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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein reflektives optisches Element für den extremen ultravioletten und weichen Röntgenwellenlängenbereich mit einem Viellagensystem aus alternierend angeordneten Lagen aus Material unterschiedlichen Realteils des Brechungsindex bei der Wellenlänge maximaler Reflektivität des reflektiven optischen Elements auf einem Substrat. Außerdem bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein optisches System für die EUV-Lithographie sowie eine EUV-Lithographievorrichtung mit einem derartigen reflektiven optischen Element.
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In EUV-Lithographievorrichtungen werden zur Lithographie von Halbleiterbauelementen reflektive optische Elemente für den extremen ultravioletten (EUV) und weichen Röntgen(SX)-Wellenlängenbereich (z. B. Wellenlängen zwischen ca. 5 nm und 20 nm) wie etwa Photomasken oder Spiegel auf der Basis von Viellagensystemen eingesetzt. Da EUV-Lithographievorrichtungen in der Regel mehrere reflektive optische Elemente aufweisen, müssen diese eine möglichst hohe Reflektivität aufweisen, um eine hinreichend hohe Gesamtreflektivität sicherzustellen. Da üblicherweise in einer EUV-Lithographievorrichtung mehrere reflektive optische Elemente hintereinander angeordnet sind, wirken sich auch schon geringere Reduzierungen der Reflektivität jeden einzelnen reflektiven optischen Elements in größerem Maße auf die Gesamtreflektivität aus.
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Oft werden in der EUV-Lithographie reflektive optische Elemente eingesetzt, die auf einem Viellagensystem basieren. Dabei handelt es sich um alternierend aufgebrachte Lagen eines Materials mit höherem Realteil des Brechungsindex bei der Arbeitswellenlänge, bei der beispielsweise die lithographische Belichtung durchgeführt wird, (auch Spacer genannt) und eines Materials mit niedrigerem Realteil des Brechungsindex bei der Arbeitswellenlänge (auch Absorber genannt), wobei ein Absorber-Spacer-Paar einen Stapel bzw. eine Periode bildet. Dadurch wird in gewisser Weise ein Kristall simuliert, dessen Netzebenen den Absorberlagen entsprechen, an denen Bragg-Reflexion stattfindet.
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Die tatsächliche Reflektivität solcher Viellagensysteme bei der Wellenlänge, für die sie ausgelegt sind, ist oft niedriger als die ideale Reflektivität. U. a. können sich aufgrund negativer Bildungsenthalpie an den Grenzflächen zwischen den Lagen unterschiedlichen Realteils des Brechungsindex Mischlagen ausbilden. Dadurch ändern sich die Dicken der Absorber- und Spacerlagen und ebenso der optische Kontrast. Ersteres verursacht eine Änderung der Wellenlänge maximaler Reflektivität, beide Effekte zusammen in der Regel eine Reduzierung der maximalen Reflektivität. Dieser Effekt kann bei hoher Wärmelast und dadurch bedingter Erhöhung der Temperatur des reflektiven optischen Elements sehr verstärkt werden. Die Mehrzahl der bisher bekannten reflektiven optischen Elemente auf der Basis von Viellagensystemen sollte daher nicht bei Temperaturen von mehr als ca. 100°C eingesetzt werden. Durch das Vorsehen von Zwischenlagen, die als Diffusionsbarrieren wirken, können unter Umständen auch Betriebstemperaturen von bis zu 200°C toleriert werden. Aber insbesondere bei reflektiven optischen Elementen, die im Strahlengang sehr nah an der Strahlungsquelle angeordnet sind, lässt es sich nicht immer verhindern, dass sie gelegentlich einer so hohen Wärmelast ausgesetzt sind, dass auch Temperaturen von deutlich über 200°C auftreten können. Dadurch können herkömmliche reflektive optische Elemente irreversibel zerstört werden.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein reflektives optisches Element bereit zu stellen, das auch hoher Wärmelast standhält.
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Diese Aufgabe wird durch ein reflektives optisches Element für den extremen ultravioletten und weichen Röntgenwellenlängenbereich mit einem Viellagensystem aus alternierend angeordneten Lagen aus Material unterschiedlichen Realteils des Brechungsindex bei der Wellenlänge maximaler Reflektivität des reflektiven optischen Elements auf einem Substrat gelöst, bei dem es sich bei einem Material mit geringeren Realteil des Brechungsindex um eine anorganische Metallverbindung handelt und bei denen auf mindestens einer Seite einer oder mehrerer Lagen aus der anorganischen Metallverbindung eine als Diffusionsbarriere dienende Zwischenlage angeordnet ist.
