CN105445819B - 一种极紫外波段宽带Mo/Si多层膜的制备方法 - Google Patents

一种极紫外波段宽带Mo/Si多层膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种极紫外波段宽带Mo/Si多层膜的制备方法，包括以下步骤：依据目标宽带Mo/Si多层膜的指标，采用两层模型进行膜系设计，获得Mo/Si膜系厚度序列；依据所述Mo/Si膜系厚度序列，采用有效厚度法标定各周期Mo膜层和Si膜层分别对应的公转速度；依据各周期Mo膜层和Si膜层分别对应的公转速度，控制磁控溅射镀膜机进行宽带Mo/Si多层膜的制备；该制备方法具有设计简单，误差小，吻合度高等优点。

Description

一种极紫外波段宽带Mo/Si多层膜的制备方法
技术领域
本发明涉及极紫外光刻领域，特别提供了一种极紫外波段宽带Mo/Si多层膜的制备方法。
背景技术
极紫外光刻(Extreme Ultraviolet Lithography，EUV光刻)技术是使用EUV波段，主要是13.5nm波段，进行光刻的微纳加工技术。目前，EUV光刻技术已经能够实现7nm线宽的刻蚀工艺，并具备进一步缩小刻蚀线宽的可能性。这在大规模集成电路制造领域具有重要意义，能够实现更大密度的元件集成，以及更低的能耗。
极紫外光刻使用波长为10～14nm光源照明,由于几乎所有已知光学材料在这一波段都具有强吸收，无法采用传统的折射式光学系统，所以极紫外光刻系统的照明系统、掩模和投影物镜均采用反射式设计，其反射光学元件需镀有周期性多层膜以提高反射率。但是周期性多层膜的干涉特性导致其反射光谱带宽和入射角带宽很窄，这样就限制了多层膜在某些场合的应用，因此需要采用非周期性多层膜来增大多层膜反射带宽。
与可见光波段多层膜相比，极紫外波段多层膜各膜层厚度均在几个纳米的级别，如此薄的膜层厚度使得膜层间的扩散必须在极紫外波段宽带多层膜的设计和制备过程中予以考虑。目前，扩散的处理主要是在Mo层和Si层间加入扩散层MoxSiy，从而构成Mo/MoxSiy/Si/MoxSiy四层模型。四层模型的难点在于如何准确的确定扩散层的组分和厚度，并且当多层膜周期厚度和Г值变化较大使扩散层组分和厚度也会发生变化，这使得宽带Mo/Si多层膜的设计和制备成为一个非常复杂的问题。
因此，研发一种简单，易行的Mo/Si多层膜制备方法，成为人们亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种极紫外波段宽带Mo/Si多层膜的制备方法，以至少解决以往Mo/Si多层膜制备过程复杂等问题。
本发明提供的技术方案，具体为，一种极紫外波段宽带Mo/Si多层膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
依据目标宽带Mo/Si多层膜的指标，采用两层模型进行膜系设计，获得Mo/Si膜系厚度序列；
依据所述Mo/Si膜系厚度序列，采用有效厚度法标定各周期Mo膜层和Si膜层分别对应的公转速度；
依据各周期Mo膜层和Si膜层分别对应的公转速度，控制磁控溅射镀膜机进行宽带Mo/Si多层膜的制备。
优选，所述两层模型具体为：在Mo/Si多层膜的一个周期内膜层结构为Mo层/Si层，且Mo层为吸收层，Si膜层为空间层。
进一步优选，依据目标宽带Mo/Si多层膜的指标，采用两层模型进行膜系设计，获得Mo/Si膜系厚度序列步骤包括：
计算已知不同宽带Mo/Si膜系厚度序列在固定波长、不同正入射角下的反射率，通过递归算法获得不同宽带Mo/Si膜系厚度序列对应的反射谱
利用不同宽带Mo/Si膜系厚度序列对应的反射谱寻找使得评价函数MF值最小的反射谱以及该反射谱对应的宽带Mo/Si膜系厚度序列；
