DE10126038B4

DE10126038B4 - Verfahren zur Herstellung eigenspannungsfreier reflektierender optischer Schichtsysteme auf Substraten

Info

Publication number: DE10126038B4
Application number: DE2001126038
Authority: DE
Inventors: Sergey Dr. Dipl.-Ing. Yulin; Thorsten Dr. Dipl.-Ing. Feigl; Thomas Dr. Dipl.-Ing. Kuhlmann; Norbert Dr. Dipl.-Ing. Kaiser
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-05-21
Filing date: 2001-05-21
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2021-05-22
Also published as: DE10126038A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eigenspannungsfreier, reflektierender optischer Schichtsysteme auf Substraten für vorgebbare Wellenlängen von zu reflektierender Strahlung im extremen ultravioletten Spektralbereich, bei dem
im Vakuum ein Schichtsystem aus alternierend angeordneten Mo₂C und Silicium auf der Oberfläche eines Substrates ausgebildet und
die Eigenspannungen dieses Schichtsystems bei einer Temperaturbehandlung im Hochvakuum oder innerhalb einer Argonatmosphäre mit einer Erwärmung auf mindestens 200 °C und anschließender Abkühlung, unter Einhaltung einer Heiz- und Abkühlrate < 3 °C/min, abgebaut werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eigenspannungsfreier reflektierender optischer Schichtsysteme aus Mo₂C/Si auf Substraten für vorgebbare Wellenlängen von zu reflektierender Strahlung im extremen ultravioletten Spektralbereich, die insbesondere vorteilhaft bei optischen Elementen, die in der hochauflösenden Lithographietechnik Verwendung finden können, eingesetzt werden können.
Die Ausbildung von sehr dünnen Schichten oder Schichtsystemen mit unterschiedlichen Materialien erfolgt bekanntermaßen mit den unterschiedlichsten Vakuumbeschichtungsverfahren, wie z.B. Sputter-, Verdampfungs- oder Laser-Ablations-Verfahren. Mit diesen bekannten Verfahren können unterschiedliche Materialien als reine elementare Schichten, aber auch aus chemischen Verbindungen gebildete Schichten mit den unterschiedlichsten Schichtdicken, wobei solche im Nanometerbereich erreicht werden können, abgeschieden werden.
Normalerweise weisen solche Einzelschichten oder Schichtsysteme mechanische Eigenspannungen auf, die die gewünschten optischen Eigenschaften negativ beeinflussen können.
Eine Verringerung der Eigenspannung bzw. die Herstellung spannungsfreier Schichtsysteme kann in der Regel durch reine Optimierung von Beschichtungsparametern nicht erreicht werden.
Für die Vermeidung von Wellenfrontdeformationen ist es erforderlich, Formgenauigkeiten auf den entsprechend mit solchen Schichtsystemen versehen Substraten mit Oberflächengenauigkeiten von ca. 1/30 der entsprechend ausgewählten, zu reflektierenden Wellenlänge einzuhalten. Dies bereitet aber insbesondere bei sehr kleinen Wellenlängen, wie z.B. im extrem ultravioletten Spektralbereich, der im Bereich von 5 mm bis 40 nm liegt, größere Probleme.
Solche Schichtsysteme werden in der Regel mit ca. 50 Schichtpaaren, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, ausgebildet. Die Schichtdicken der einzelnen Schichten liegen dabei ebenfalls im Bereich weniger Nanometer.
Da die Eigenspannungen entweder als Druck- oder Zugspannungen von Schichtsystemen bestimmt werden können, wurde bisher zwischen dem jeweiligen Schichtsystem und der Substratoberfläche, auf der das Schichtsystem ausgebildet wird, eine entsprechende Pufferschicht mit jeweils entgegen gerichteter Eigenspan nungscharakteristik ausgebildet und damit versucht, eine entsprechende Spannungskompensation zu erreichen.