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Es hat sich herausgestellt, dass das Verwenden von einer anorganischen Metallverbindung als Absorbermaterial in Verbindung mit einer Diffusionsbarriere zumindest auf einer Seite einer Absorberlage für viele Kombinationen von Absorber- und Spacermaterialien das Ausbilden von Mischlagen so wirkungsvoll unterdrücken kann, dass auf derartigen Viellagensystemen basierende reflektive optische Elemente zumindest über wenige Stunden auch Temperaturen von über 200°C standhalten können, ohne einen zu starken Abfall der maximalen Reflektivität bei der Wellenlänge, für die sie ausgelegt sind und bei der sie eingesetzt werden, aufzuweisen. Besonders bevorzugt wird dabei die Zwischenlage an der dem Substrat zugewandten Seite einer Lage aus einer anorganischen Metallverbindung vorgesehen, um einem Reflektivitätsabfall bei längerer Benutzung bzw. bei Wärmeeinwirkung entgegenzuwirken.
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Vorteilhafterweise ist an allen Lagen aus der anorganischen Metallverbindung mindestens eine als Diffusionsbarriere dienende Zwischenlage angeordnet, um die thermische Langzeitstabilität des jeweiligen reflektiven optischen Elements weiter zu erhöhen.
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Bevorzugt ist an beiden Seiten einer, mehrerer oder aller Lagen der anorganischen Metallverbindung eine als Diffusionsbarriere dienende Zwischenlage angeordnet, um die thermische Langzeitstabilität des jeweiligen reflektiven optischen Elements besonders wirksam zu erhöhen. Vorteilhafterweise weist jede Lage aus einer anorganischen Metallverbindung auf beiden Seiten eine Diffusionsbarriere auf.
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Es ist von Vorteil, wenn die Zwischenlage oder -lagen an beiden Seiten einer Lage aus einer anorganischen Metallverbindung aus demselben Material sind. Dadurch lässt sich der Herstellungsprozess vereinfachen und beschichtungstechnisch bedingte Fehlerquellen reduzieren.
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In bevorzugten Ausführungsformen des reflektiven optischen Elements weist das Zwischenlagenmaterial eine Aktivierungsenergie für eine Reaktion mit der anorganischen Metallverbindung und/oder dem Material mit höherem Realteil des Brechungsindex auf, die höher ist als die Aktivierungsenergie für eine Reaktion zwischen der anorganischen Metallverbindung und dem Material mit höherem Realteil des Brechungsindex. Durch die Wahl derartiger Materialien kann gewährleistet werden, dass auch über längere Zeiträume und/oder unter Wärmeeinwirkung die Bildung von Mischlagen zwischen bestehenden Lagen, insbesondere den alternierend angeordneten Lagen mit unterschiedlichen Realteil des Brechungsindex bei der Wellenlänge maximaler Reflektivität des reflektiven optischen Elements, möglichst unterdrückt wird und somit die optischen Eigenschaften des reflektiven optischen Elements auch bei längerer Beanspruchung möglichst konstant bleiben.
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Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere reflektive optische Elemente mit Viellagensystemen, bei denen die Zwischenlage oder -lagen und ggf. die weitere Zwischenlage oder -lagen aus einer nichtmetallischen Substanz sind, die mit einem Metall die anorganische Metallverbindung bildet, überdurchschnittliche Lebensdauern auch bei Temperaturen über 200°C erreichen können.