所述评价函数MF具体为，
其中，和分别为目标宽带Mo/Si多层膜指标中对应的最大入射角和最小入射角，为目标宽带Mo/Si多层膜指标中对应的反射谱，为入射角。
进一步优选，寻找使得评价函数MF值最小采用的方法为Levenberg-Marquardt算法。
进一步优选，采用有效厚度法标定各周期Mo膜层和Si膜层分别对应的公转速度公式为：
νSi＝5.916/(dSieff+0.868)
其中，νSi为各周期内Si膜层对应的公转速度，dSieff为各周期内Si膜层对应的厚度；
νMo＝2.819/(dMoeff+0.281/νSi-0.385)
其中，νMo为各周期内Mo膜层对应的公转速度，dMoeff为各周期内Mo膜层对应的厚度。
本发明提供的极紫外波段宽带Mo/Si多层膜的制备方法，采用两层模型进行膜系的设计，简化了设计过程，同时将设计后的膜系厚度序列采用公转速度进行标定，将膜层厚度与公转速度之间建立联系，使得制备的多层膜与设计结果吻合度高。
本发明提供的的极紫外波段宽带Mo/Si多层膜的制备方法，具有设计简单，误差小，吻合度高等优点。
附图说明
图1为宽带Mo/Si多层膜的设计反射谱；
图2为设计宽带Mo/Si多层膜系厚度序列图；
图3为设计宽带Mo/Si多层膜系容差分析图1；
图4为设计宽带Mo/Si多层膜系容差分析图2；
图5为设计宽带Mo/Si多层膜系容差分析图3；
图6为制备宽带Mo/Si多层膜公转速度序列；
图7为制备宽带Mo/Si多层膜的实测反射率与设计值比较。
具体实施方式
下面结合具体的实施方案，对本发明进行进一步解释，但是并不用于限制本发明的保护范围。
为了解决以往在进行极紫外波段宽带Mo/Si多层膜制备时，存在过程复杂，吻合程度低等问题。
本实施方案提供了一种极紫外波段宽带Mo/Si多层膜的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：依据目标宽带Mo/Si多层膜的指标，采用两层模型进行膜系设计，获得Mo/Si膜系厚度序列，其中，目标宽带Mo/Si多层膜的指标包括最大入射角、最小入射角以及反射谱；
S2：依据所述Mo/Si膜系厚度序列，采用有效厚度法标定各周期Mo膜层和Si膜层分别对应的公转速度，其中，这里所指的公转速度为磁控溅射镀膜机中基片分别绕过Mo靶和Si靶下方的速度；
S3：依据各周期Mo膜层和Si膜层分别对应的公转速度，控制磁控溅射镀膜机进行宽带Mo/Si多层膜的制备。
在本实施方案中，步骤S1中所述的两层模型具体为：在Mo/Si多层膜的一个周期内膜层结构为Mo层/Si层，且Mo层为吸收层，Si膜层为空间层，通过该两层模型的选取能够大大简化膜系的设计过程，无需考虑如背景技术中四层模型中扩散层的组分和厚度问题。
在本实施方案中，步骤S1：依据目标宽带Mo/Si多层膜的指标，采用两层模型进行膜系设计，获得Mo/Si膜系厚度序列步骤包括：
计算已知不同宽带Mo/Si膜系厚度序列在固定波长、不同正入射角下的反射率，通过递归算法获得不同宽带Mo/Si膜系厚度序列对应的反射谱
利用不同宽带Mo/Si膜系厚度序列对应的反射谱寻找使得评价函数MF值最小的反射谱以及该反射谱对应的宽带Mo/Si膜系厚度序列；
所述评价函数MF具体为，
式(1)中，和分别为目标宽带Mo/Si多层膜指标中对应的最大入射角和最小入射角，为目标宽带Mo/Si多层膜指标中对应的反射谱，为入射角。
其中，获得反射谱的递归算法具体为：
通过式(2)计算第j层和第j+1层间界面的Fresnel反射系数Fj,j+1；
式(2)中，
