射光学元件在基本正入射的情况下具有最大反射率。在该情况下，硅层对应于在13.5nm具有较高折射率实部的层，钼层对应于在13.5nm具有较低折射率实部的层。在当前示例中，多层系统具有充当最上层的钼层。
单独实施例所达到的最大反射率为仅具有多层系统而不具有保护层系统的反射光学元件的最大反射率的标准下的。此外，当相应反射光学元件暴露于具有500eV动能的氢时，研究多层系统的相应最上硅层中的氢浓度。
图3中，通过用于相对最大反射率为1且最上硅层中的氢浓度为每立方厘米500000个粒子的三角形示出不具有保护层系统的反射光学元件的结果，所述结果为每平方厘米1个粒子的表面剂量的标准下的。
第一步是研究具有位于钼硅多层系统上的由钌构成的单层保护层系统的两个反射光学元件。在该情况下，一个元件具有由钌构成的厚度为10nm的最上层，而另一个元件具有由钌构成的厚度为13nm的最上层。相应的结果在图3中由正方形表示。对于10nm厚的钌层，在多层系统的最上硅层中，在每平方厘米1个粒子的表面剂量的标准下为每立方厘米内有100000个氢粒子。然而，最大反射率仅为不具有由钌构成的最上层的最大反射率的79％。对于13nm厚的钌层，粒子浓度公认地进一步降低至在每平方厘米1个粒子的表面剂量的标准下为每立方厘米内仅有40000个。然而，最大反射率也仅为不具有保护层系统的反射率的72％。
如果借助具有12nm厚碳化硅层的元件和具有19nm厚碳化硅层的元件测试具有由碳化硅构成的单层保护层系统的反射光学元件，则可以获得相当低的氢浓度以及明显较高的最大反射率。结果在图3中由十字表示。对于具有位于钼-硅多层系统上的由12nm碳化硅构成的最上层的反射光学元件，结果是多层系统的最上硅层中的氢浓度为在每平方厘米1个粒子的表面剂量的标准下为每立方厘米有100000个粒子，并且相对最大反射率为91％，而对于19nm厚的碳化硅，结果是氢浓度为在每平方厘米1个粒子的表面剂量的标准下为每立方厘米有20000个粒子，，并且相对最大反射率为86％。
此外，研究具有多层保护层系统的反射光学元件。在具有4nm的厚度的碳化硅的最上层下方，第一元件具有厚度为3nm的由钼构成的另外的层(对应于图2b中的层57)，在该层下方有厚度为4nm的由碳化硅构成的另外的层(对应于图2b中的层58)。在厚度为4nm的由碳化硅构成的最上层下方，第二元件交替地具有厚度为3nm的由钼构成的两个另外的层(对应于图2c中的层57)，在两个另外的层的各自下方有厚度为4nm的由碳化硅构成的两个另外的层(对应于图2b中的层58)。在两种情况下，钼-硅多层系统同样都位于这些层的下方。总共具有两个碳化硅层的元件的结果及总共具有三个碳化硅层的元件的结果在图3中由圆表示。对于具有两个碳化硅层的元件，在多层系统的最上硅层中的氢浓度在每平方厘米1个粒子的表面剂量的标准下为每立方厘米100000个的情况下，达到94％的相对最大反射率，而对于具有三个碳化硅层的元件，在仍为91％的相对最大反射率的情况下，可以达到在每平方厘米1个粒子的表面剂量的标准下每立方厘米10000的氢浓度。

Claims (12)

1.一种用于极紫外和软X射线波长区域的反射光学元件，包含具有多层系统的反射表面，其中，所述反射表面(60)具有保护层系统(59)，所述保护层系统具有由碳化硅或钌构成的最上层(56)，所述保护层系统(59)具有在5nm和25nm之间的厚度。
2.如权利要求1所述的反射光学元件，其中，所述保护层系统(59)包括由碳化硅或钌构成的厚度在5nm和25nm之间的最上层(56)。
3.如权利要求2所述的反射光学元件，其中，所述最上层(56)具有在11nm和19nm之间的厚度。
4.如权利要求1所述的反射光学元件，其中，在所述最上层(56)下方，所述保护层系统(59)具有至少两个交替布置层(57、58)，所述至少两个交替布置层一方面由钼或钌构成，另一方面由碳、碳化物或氮化物构成。
5.如权利要求4所述的反射光学元件，其中，所述反射光学元件具有至少两个交替布置层(57、58)，所述至少两个交替布置层一方面由钼或钌构成，另一方面由来自碳化硅、氮化硅、碳化硼和碳的组的材料构成。
6.如权利要求4或5所述的反射光学元件，其中，所述保护层系统(59)具有在10nm和22nm之间的厚度。
7.如权利要求1所述的反射光学元件，其中，在所述最上层(56)下方，由碳化硅构成的所述保护层系统(59)具有由钼和碳化硅构成的至少两个交替布置层(57、58)。
8.如权利要求7所述的反射光学元件，其中，所述保护层系统(59)具有在11nm和22nm之间的厚度。
9.如权利要求1至8中任一项所述的反射光学元件，其中，所述多层系统(51)具有在极紫外和软X射线波长区域中具有较低折射率实部的材料和在极紫外和软X射线波长区域中具有较高折射率实部的材料的交替布置层(54、55)，具有较高折射率实部的所述材料是硅。
10.如权利要求9所述的反射光学元件，其中，具有较低折射率实部的所述材料是钼。
11.如权利要求1至10中任一项所述的反射光学元件，其中，所述反射光学元件被设计成聚光镜(13)。
12.一种用于EUV光刻的光学系统，具有至少一个如权利要求1至11中任一项所述的反射光学元件。
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