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Vorzugsweise ist bzw. sind die Zwischenlage oder -lagen aus Kohlenstoff, Bor oder Borkarbid. Vorteilhafterweise ist die anorganische Metallverbindung aus Molybdänkarbid, Molybdänborid, Molybdännitrid, Niobsilizid, Yttriumsilizid oder einer Kombination davon. Es sei darauf hingewiesen, dass die vorgenannten anorganischen Metallverbindungen stellvertretend genannt sind für alle denkbaren stöchiometrischen Verhältnisse von Metall zu Nichtmetall in der jeweiligen anorganischen Metallverbindung, insbesondere diejenigen, bei denen die Verbindung auch in makroskopischen Mengen als stabile Verbindung vorliegt. Aber da die Lagen Dicken im Nanometer- bis Subnanometerbereich aufweisen, können auch andere stöchiometrischen Verhältnisse vorliegen. Bevorzugt ist das Material mit höherem Realteil des Brechungsindex Silizium. Mit einem oder mehreren dieser Materialien können besonders langzeit- bzw. wärmestabile reflektive optische Element zur Verfügung gestellt werden.
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Besonders hohen Temperaturen, d. h. auch deutlich über 200°C können ohne untolerierbaren Reflexionsabfall reflektive optische Elemente mit Viellagensystemen standhalten, bei denen die Zwischenlage oder -lagen und ggf. die weitere Zwischenlage oder -lagen aus Kohlenstoff sind und die anorganische Metallverbindung ein Metallkarbid ist. In besonderes bevorzugten Ausführungsformen, die insbesondere für Wellenlängen zwischen 12,5 nm und 15 nm geeignet sind, ist dabei die anorganische Metallverbindung Molybdänkarbid und sind die dazu alternierend angeordneten Lagen aus einem Material mit höherem Realteil des Brechungsindex aus Silizium. Es hat sich herausgestellt, dass derartige reflektive optische Elemente zumindest über einige Stunden sogar Temperaturen von über 500°C standhalten können.
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Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein optisches System für die EUV-Lithographie sowie durch eine EUV-Lithographievorrichtung mit mindestens einem reflektiven optischen Element wie zuvor beschrieben. Bei den optischen Systemen kann es sich beispielsweise um ein Beleuchtungssystem oder ein Projektionssystem handeln.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Die vorliegende Erfindung soll unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dazu zeigen
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1 schematisch eine Ausführungsform einer EUV-Lithographievorrichtung mit Beleuchtungssystem und Projektionssystem mit reflektiven optischen Elementen;
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2 eine schematische Darstellungen einer bevorzugten Ausführungsform des reflektiven optischen Elements; und
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3 das mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) vermessenen Sputter-Tiefenprofil eines reflektiven optischen Elements nach einem fünfstündigen Aufheizen auf 600°C.
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In 1 ist schematisch eine EUV-Lithographievorrichtung 10 dargestellt. Wesentliche Komponenten sind das Beleuchtungssystem 14, die Photomaske 17 und das Projektionssystem 20. Die EUV-Lithographievorrichtung 10 wird unter Vakuumbedingungen betrieben, damit die EUV-Strahlung in ihrem Inneren möglichst wenig absorbiert wird.
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Als Strahlungsquelle 12 kann beispielsweise eine Plasmaquelle oder auch ein Synchrotron dienen. Im hier dargestellten Beispiel handelt es sich um eine Plasmaquelle. Die emittierte Strahlung einer Wellenlänge im Bereich von etwa 5 nm bis 20 nm wird zunächst vom Kollektorspiegel 13 gebündelt. Im in 1 dargestellten Beispiel weist das Beleuchtungssystem 14 zwei Spiegel 15, 16 auf, auf die der Betriebsstrahl vom Kollektorspiegel 13 weitergeleitet wird. Die Spiegel 15, 16 leiten den Strahl auf die Photomaske 17, die die Struktur aufweist, die auf den Wafer 21 abgebildet werden soll. Bei der Photomaske 17 handelt es sich ebenfalls um ein reflektives optisches Element für den EUV- und weichen Röntgenwellenlängenbereich, das je nach Herstellungsprozess ausgewechselt werden kann. Mit Hilfe des Projektionssystems 20 wird der von der Photomaske 17 reflektierte Strahl auf den Wafer 21 projiziert und dadurch die Struktur der Photomaske verkleinert auf ihn abgebildet. Das Projektionssystem 20 weist im dargestellten Beispiel zwei Spiegel 18, 19 auf. Es sei darauf hingewiesen, dass sowohl das Projektionssystem 20 als auch das Beleuchtungssystem 14 jeweils nur einen oder auch drei, vier, fünf und mehr Spiegel aufweisen können.
