TWI649011B - 多層反射鏡 - Google Patents

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Abstract

一種具有一多層結構蓋體包括一頂層及各具有一吸收層和一間隔層之一系列雙層的多層反射鏡，該用於頂層、吸收層和間隔層之材料係選自抗起泡材料。

Description

多層反射鏡 發明領域
本發明之揭示係關於光學元件，其被設計以在該光學元件中易受污染和磨損的環境中操作。此類環境之實例為通過靶材(target material)之放電或雷射剝蝕所生成等離子體用以產生極紫外線("EUV")輻射之儀器的真空室。在此專利申請書中，該光學元件被用於，例如，收集和引導輻射以供真空室外部使用，諸如供用於半導體光蝕刻。
發明背景
極紫外線輻射，例如具有約50nm或更短之波長(有時亦被稱為軟X射線)的電磁波輻射，以及包括波長約13.5nm之輻射，可被用於光蝕刻製程，以於基板例如矽晶圓中產生極小圖案。
產生EUV輻射的方法包括將靶材從液態轉變成等離子態。該靶材較佳為包含至少一種元素，例如，氙、鋰或錫，在EUV範圍內具有一或多種發射譜線。在一此類方法中，通常被稱為雷射激發等離子體("LPP")，藉由利用 一雷射光束照射一具有所需射線發射元素之靶材而產生所需等離子體。
一LPP技術涉及產生一連串靶材霧滴及以雷射輻射脈衝照射其至少一些霧滴。在更多理論語詞中，藉由蓄積雷射能量進入具有至少一EUV輻射元素，例如氙(Xe)、錫(Sn)或鋰(Li)之靶材內所產生LPP源可產生具有數十eV電子溫度之強電離等離子體。
去激發和重組這些離子期間所產生的帶能輻射由該等離子體向四面八方發射。在一常見配置中，被放置一近法向入射鏡(通常稱為"集光鏡"或簡稱為"聚光鏡")以收集、引導，以及在一些配置中，將輻射聚集至一中間位置。該收集輻射然後被從中間位置中繼至一組掃瞄器鏡頭以及最後至一晶圓。
在光譜的EUV部分中，就聚光鏡而言，使用反射光學通常被視為必需。於其所涉及波長，該聚光鏡以作為一多層反射鏡("MLM")為優選。如其名所示，此MLM通常係於基材或基板上由材料之交替層所製成。
該光學元件必需與等離子體被置於真空室之間以收集和重導該EUV輻射。腔內環境與光學元件相抵觸而因此限制其有用壽命，例如，導因於折射率的劣化。環境內的光學元件可能被暴露於靶材的高能離子或粒子。靶材之粒子可污染光學元件的暴露表面。靶材之粒子亦可導致MLM表面的物理損害和表面加熱。該靶材特別可與至少一層光學元件表面所構成的材料如鉬和矽相反應。即使利用 例如錫、銦或氙之低反應性靶材，仍需考慮其溫度安定性、離子植入以及擴散的問題。亦必需避免MLM塗層發泡的問題。
儘管這些嚴峻條件，仍存在增加光學元件壽命的可運用技術。例如，一覆蓋層(capping layer)可被置於光學元件表面以保護該光學元件的表面。為使該覆蓋層更具反射性，亦可隔開該多層以增加於該被反射之輻射波長的反射率。
然而，此類多層蓋體層，其本身易受到機械性損害，例如氫擴散和起泡。於某些系統中，於真空室使用於0.5至3mbar範圍的H2氣壓力以減少碎片。在無氣體的真空壓力之下，將不易適當地防護聚光鏡免受等離子體射出之靶材碎片損害。氫對於具有約13.5nm波長之EUV輻射為相對透明，因此優於其他候選氣體如氦、氬或其他氣體，其在約13.5nm呈現較高吸收度。