Nj为第j层膜的复折射率，Nj＝nj+iξj，nj为第j层膜的折射率，ξj为第j层膜的消光系数，Nj+1为第j+1层膜的复折射率，Nj+1＝nj+1+iξj+1，nj+1为第j+1层膜的折射率，ξj+1为第j+1层膜的消光系数，以此类推；θ为掠入射角；i为单位虚数；
然后通过式(3)计算不同界面反射率；
式(3)中，Rj,j+1为膜系截止到第j个界面的反射系数；Rj+1,j+2为膜系截止到第j+1个界面的反射系数，以此类推；αj＝exp(-ikjdj)，dj为第j层的膜厚；
递归过程为从基底逐渐算到最上面一层，无论是单层膜还是多层膜，均可用通过式(3)计算薄膜的反射率，已知膜系厚度序列，就可以由式(3)算得反射谱。
在本实施方案中，步骤S1中寻找使得评价函数MF值最小采用的方法为Levenberg-Marquardt算法，该算法是介于牛顿法与梯度下降法之间的一种非线性优化方法，采用模型函数f对待估参数向量p在其领域内做线性近似，忽略掉二阶以上的导数项，从而转化为线性最小二乘问题，该算法对于过参数化问题不敏感，能有效处理冗余参数问题，并具有收敛速度快的优点。
在本实施方案中，步骤S2中采用有效厚度法标定各周期Mo膜层和Si膜层分别对应的公转速度公式为：
νSi＝5.916/(dSieff+0.868)
其中，νSi为各周期内Si膜层对应的公转速度，dSieff为各周期内Si膜层对应的厚度；
νMo＝2.819/(dMoeff+0.281/νSi-0.385)
其中，νMo为各周期内Mo膜层对应的公转速度，dMoeff为各周期内Mo膜层对应的厚度。
其中，上述有效厚度法的思想是认为扩散会改变多层膜中Mo层和Si层的有效厚度，而Mo层和Si层的有效厚度则通过拟合等周期厚度Mo/Si多层膜小角X射线反射谱来得到，进而标定出有效溅射速率。
上述各个实施方案是按照递进的方式进行撰写，着重强调各个实施方案的不同之处，其相似部分可以相互参见。
下面以制备入射角分布为16.8°～24.8°的极紫外波段宽带Mo/Si多层膜为例对本发明进行详细说明。
该目标宽带Mo/Si多层膜的指标为在正入射角16.8°～24.8°间反射率R0＝42％，且反射率波动要小于±1％。
为了使制备的Mo/Si多层膜的扩散不随多层膜周期厚度和Г值产生非线性变化，将Mo膜层厚度限定在2-6nm，Si膜层厚度限定在2-8nm，最外一层为Si层，且在Si层上添加了厚度为2nm的自然氧化层SiO2，计算满足上述Mo膜层厚度和Si膜层厚度要求的已知不同宽带Mo/Si膜系厚度序列对应的反射率，利用反射率通过递归算法获得不同宽带Mo/Si膜系厚度序列对应的反射谱
根据目标宽带Mo/Si多层膜的指标定义评价函数MF:
其中和分别为目标宽带Mo/Si多层膜指标中对应的最大入射角和最小入射角，为目标宽带Mo/Si多层膜指标中对应的反射谱，为入射角。
膜系设计过程中，各膜层的厚度为独立变量，采用Levenberg-Marquardt寻优算法使评价函数MF最小，以便寻找到尽可能接近目标谱的反射谱。
根据上述评价函数，寻找到的设计反射谱如图1所示，对应的宽带Mo/Si膜系厚度序列如图2所示，多层膜周期数均为50，该周期数的选择可以根据实际需要进行确定，从空气到基底周期数N逐渐增大。
为评估优化设计得到膜系的可制造性，需要对膜系设计进行容差分析，包括系统误差和随机误差两种误差，如图3所示，当膜层厚度一致增厚时，反射率曲线整体向正入射角增大的方向偏移，入射角16.8°附近的反射率对这种偏移极为敏感，膜层厚度每增厚0.1％(相对值)，反射率下降近1％。导致多层膜层厚度整体偏移的主要因素是多层膜制备时溅射速率发生系统性偏移，在本发明中用到的直流磁控溅射镀膜系统镀制Mo/Si多层膜规整膜系周期厚度的复现性优于0.05％，因此满足膜系设计对系统误差的容差要求。如图4所示，当膜系各周期厚度即各Mo-Si双层厚度不变，Г值一致变大时，反射率曲线整体向正入射角减小的方向偏移，入射角24.8°附近的反射率对这种偏移相对敏感，Г值每增大1％(相对值)，反射率下降近0.2％。导致Г值整体偏移的原因主要是拟合掠入射X射线反射率谱得到的Г值与极紫外波段实际Г值存在系统偏差，为减小宽带膜反射谱设计值与实测值的偏差，应尽量减小这种Г值的系统偏差。