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Insbesondere der Kollektorspiegel 13, aber auch noch die Spiegel 15 und 16 können einer hohen bis sehr hohen Wärmelast ausgesetzt sein, z. B. aufgrund langwelligerer Strahlung, die ebenfalls von der Strahlungsquelle 12 emittiert wird. U. U. können auch die Photomaske 17 und die Spiegel 18, 19 des Projektionssystems 20 hoher Wärmelast ausgesetzt sein. Um die thermische Langzeitstabilität, aber auch die allgemeine Langzeitstabilität der einzelnen Spiegel 15, 16 des Beleuchtungssystems 14 bzw. 18, 19 des Projektionssystems 20 der EUV-Lithographievorrichtung 10 und ggf. auch der Photomaske 17 zu erhöhen, sind einzelne von ihnen oder auch alle als reflektives optisches Element für den extremen ultravioletten und weichen Röntgenwellenlängenbereich mit einer reflektiven Fläche mit einem Viellagensystem aus alternierend angeordneten Lagen aus Material unterschiedlichen Realteils des Brechungsindex bei der Wellenlänge maximaler Reflektivität des reflektiven optischen Elements auf einem Substrat ausgebildet, bei dem es sich bei einem Material mit geringeren Realteil des Brechungsindex um eine anorganische Metallverbindung handelt und bei dem auf mindestens einer Seite einer oder mehrerer Lagen aus der anorganischen Metallverbindung eine als Diffusionsbarriere dienende Zwischenlage angeordnet ist.
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In den 2a, b ist schematisch die Struktur beispielhafter Ausführungsformen von reflektiven optischen Elementen 50 dargestellt. Bei den dargestellten Beispielen handelt es sich um reflektive optische Elemente, die auf einem Viellagensystem 51 basieren. Dabei handelt es sich um alternierend aufgebrachte Lagen eines Materials mit höherem Realteil des Brechungsindex bei der Arbeitswellenlänge, bei der beispielsweise die lithographische Belichtung durchgeführt wird, (auch Spacer 55 genannt) und eines Materials mit niedrigerem Realteil des Brechungsindex bei der Arbeitswellenlänge (auch Absorber 54 genannt), wobei ein Absorber-Spacer-Paar eine Periode 53 bildet. Dadurch wird in gewisser Weise ein Kristall simuliert, dessen Netzebenen den Absorberlagen entsprechen, an denen Bragg-Reflexion stattfindet. Die Dicken der einzelnen Lagen 54, 55 wie auch der sich wiederholenden Periode 53 können über das gesamte Viellagensystem 51 konstant sein oder auch variieren, je nach dem, welches spektrale oder winkelabhängige Reflexionsprofil erreicht werden soll. Das Reflexionsprofil kann auch gezielt beeinflusst werden, indem die Grundstruktur aus Absorber 54 und Spacer 55 um weitere mehr und weniger absorbierende Materialien zu ergänzt wird, um die mögliche maximale Reflektivität bei der jeweiligen Arbeitswellenlänge zu erhöhen. Dazu können in manchen Stapeln Absorber und/oder Spacer-Materialien gegeneinander ausgetauscht werden oder die Stapel aus mehr als einem Absorber- und/oder Spacermaterial aufgebaut werden. Das Viellagensystem 51 ist auf einem Substrat 52 aufgebracht. Als Substratmaterialien werden bevorzugt Materialien mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten gewählt. Als Abschluss zum Vakuum hin kann eine Schutzschicht 59 aus einer oder mehrere Lagen als Schutz vor mechanischen und/oder chemischen Einwirkungen vorgesehen sein.
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In dem in 2a dargestellten Ausführungsbeispiel ist an allen Absorberlagen 54 auf ihrer dem Substrat 52 zugewandten Seite eine als Diffusionsbarriere dienende Zwischenlage 56 angeordnet. Im in 2b dargestellten Ausführungsbeispiel hingegen ist zusätzlich an allen Absorberlagen 54 auch auf ihrer vom Substrat 52 abgewandten Seite eine als Diffusionsbarriere dienende Zwischenlage 56 angeordnet, wobei im vorliegenden Beispiel die Zwischenlagen 56 auf beiden Seiten der Absorberlagen 54 aus demselben Material sind. In weiteren Ausführungsformen können auch nur an einzelnen oder mehreren Absorberlagen 54 ein oder zwei Zwischenlagen 56 angeordnet sein, die auch aus jeweils unterschiedlichen Materialien sein können. Bevorzugt sind alle Absorberlagen 54 bzw. alle Spacerlagen 55 aus jeweils demselben Material. In bestimmten Ausführungsformen können die Materialien aber auch variieren.