H2氣被導入真空室以減緩等離子體所產生靶材的高能碎片(離子、原子和粒子團(clusters))。藉由與氣體分子的碰撞以減緩其碎片。基於此目的，一H2氣體流亦可被使用，其或可與該碎片軌線相牴觸。此用於降低沈積、佈植和濺鍍靶材於聚光鏡之光學鍍膜上的損傷。利用此方法，藉由於這些壓力下在等離子體位置和聚光鏡表面之距離間的許多氣體碰撞，據信可以減緩帶有數keV至數十eV的能量的帶能粒子。
導入H2氣體進入真空室的另一理由為便於清潔 聚光鏡表面。由等離子體生成的EUV輻射藉由解離氫分子以產生氫自由基。該氫自由基繼而幫助清潔該聚光鏡表面使靶材鍍膜免於沉積至聚光鏡表面上。例如，以錫作為靶材之情況，氫自由基於聚光鏡表面上參與反應而導致形成可被泵離之揮發性錫烷氣體(SnH4)。為了使此化學路徑變得更有效率，較佳為在聚光鏡表面有低的氫復合率(再形成H2分子)而可使氫自由基取代用於附著至錫形成SnH4。一般而言，由非金屬化合物如氮化物、碳化物、硼化物和氧化物所構成的表面與純金屬構成表面比較具有一較低氫復合率。
然而，藉由利用位於塗層上的輕氫原子和分子使用H2氣體，對於被施加在聚光鏡上的塗層具有一負面影響。已認為氫原子相當小而可輕易地擴散數層深入被配置為多層反射鏡的一聚光鏡內。若離子減速不足，氫可被植入且亦可擴散入聚光鏡蓋體，以及蓋體下方之多層反射鏡的各層內。這些現象對最外層的影響最為嚴重。
一旦原子氫侵入多層反射鏡體內，其可結合至矽，而陷入邊界層和界面層，或兩者。這些效應的強度需視氫於這些區域內的數量和濃度而定。若氫濃度高於一定閥值其可形成氣態氫化合物的氣泡，而再結合至H2分子或許亦可形成SiH4。此現象通常在覆蓋層下方或最外矽層發生最為嚴重。當開始形成氣泡時，有極高可能於存在額外氫之下將繼續生長。若形成此類氣泡，則其內部氣體壓力將使位於氣泡上方的覆蓋層變形。此覆蓋層可能破裂，因此釋 出氣體而導致塗層上形成發泡，其體積通常為數十nm。
發泡塗層產生許多問題。其具有較大表面積而更易被氧化和其他污染物以及被沈積之靶材所劣化。由於有較高吸收率，此通常導致EUV反射率的降低。一發泡塗層由於有較大粗糙度亦可散射更多光線，因此明顯導致EUV反射率的降低，即使未損壞層下方仍可反射EUV光線，甚且是已藉由清潔移除靶材沈積物。
除了這些影響之外，氫的吸收和穿透性亦可導致金屬層的脆裂以及因此造成覆蓋層的劣化。
因此亟需開拓一種關於利用一多層覆蓋層以增強EUV反射率同時又具有抗起泡覆蓋層的利益。
為了提供對具體實施例的基本瞭解，下列出示一或多種具體實施例的簡單概要。此概要並非全部涉及具體實施例的多方面概述，以及非擬作為全部具體實施例的識別關鍵或重大要素亦非設限於任何或全部具體實施例。其唯一的目的係以簡化形式提出一或多種具體實施例的一些概念以作為下文本發明中更詳細說明的前言。
根據本發明的一態樣，提供一種多層反射鏡，其包含一基板、一於基板上的多層鍍膜，以及一於多層鍍膜上的覆蓋層，其中該覆蓋層包含括一最外層，該最外層包含對於靶材沈積具有高抗性之材料，以及介於最外層和該基板之間的多層結構，該多層結構包含複數個雙層，各個雙層包含一間隔層，其包含一對氫擴散和發泡具有抗性的 材料，以及一吸收層，其包含一對離子透入具有抗性的材料。
該最外層可為一氮化物或氧化物，其對靶材沈積具有高抗性、對入射離子之良好降能，以及低二次電子產生率的，例如ZrN、Si3N4、YN、ZrO2、Nb2O5，和TiO2。間隔層較佳為由抗氫-擴散和發泡材料所製成，例如氮化物、碳化物和硼化物。該吸收層較佳為由適當氧化物、氮化物或可降低入射離子透入的金屬層所製成。用於氮化物層的適當材料包括Si3N4和YN。用於碳化物和硼化物層的適當材料包括B4C、C、ZrC和YB6。用於氧化物層的適當材料包括ZrO2、TiO2、Ta2O5和Nb2O5。用於金屬層的適當材料包括Mo2C、Mo和W。