如图5所示是宽带膜系各膜层厚度产生随机变化时，对其反射谱的影响。其中控制参数是各膜层厚度变化的相对值，如控制参数是0.001，则表示各膜层厚度的相对变化不超过±0.1％，由此控制参数生成1000组在±0.1％内变化的随机数序列，计算出相应的1000条引入膜层厚度随机误差的宽带膜系反射谱，并选取其中相对于原反射谱变化最大的那一条。从中可以看出，只要各膜层厚度的相对变化不超过±0.3％，则宽带膜系的反射谱变化不超过±1％，本发明中用到的直流磁控溅射镀膜系统功率稳定性优于±0.1％，满足这一限制条件。
在制备宽带Mo/Si多层膜前，首先要采用有效厚度法来处理Mo/Si多层膜层间扩散，进而标定得到Mo和Si的有效溅射速率。为此通过改变基片公转速度制备了一系列不同周期厚度和Г值的Mo/Si多层膜规整膜系，并采用掠入射X射线反射率谱来表征。多层膜的周期厚度由修正后的Bragg公式拟合得到，该公式为其中λ为衍射仪的工作波长，d为多层膜的周期厚度，n为多层膜单周期内的有效折射率，θ为掠入射角。然后多层膜周期厚度固定，采用两层模型拟合来得到掠入射X射线反射率谱多层膜的结构参数。在所有拟合过程中，膜层密度均取体材料的密度。多层膜层间扩散使得Mo/Si界面的折射率呈梯度变化，这种梯度变化理论上可以将多层膜一个周期细分成许多层来描述，但这将大大增加模型的复杂程度，为使复杂问题简单化，一般可用两层模型加Nevot-Croce修正因子exp(kjkj+1σ2/2)来近似描述，但两层模型与实际上扩散导致细分多层的差别使得两层模型计算不同散射矢4πsinθ/λ频段的反射率存在系统偏差，为使得由掠入射X射线反射率谱反演得到的两层模型参数来计算13.5nm波段反射率与实测结果尽可能吻合，应确保小角X射线反射率散射矢频段与13.5nm波段散射矢频段尽量一致。多层膜掠入射X射线反射率谱第一Bragg衍射峰一般在0.6°附近，对应散射矢4πsinθ/λ大小为0.85nm-1，宽带多层膜在13.5nm波段的正入射角在20°附近，即掠入射角在70°附近，对应散射矢4πsinθ/λ大小为0.87nm-1，两者基本相符。如果采用掠入射X射线反射率谱更高级次的衍射峰，如第7、第8个衍射峰，则其散射矢将远大于0.87nm-1，这样拟合得到的两层模型参数计算13.5nm波段反射率与实测结果偏差较大。因此采用两层模型拟合掠入射X射线反射率谱时，采用全反区及第一个Bragg衍射峰的角度区域是比较合适的。所有Mo/Si多层膜规整膜系反演结构参数总结如表1所示。周期厚度与公转速度满足如下关系式，d＝a/νSi+b/νMo-Δ，将表1数据代入拟合d与1/νSi和1/νMo的线性关系得到：
d＝5.635/νSi+2.819/νMo-0.483 (4)
将周期厚度d与Г的乘积定义为Mo层的有效厚度dMoeff，d与1-Г的乘积定义为Si的有效厚度dSieff，拟合dMoeff与1/νMo的线性关系，dSieff与1/νSi的线性关系分别得到：
dMoeff＝2.668/νMo+0.389 (5)
dSieff＝5.916/νSi-0.868 (6)
表1不同公转速度下Mo/Si多层膜周期厚度d与Г值
序号 vSi/rpm vMo/rpm d/nm Г σ1 σ2