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Bevorzugt handelt es sich beim Material der Zwischenlagen 56 um eine nichtmetallische Substanz, die Bestandteil der die Absorberlagen 54 bildenden anorganischen Metallverbindung ist. Besonders bevorzugt handelt es sich um Zwischenlagen 56 aus Kohlenstoff, während die Absorberlagen 54 aus einem Metallkarbid sind.
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In weiteren Ausführungsformen sind die Zwischenlage oder -lagen 56 nicht aus Kohlenstoff, sondern aus Bor oder Borkarbid. Die Absorberlagen können auch aus einem Metallborid, Metallsilizid oder Metallnitrid sein, besonders bevorzugt neben Molybdänkarbid auch aus Molybdänborid, Molybdännitrid, Niobsilizid, Yttriumsilizid oder einer Kombination davon. Insbesondere für reflektive optische Element für den Wellenlängenbereich zwischen 5 nm und 20 nm, bevorzugt zwischen 12,5 nm und 16 nm ist das Material mit höherem Realteil des Brechungsindex Silizium.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Absorberlagen 54 aus Molybdänkarbid und die Spacerlagen 55 aus Silizium, während die Zwischenlagen 56 aus Kohlenstoff sind. Derartige reflektive optische Elemente 50 eignen sich insbesondere für den Einsatz bei einer Arbeitswellenlänge im Bereich zwischen 12,5 nm und 15 nm. Falls nicht auf beiden Seiten der Absorberlagen 54 jeweils eine Zwischenlage 56 vorgesehen sein soll, wird die jeweils eine Zwischenlage bevorzugt auf der dem Substrat 52 zugewandten Seite der jeweiligen Absorberlage 54 angeordnet.
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Ein Exemplar dieser Ausführungsform wurde zu Testzwecken 5 Stunden lang auf 600°C erhitzt und anschließend ein Sputter-Tiefenprofil mittels XPS erstellt. Zum Vergleich wurde ein XPS-Sputter-Tiefenprofil auch von einem identischen reflektiven optischen Element erstellt, das nicht erwärmt worden ist. Die Struktur einer Periode war bei beiden reflektiven optischen Elementen 10 nm Silizium, 2 nm Kohlenstoff, 5 nm Molybdänkarbid, 2 nm Kohlenstoff. Die Ergebnisse für das 5 Stunden lang auf 600°C erhitzte Exemplar sind in 3 als Punkte dargestellt, während die Ergebnisse für das Vergleichsexemplar als durchgezogene Linie dargestellt sind. Dazu wurden die unter Bestrahlung mit Röntgenstrahlung aus der Oberfläche emittierten Photoelektronen gemessen. Kohlenstoff ist dunkelgrau dargestellt, Silizium mittelgrau und Molybdän hellgrau. Die einzelnen Lagen sind trotz der starken Erwärmung quasi unverändert geblieben. Auch bei der maximalen Reflektivität wurden keine signifikanten Schwankungen festgestellt. Für eine Wellenlänge von 13,5 nm weisen die hier beschriebenen Molybdänkarbid-Silizium-Viellagensysteme mit Kohlenstoffzwischenlagen eine gegenüber herkömmlichen Molybdän-Silizium-Viellagensysteme eine nur um ca. 2% reduzierte maximale Reflektivität bei deutlich verbesserter allgemeiner und insbesondere thermischer Langzeitstabilität auf.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- EUV-Lithographievorrichtung
- 12
- EUV-Strahlungsquelle
- 13
- Kollektorspiegel
- 14
- Beleuchtungssystem
- 15
- erster Spiegel
- 16
- zweiter Spiegel
- 17
- Maske
- 18
- dritter Spiegel
- 19
- vierter Spiegel
- 20
- Projektionssystem
- 21
- Wafer
- 50
- reflektives optisches Element
- 51
- Viellagensystem
- 52
- Substrat
- 53
- Periode
- 54
- Absorber
- 55
- Spacer
- 56
- Zwischenlage
- 59
- Schutzschicht