20‧‧‧輻射源
22‧‧‧連續輻射源
24‧‧‧靶向傳遞系統
26‧‧‧內部腔室
28‧‧‧輻射區
30‧‧‧聚光鏡
40‧‧‧中間點、中間焦點
50‧‧‧光刻工具
52‧‧‧工件
100‧‧‧基板
110‧‧‧多層鍍膜
120‧‧‧蓋體、覆蓋層
130‧‧‧最外層、最上層
140‧‧‧雙層
150‧‧‧間隔層
160‧‧‧吸收層
圖1為根據本發明一態樣之雷射激發等離子體EUV輻射源系統，顯示一整體大略概念之不按比例的示意圖。
圖2為具有多層覆蓋層之EUV光學元件之不按比例的截面示意圖。
現在參考附圖說明各種具體實施例，其中全文中使用相同元件編號表示相同元件。在下列說明中，為解釋之目的，說明了許多具體細節以促進對一或多種具體實施例的通盤瞭解。然而，在一些或一切情況下顯而易見可實施下述任何具體實施例而不需採用下列說明的特定設計細 節。在其他情況下，為了便於描述一或多種具體實施例於方塊圖形式中顯示其習知構造和裝置。
首先參考圖1，其顯示根據本發明具體實施例之一態樣的範例EUV輻射源，例如一雷射激發等離子體EUV輻射源20。如所示，該EUV輻射源20包括一脈衝或連續輻射源22，其可為例如一產生於10.6μm輻射之排放CO2輻射源的脈衝氣體。該排放CO2輻射源可能為具有於高壓及高脈衝重複率之直流(DC)或射頻(RF)電壓激發下所操作的脈衝氣體。
該EUV輻射源20亦包括一以液滴或一連續液流形式用於輸送靶材之靶向傳遞系統24。該靶材可由錫或錫化合物所製成，但亦可使用其他材料。該靶向傳遞系統24將靶材導入內部腔室26至一輻射區28，靶材於該處被照射而產生等離子體。在某些情況下，一電荷被置於靶材上以允許靶材被轉向或遠離輻射區28。應注意此處所使用的輻射區係一個可能發生靶材輻照的區域，以及係一甚至有時未實際發生輻照的輻射區。
延續圖1，該輻射源20亦包括一或多個光學元件。在下列討論中，使用一聚光鏡30作為一此類光學元件的實例，但此討論亦應用於其他光學元件。該聚光鏡30可為一法向入射反射鏡，例如以MLM付諸實施，亦即一塗佈以有附加薄阻隔層之鉬/矽(Mo/Si)多層，如B4C、ZrC、Si3N4或C，沈積於各介面以有效阻斷熱致間層擴散的碳化矽(SiC)基板。亦可使用其他基板材料，例如鋁(Al)或矽(Si)。聚光鏡30可 為一具有允許雷射輻射通過以及到達該輻射區28之隙縫的長橢球形(prolate ellipsoid)。該聚光鏡30可為具有一於輻射區28之第一焦點以及一於所謂中間點40(亦稱為中間焦點40)之第二焦點的形狀，例如橢圓球狀，其EUV輻射可被從EUV輻射源20輸出以及輸入至，例如一積體電路光刻工具50，其利用輻射以一已知方法處理例如，一矽晶圓工件52。該矽晶圓工件52然後以一已知方法被另外加工而獲得一積體電路裝置。
如上所述，設計一光學元件如聚光鏡30在技術上的挑戰為延長其壽命。延長聚光鏡30壽命的一種方法為利用最外覆蓋層的保護以避免損壞。該覆蓋層系統的優勢為其本身由數個交替間隔層和吸收層以提供增強聚光鏡鍍膜之EUV反射(例如於13.5nm波長)所構成的多層系統。恰如與聚光鏡30之主要鍍膜(Mo/Si)的多層相同，該多層覆蓋層系統亦具有以雙層間距配合至其入射角作為聚光鏡30之半徑函數的一梯度化設計。