In hierzu etwas modifizierter Form wird in US 6,134,049 A vorgeschlagen ein entsprechendes Schichtsystem auf der Substratoberfläche auszubilden, das aus zwei unterschiedlichen Schichtpaaren gebildet wird. Als geeignete Materialien werden hier Schichtpaare von Mo/Be und Mo/Si vorgeschlagen. So sollen gemäß dieser Lösung zuerst 20 bis 25 Schichtpaare von Mo/Be und nachfolgend in etwa die gleiche Anzahl von Schichtpaaren Mo/Si auf einer Substratoberfläche abgeschieden werden. Diese beiden unterschiedlichen Schichtpaare weisen dann wiederum Eigenspannungen auf, die sich gegenseitig kompensieren können.

Da die verschiedenen Schichtpaarmaterialien entsprechend unterschiedlich optisch wirken, muss eine entsprechende Schichtdickenanpassung auf die ausgewählte maximal zu reflektierende Wellenlänge des Lichtes erfolgen, so dass das Beschichtungsverfahren entsprechend kontrolliert werden muss.

Problematisch ist bei dieser Lösung insbesondere die Verwendung von Beryllium, wegen dessen Toxizität.

Da die Ausbildung solcher Schichtsysteme aus ökonomischen Gründen in einer gemeinsamen Vakuumkammer durchgeführt wird, ist es problematisch die Reinheit nachfolgend abgeschiedener Schichten zu sichern, bzw. es muss beim Wechsel der Beschichtungsmaterialien ein Reinigungsprozess durchgeführt werden.

Von Nguyen, T.D.; Barbee Jr., T.W. wird in „Stress in Molybdenum/Silicon and di-Molybdenum Carbide/Silicon Multilayer Structures", The 4^th International Conference on the Physics of X-Ray Multilayer Structures, März 1998, im Internet: <URL:http://cletus.phys.columbia.edu/pxrms/archives/pxrms98/abstracts/nguyen.pdf>, vorgeschlagen, mit dem Abbau von Eigenspannungen in solchen Schichtsystemen eine Wärmebehandlung bei Temperaturen oberhalb 90 °C vorzunehmen.

In US 6,110,607 A sind Lösungen angesprochen, wie Eigenspannungen in Multischichtsystemen, die aus Molybdän und Silicium Einzelschichten gebildet sind, reduziert werden können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eigenspannungsfreier, reflektierender op tischer Schichtsysteme auf Substraten vorzuschlagen, das in der Verfahrensführung einfach durchführbar und mit dem eigenspannungsfreie Schichtsysteme zur Verfügung gestellt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen erreicht werden.

Erfindungsgemäß wird dabei so verfahren, dass auf einer Substratoberfläche ein optisches Schichtsystem, mit alternierend wechselnd angeordneten Einzelschichten, mit einem an sich bekannten Beschichtungsverfahren im Vakuum ausgebildet wird.

Die für ein entsprechendes Schichtsystem verwendeten Einzelschichten sind aus Mo₂C und Silicium gebildet.

Die jeweiligen Schichtdicken der Einzelschichten können für vorgebbare Wellenlängen unter Berücksichtigung des Einfallswinkels in bekannter Form berechnet werden.

Im Anschluss an die Ausbildung eines solchen Schichtsystems wird nach der Erfindung eine Temperaturbehandlung durchgeführt, bei der die Eigenspannungen eines solchen Schichtsystems abgebaut werden. Hierzu erfolgt eine Erwärmung auf eine Temperatur von mindestens 200 °C und im Anschluss werden Schichtsystem und Substrat wieder auf Raumtemperatur abgekühlt.

Mit einer solchen Temperaturbehandlung können die Eigenspannungen, die beispielsweise bei einem Mo₂C/Si- Schichtsystem, als Druckspannung im Größenbereich von ca. –500 MPa vorhanden sind, abgebaut und gleichzeitig die Reflektivität oberhalb 60 % gehalten werden.

