DE102004002764A1

DE102004002764A1 - Verfahren zur Herstellung von Multilayern und Multilayer

Info

Publication number: DE102004002764A1
Application number: DE200410002764
Authority: DE
Inventors: Johann Dr. Trenkler; Hartmut Dr. Enkisch
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2004-01-20
Filing date: 2004-01-20
Publication date: 2004-06-09

Abstract

Um Multilayer, insbesondere für den EUV- und weichen Röntgenwellenlängenbereich, bereitzustellen, die auch höheren thermischen Belastungen im Betrieb ausgesetzt werden können, ohne Einbußen in der Reflektivität und eine Verschiebung der Wellenlänge der maximalen Reflektivität hinnehmen zu müssen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, beim Aufbringen der Schichten ein gewisses Übermaß vorzuhalten und außerdem den Tempervorgang, der sich aus dem Aussetzen des Multilayers einer höheren thermischen Belastung durch Bestrahlung mit EUV-Licht nach und nach ergeben würde, vorweg zu nehmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Multilayern, insbesondere für den EUV- und weichen Röntgenwellenlängenbereich. Ferner betrifft sie einen Multilayer, insbesondere für den EUV- und weichen Röntgenwellenlängenbereich.
Multilayer sind aus periodischen Wiederholungen aufgebaut, wobei eine Periode im einfachsten Fall aus zwei Schichten besteht. Das eine Schichtmaterial sollte einen möglichst hohen Realteil des Brechungsindex aufweisen, während das andere Schichtmaterial einen geringen Realteil des Brechungsindex aufweisen sollte. Die Schicht mit hohem Realteil des Brechungsindex wird auch Spacer genannt, die Schicht mit kleinem Realteil des Brechungsindex wird auch Absorber genannt. Die Periodendicke sowie die Dicken der einzelnen Schichten werden in Abhängigkeit der Betriebswellenlänge gewählt, so dass bei dieser Betriebswellenlänge die Reflektivität maximiert wird.

Je nach Anforderung an das Reflektionsprofil sind diverse Ausgestaltungen des Multilayers denkbar. Bandbreite und Reflektivität lassen sich beispielsweise dadurch einstellen, dass man mehr als nur zwei Materialien in einer Periode vorsieht oder von der Konstanz der Schichtdicke oder auch von der Konstanz der Dickenverhältnisse abweicht (sogenannte Depth-graded multilayers). Zum Schutz vor äußeren Einflüssen wie Kontamination können Multilayer auch Schutzschichtsysteme aufweisen (s. z.B. US 5,958,605 ).

Multilayer werden z. B. in EUV-Lithographiegeräten zur Herstellung von Halbleiterbauelementen eingesetzt. Dort sind sie insbesondere in den Projektionssystemen sowie in den Beleuchtungssystemen zu finden. Insbesondere im Belichtungssystem und dort im Strahlengang nahe an der Strahlungsquelle sind die Multilayer einer Bestrahlung mit einer hohen Photonendichte ausgesetzt, die zu erhöhten Temperaturen führt.

Wegen ihrer amorphen Struktur, die auch zu Hohlräumen führen kann, weisen dünne Schichten geringere Dichten auf, als die entsprechenden Materialien als Festkörper. Die Dichten von dünnen Schichten lassen sich nicht einfach bestimmen. Man kann aber davon ausgehen, dass sie um ca 10 % geringer als die natürliche Dichte des Festkörpers des entsprechend Materials sind.

Daher haben Multilayer insbesondere für den EUV- und weichen Röntgenwellenlängenbereich die Eigenschaft, dass sich ihre Dichte bei erhöhten Temperaturen erhöht. Im gleichen Maße veringert sich ihre Periodenlänge bzw. die Schichtdicken und damit auch die Wellenlänge der maximalen Reflektivität. Im Extremfall kann sich die Periodenlänge so weit ändern, dass die mit dem Multilayer belegten optischen Elemente unbrauchbar werden.

Nicht ganz so schwerwiegend ist das Problem, wenn die Multilayerschichten über Magnetronsputtern aufgebracht werden. Denn bei diesem Herstellungsverfahren ist die Dichte der einzelnen Schichten prinzipiell höher als bei anderen Methoden. Allerdings hat man bei diesem Verfahren den Nachteil größerer Schichtrauhigkeiten, die zu einer suboptimalen Reflektivität führen.