1 1.4108 0.7147 7.455 0.554 1.06 0.00
2 1.1355 0.7147 8.4333 0.485 0.95 0.01
3 1.4108 0.9438 6.4865 0.493 0.97 0.03
4 0.9501 0.7147 9.3862 0.429 0.98 0.07
5 1.4108 1.3889 5.5455 0.418 0.90 0.00
在制备宽带多层膜前，要把膜系中单个膜层的设计厚度转化为对应的公转速度。我们先根据式(6)得到各层Si对应的公转速度：
νSi＝5.916/(dSieff+0.868) (7)
由于影响宽带多层膜反射率特性最相关的是各个周期厚度的梯度分布，为使得宽带膜各周期厚度尽可能与设计值相符合，各层Mo对应的公转速度并不由式(5)直接得到，而是由
dMoeff＝d-dSieff＝(5.635/νSi+2.819/νMo-0.483)-(5.916/νSi-0.868)即下式得到:
νMo＝2.819/(dMoeff+5.916/νSi-0.868-5.635/νSi+0.483)＝2.189/(dMoeff+0.281/νSi-0.385) (8)
通过式(7)和式(8)得到与宽带膜系厚度序列相对应的公转速度序列如图6所示。
按照上述公转速度序列制备的宽带膜反射率测量结果如图7所示。宽带膜系设计目标是42％±1％@16.8°-24.8°，实验结果为42.2％±1％@16.8°-24.8°，实验结果与设计结果吻合得非常好，这充分说明本发明所述宽带膜系制备方法的有效性。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种极紫外波段宽带Mo/Si多层膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
依据目标宽带Mo/Si多层膜的指标，采用两层模型进行膜系设计，获得Mo/Si膜系厚度序列；
依据所述Mo/Si膜系厚度序列，采用有效厚度法标定各周期Mo膜层和Si膜层分别对应的公转速度；
依据各周期Mo膜层和Si膜层分别对应的公转速度，控制磁控溅射镀膜机进行宽带Mo/Si多层膜的制备；
其中，依据目标宽带Mo/Si多层膜的指标，采用两层模型进行膜系设计，获得Mo/Si膜系厚度序列步骤包括：
计算已知不同宽带Mo/Si膜系厚度序列在固定波长、不同正入射角下的反射率，通过递归算法获得不同宽带Mo/Si膜系厚度序列对应的反射谱
利用不同宽带Mo/Si膜系厚度序列对应的反射谱寻找使得评价函数MF值最小的反射谱以及该反射谱对应的宽带Mo/Si膜系厚度序列；
所述评价函数MF具体为，
其中，和分别为目标宽带Mo/Si多层膜指标中对应的最大入射角和最小入射角，为目标宽带Mo/Si多层膜指标中对应的反射谱，为入射角；
寻找使得评价函数MF值最小采用的方法为Levenberg-Marquardt算法；
采用有效厚度法标定各周期Mo膜层和Si膜层分别对应的公转速度公式为：
νSi＝5.916/(dSieff+0.868)
其中，νSi为各周期内Si膜层对应的公转速度，dSieff为各周期内Si膜层对应的厚度；
νMo＝2.819/(dMoeff+0.281/νSi-0.385)
其中，νMo为各周期内Mo膜层对应的公转速度，dMoeff为各周期内Mo膜层对应的厚度。
2.按照权利要求1所述极紫外波段宽带Mo/Si多层膜的制备方法，其特征在于，所述两层模型具体为：在Mo/Si多层膜的一个周期内膜层结构为Mo层/Si层，且Mo层为吸收层，Si膜层为空间层。
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