Der Abbau der Eigenspannungen kann ohne weiteres bis zu einem absoluten Betrag < 50 MPa. führen, so dass man ein eigenspannungsfreies Schichtsystem erhält und keine Deformation der Oberfläche auftreten kann. Man kann bei Eigenspannungen unterhalb von 50 MPa von Eigenspannungsfreiheit ausgehen.

Bei einem Schichtsystem Mo₂C/Si tritt infolge der Wärmebehandlung auch keine Verschiebung der maximal mit dem entsprechenden Schichtsystem reflektierten Wellenlänge auf.

Zur Vermeidung unerwünschter Oxidationsprozesse oder anderweitiger reaktiver Beeinflussung ist die Temperaturbehandlung im Hochvakuum bzw. in einer inerten Gasatmosphäre durchzuführen, wobei besonders bevorzugt Argon als Inertgas eingesetzt werden kann.

Vorteilhaft wird die Temperaturbehandlung bis zu einer Temperatur von mindestens 250 °C durchgeführt und es sollte eine Maximaltemperatur von 400 °C, bevorzugt 350 °C nicht überschritten werden.

Bei der Temperaturbehandlung wird mit Heiz- und Abkühlraten von maximal 3 °C/min, bevorzugt bei 1,5 °C/min, verfahren. Infolge der Temperaturbehandlung treten atomare Umordnungen der Schichtmikrostruktur auf und die bis dato vorhandenen Eigenspannungen werden nahezu vollständig abgebaut. So kann eine Reduzierung der verbliebenen Eigenspannungen bei einem Mo₂C/Si-Schichtsystem auf eine Zugspan nung von unterhalb 40 MPa ohne weiteres erreicht und dieser Absolutwert auch noch deutlich unterschritten werden.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Beispiel 1
Auf der Oberfläche eines Substrates aus Silicium wurde ein aus 50 Schichtpaaren bestehendes Mo₂C/Si-Schichtsystem ausgebildet, bei dem die Mo₂C-Schichten eine Dicke von 2,63 nm und die Si-Schichten eine Dicke von 3,93 nm aufweisen. Es soll EUV-Strahlung mit einer Wellenlänge λ = 12,8 nm reflektiert werden.
Nach der Ausbildung des Schichtsystems, wie es in Beispiel 1 beschrieben worden ist, wurde eine Temperaturbehandlung zum Abbau der Eigenspannungen durchgeführt.
Dabei erfolgte jeweils eine Erwärmung mit einer Heizrate von 1,5 °C/min bis zu einer Maximaltemperatur von 250 °C und nachfolgender Abkühlung mit gleicher Abkühlrate bis zum Erreichen der Raumtemperatur. Die Temperaturbehandlung ist hier unter Hochvakuumbedingungen durchgeführt worden.
Mit dem in 1 gezeigten Diagramm, das die Reflexion von Mo₂C/Si nach der Beschichtung und nach einer Temperatureinwirkung von 250°C zeigt, wird deutlich, dass sowohl die Reflektivität, wie auch die entsprechend maximal reflektierte Wellenlänge infolge der Temperaturbehandlung, bei einem Mo₂C/Si-Schichtsystem nahezu nicht verändert wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung eigenspannungsfreier, reflektierender optischer Schichtsysteme auf Substraten für vorgebbare Wellenlängen von zu reflektierender Strahlung im extremen ultravioletten Spektralbereich, bei dem im Vakuum ein Schichtsystem aus alternierend angeordneten Mo₂C und Silicium auf der Oberfläche eines Substrates ausgebildet und die Eigenspannungen dieses Schichtsystems bei einer Temperaturbehandlung im Hochvakuum oder innerhalb einer Argonatmosphäre mit einer Erwärmung auf mindestens 200 °C und anschließender Abkühlung, unter Einhaltung einer Heiz- und Abkühlrate < 3 °C/min, abgebaut werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturbehandlung bis zu Temperaturen von mindestens 250 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maximaltemperatur von 400 °C bei der Temperaturbehandlung nicht überschritten wird.