Auf der 5. Internationalen Konferenz über die Physik von Röntgenmultilayerstrukturen (The 5th International Conference on the Physics of X-Ray Multilayer Structures, http://cletus.phys.columbia.edu/pxrms/) vom 5. bis 9. März 2000 in Charmonix, Frankreich haben gemäß dem veröffentlichten Abstract T. Feigl et al. in „EUV-Multilayers with high thermal stability„ Multilayer offenbart, die im EUV-Wellenlängenbereich eingesetzt werden und daher nicht nur eine hohe Reflektivität, sondern auch eine hohe thermische Stabilität aufweisen müssen. Bei den im EUV-Wellenlängenbereich oft eingesetzten Mo/Si-Multilayer bilden sich bei der Beschichtung des Multilayers amorphe Zwischenschichtendiffusionszonen. Werden die Multilayer oberhalb von 250°C getempert, sinkt die Reflektivität des Multilayers. Dies wird erklärt durch eine Verbreiterung der Zwischenschichten und der Kristallisation von Siliziden. Die Autoren haben herkömmliche Mo/Si-Multilayer, Mo/Si-Multilayer mit Mo₂C- und MoSi₂-Diffusionsbarrieren je einer Dicke von 0,6 nm sowie Mo₂Si-Multilayer in einem Temperaturbereich zwischen 300°C und 800°C untersucht. Die Multilayer wurden durch Magnetronsputtern beschichtet.

Im Rahmen der gleichen Konferenz wurde der Abstract von C. Montcalm zu „Reduction of residual stress in EUV Mo/Si multilayer mirrors with post-deposition thermal treatments" veröffentlicht. Dort geht es darum, die Spannungen in typischen hochreflektierenden EUV-MO/Si-Multilayern durch Tempern zu reduzieren. Die Spannungen werden vollständig reduziert, wenn der Multilayer auf bis zu 250°C aufgeheizt wird. Dafür muss aber ein Reflektivitätsverlust von 3,5 % in Kauf genommen werden. Heizt man den Multilayer nur auf 220°C auf, werden zwar die Spannungen nur um 85 % reduziert, der Reflektivitätsverlust beträgt aber auch nur 1,5 %.

In der 6. Internationalen Konferenz über die Physik von Röntgenmultilayerstrukturen (The 6th International Conference on the Physics of X-Ray Multilayer Structures, http://cletus.phys.columbia.edu/pxrms/) vom 3. bis 7. März 2002 in Charmonix, Frankreich finden sich in Form von Abstracts Publikationen von Sergiy Yulin et al. und A. K. Srivastava et al..

A. K. Srivastava et al.in „Thermal Studies on Mo/Si Multilayer by TEM" haben mit Hilfe von Transmissionselektronenmikroskopie das thermische Verhalten von Mo/Si Multilayern bei Temperaturen von bis zu 750°C untersucht. Bei dem Multilayer handelte es sich um zehn Paare von Molybdän und Silizium mit einer Periodizität von 9 nm. Die Molybdänschichtdicke betrug 2,5 nm und die Siliziumschichtdicke betrug 6,5 nm. Von Zimmertemperatur bis 400°C konnten keine strukturellen Änderungen beobachtet werden. Daraus haben sie geschlossen, dass sich dieser Multilayer im Wellenlängenbereich von 13 nm bis 30 nm und bei Temperaturen bis 400°C ohne Verschlechterung der Reflektivität verwenden lässt.

S. Yulin et al. in „Reflectivity and stability of Cr/Sc multilayers for the soff X-ray range" haben Cr/Sc-Multilayer, die für eine Betriebswellenlänge von 3,16 nm optimiert wurden, in einem Temperaturbereich von 100°C bis 500°C mit Hilfe von Röntgenstreuung und Transmissionselektronenmikroskopie untersucht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Multilayer, insbesondere für den EUV- und weichen Röntgenwellenlängenbereich, bereitzustellen, die auch höheren thermischen Belastungen im Betrieb ausgesetzt werden können, ohne Einbußen in der Reflektivität und eine Verschiebung der Wellenlänge der maximalen Reflektivität hinnehmen zu müssen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Multilayern, insbesondere für den EUV- und weichen Röntgenwellenlängenbereich mit den Schritten:

– Ermitteln der Sollschichtdicke d_i für jede Schicht i;
– Aufbringen der Schichten auf ein Substrat, wobei mindestens eine Schicht j eine Schichtdicke d_j + ε, ε > 0 aufweist;
– Tempern des Multilayers nach Aufbringen der obersten Schicht.