圖2所示為具有多層蓋體之MLM聚光鏡30的一實例，其係通過此類聚光鏡一部分的一截面。如其所示，該聚光鏡30包括一基板100。一多層鍍膜110係位於該基板30上。該多層鍍膜110係以已知方式由材料，例如鉬和矽之交替層所製成。位於多層鍍膜110上係一覆蓋層120，其係由一最外層130和一系列重複雙層140所製成。各個雙層140較佳為包括一間隔層150和一吸收層160。圖2顯示一具有五個雙層的配置，但熟知本領域之技術者將輕易地瞭解可使 用其他數目的雙層。
該多層蓋體之目的為保護聚光鏡30而不過度降低聚光鏡30於選定波長，例如13.5nm，的整體反射率。然而，選擇用於多層蓋體內之該層的材料較佳為可抗起泡和氫擴散。例如，含有矽例如氮化鋯/矽(ZrN/Si)雙層或鎢/矽(W/Si)雙層的多層蓋體雙層可能傾向發生起泡。此歸因於該矽層內的氫反應，其於邊界層的懸浮鍵(dangling bonds)與氫和整個層體相反應。該反應能於矽層內部形成SiH4(矽烷)和氫蝕起泡(hydrogen blisters)。其他雙層組合例如鉬/釔(Mo/Y)無法提供氫擴散的有效阻隔作用。
因此有利於提供一種保護該聚光鏡30鍍層對抗靶材(如，錫)沈積、氫離子穿透、氫擴散和氫或氧導致起泡的覆蓋層系統。
藉由選擇適當氮化物、碳化物和硼化物(例如四氮化三矽(Si3N4)、氮化鋯(ZrN)、碳化矽(SiC)、碳(C)、氮化釔(YN)、六硼化釔(YB6)、碳化鋯(ZrC)、六硼化矽(SiB6)和碳化硼(B4C))作為用於蓋體多層系統之間隔層的材料，可降低氫擴散入該多層鍍膜以及減少間隔層內與氫的反應而導致能對抗其形成氫引發起泡。藉由選擇適當氧化物、氮化物或金屬層(例如五氧化鉭(Ta2O5)、二氧化鈦(TiO2)、二氧化鋯(ZrO2)、五氧化鈮(Nb2O5)、三氧化二釔(Y2O3)、氧化鋁(Al2O3)、氮氧化鈦鋁(TiAlON)、氮化鋯、氮化矽(SiN)、氮化鈦(TiN)、鉬、鎢和鋯)作為吸收層的材料，可保護最上層提高對抗錫沈積和保護對抗氫穿透和靶材穿透，以及在 某種程度上增加其對抗氫擴散的能力。
再參考圖2，該蓋體120的最外層130較佳為一具有對靶材沈積具有高抗性的氮化物或氧化物。實際上，這些材料較佳為對氫原子具有低再復合速率而使錫烷具有高形成率。這些典型為具有範圍在約10-4至約10-3之氫復合係數的材料。此實際上意味著材料由於在其復合至H2之前能與錫反應而呈現良好錫清除率(cleaning rate)。舉例來說，不銹鋼金屬具有2.2 x10-3的復合係數。一用於蓋體120之最上層130的優選材料亦較佳為對入射離子呈現良好降能(energy reduction)以及低二次電子產生率。具有低復合係數、入射離子良好降能，以及低二次電子產生率之材料的實例包括ZrN、TiO2、Ta2O5，和ZrO2。
該間隔層較佳為由抗氫擴散和起泡材料例如氮化物和碳化物所製成。該間隔層較佳為非晶態生長以有效地阻隔氫擴散。一些材料在薄膜層內呈現微晶生長。對此類材料而言，氫可於結晶層內沿著晶界更輕易地擴散；因此，具有低缺陷密度(defect densities)之非晶態生長層和層為較佳的氫阻隔層。碳化物、硼化物和氮化物被認為是一種良好氫擴散阻隔層。一般而言，陶瓷被認為是用於氫擴散的一種良好阻隔層。同樣，該間隔層較佳為由與氫反應相對惰性的材料所製成。例如SiC(碳化矽)具有全部矽和碳之間的飽和鍵而因此不易產生起泡。顯示微晶生長之氮化釔(YN)對氫擴散而言與純釔比較係一種較佳阻隔層。