Außerdem wird die Erfindung durch einen Multilayer gelöst, insbesondere für den EUV- und weichen Röntgenwellenlängenbereich, bei dem vor erstmaligem Gebrauch die Dichte der einzelnen Schichten nur unwesentlich geringer als die natürliche Dichte des entsprechenden Materials als Festkörper ist.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, einerseits beim Aufbringen der Schichten ein gewisses Übermaß vorzuhalten und außerdem den Tempervorgang, der sich aus dem Aussetzen des Multilayers einer höheren thermischen Belastung durch Bestrahlung mit EUV-Licht nach und nach ergeben würde, vorweg zu nehmen.
Bei der Herstellung des Multilayers wird die Periodenlänge gegenüber dem Designwert um einen Vorhalt ε erhöht, der von der erwarteten Betriebstemperatur abhängt. Anschließend wird das Substrat zusammen mit dem Multilayer bei Temperaturen leicht über der Betriebstemperatur getempert. Dadurch verdichtet sich der Multilayer und die Periodenlänge reduziert sich auf den Designwert. Durch die Verdichtung vor Inbetriebnahme des Multilayers sinkt ferner das Risiko der langfristigen Schichtdickendegeneration, da Größe und Anzahl der Hohlräume bereits durch das Tempern reduziert sind.
Die Erfindung lässt sich gleichermaßen auf Multilayersysteme ohne und mit Schutzschichtsystem anwenden.
Der resultierende Multilayer weist Schichtdichten auf, die nur unwesentlich geringer als die Dichte des entsprechenden Materials ist. Durch das Tempern werden die dünnen Schichten verdichtet, so dass ihre Dichte anstatt um ca. 10% nur noch um ca. 3 % bis 4 % geringer als die Dichte des entsprechenden Festkörpers ist.
Es hat sich herausgestellt, dass bei den gängigen Multilayern ein Tempern bei Temperaturen zwischen ca. 55°C und 115°C zu einem Verdichten der Schichten ohne negative Auswirkung für die Reflektivität führt. Bevorzugt werden Temperaturen zwischen 60°C und 85°C. Die Dauer des Tempervorgangs liegt vorteilhafterweise zwischen ca. 12 Stunden und ca. 36 Stunden. Es ist zu beachten, dass die Tempertemperatur und die Temperzeit miteinander korrelieren und in Abhängigkeit von den Materialien des jeweiligen Multilayers zu optimieren sind.
Die Erfindung soll anhand des vorliegenden Beispiels näher erläutert werden:
Durch ionengestütztes Elektronenstrahlverdampfen werden auf ein Si-Substrat 45 Mo- und 45 Si-Schichten alternierend aufgebracht. Die Mo-Schichten weisen eine Dicke von 2,84 nm auf. Die Si-Schichten weisen eine Dicke von 4,21 nm auf. Nach dem Aufbringen der Schichten wird der Multilayer 48 Stunden lang bei 70°C getempert. Nach dem Tempervorgang haben sich die Mo-Schichten auf eine Dicke von 2,74 nm und die Si-Schichten auf eine Dicke von 4,11 nm verdichtet. Dieser Multilayer zeigt nun bei einer Betriebswellenlänge von 13,5 nm eine maximale Reflektivität von 65 %. Bei einer Betriebstemperatur von 50°C stellen sich keine weiteren Verdichtungseffekte ein. Auch im Dauerbetrieb von 50°C stellt sich also kein für die Reflektivität negativer Effekt durch die thermische Belastung ein.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Multilayern, insbesondere für den EUV- und weichen Röntgenwellenlängenbereich, mit den Schritten: – Ermitteln der Sollschichtdicke d_i für jede Schicht i; – Aufbringen der Schichten auf ein Substrat, wobei mindestens eine Schicht j eine Schichtdicke d_j + ε, ε > 0 aufweist; – Tempern des Multilayers nach Aufbringen der obersten Schicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tempertemperatur zwischen ca. 55°C und ca. 115°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tempertemperatur zwischen ca. 60°C und ca. 85°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperzeit zwischen ca. 12 Stunden und 36 Stunden liegt.
Multilayer, bei dem vor erstmaligem Gebrauch die Dichte der einzelnen Schichten nur unwesentlich geringer als die Dichte des entsprechenden Materials ist.