該吸收層較佳為由適當氧化物或金屬層所製成， 其可減少入射離子的透入。換言之，該用於吸收層的材料對氫離子的碰擴撞而言較佳為具有相對高的阻滯力(stopping power)。此意味著有相對大的較佳阻擋截面。氫離子較佳為具有不能穿透超過數奈米材料之約100eV的能量。ZrO2為此類材料的實例。至於金屬而言，鉬為一較佳材料，以及就一些應用上而言由於碳化鉬(Mo2C)具有與鉬幾乎相同的EUV反射率但較佳生長性質以及較佳的氫擴散性質，因此為較佳的"金屬"材料。
除了這些性質之外，覆蓋層內的層材料對於13.5nm波長的EUV輻射亦具有良好的透明度。
用於氮化物層的適當材料包括Si3N4、ZrN、YN、SiN、NbN、TiN，和BN。
用於碳化物層的適當材料包括SiC、B4C、C，和ZrC。
用於硼化物層的適當材料包括ZrB2、NbB2、YB6，和SiB6。
用於氧化物層的適當材料包括ZrO2、TiO2、Ta2O5、Nb2O5、Y2O3、Al2O3，和氮氧化鈦鋁(TiAlON)。
用於金屬層的適當材料包括Mo、W，和Mo2C。
用於吸收/間隔雙層之材料的目前較佳組合包括：以Mo作為吸收層的材料，及以Si3N4、YN、B4C、ZrC、C，或YB6作為間隔層的材料；以W作為吸收層的材料，及以Si3N4、YN、B4C、ZrC、C，或YB6作為間隔層的材料；以ZrO2作為吸收層的材料，及以Si3N4、YN、B4C、ZrC、C， 或YB6作為間隔層的材料；以Nb2O5作為吸收層的材料，及以Si3N4、YN、B4C、ZrC、C，或YB6作為間隔層的材料；以TiO2作為吸收層的材料及以Si3N4、YN、B4C、ZrC、C，或YB6作為間隔層的材料；以及以Mo2C作為吸收層的材料，及以Si3N4、YN、B4C、ZrC、C，或YB6作為間隔層的材料。
以上描述包括一或多種具體實施例的實例。其當然無法描述用於說明上述具體實施例之組分或方法的每一種可能組合，但是熟習本領域技術者可瞭解各種具體實施例的許多其他可能組合及排列。因此，所描述具體實施例應包括此類的變化、變異及改良，並且其仍屬於本申請專利範圍附件的精神和範圍內。此外，在詳細說明或申請專利範圍內使用"包括"之術語，此類術語擬總括類似"包含"之術語，其當應用於申請專利範圍內作為轉折詞時被推斷為"包含"之意。再者，雖然所述態樣及/或具體實施例係以單數形態描述或宣稱其元件，但是除非已明確述明其為單數其意指複數。另外，除非另有明述否則任何其他態樣及/或具體實施例之全部或一部分可被利用於全部或一部分的任何態樣及/或具體實施例。

Claims (13)

  1. 一種多層反射鏡(multilayer mirror)，其包含：一基板；一於該基板上的多層鍍膜；以及一於該多層鍍膜上的覆蓋層(capping layer)，該覆蓋層包含一最外層(outermost layer)，其包含對於靶材沈積具有高抗性之材料，以及一多層結構，其被置於該最外層和該基板之間，該多層結構包含複數個雙層(bilayer)，各個雙層包含：一間隔層，其包含一對氫擴散和發泡(blistering)具抗性之材料；以及一吸收層，其包含一對離子透入具抗性之材料。
  2. 如請求項1之多層反射鏡，其中該最外層包含一第一氧化物材料或一第一氮化物材料。
  3. 如請求項2之多層反射鏡，其中該第一氧化物材料包括含ZrO2、TiO2，和Nb2O5之材料群組中之一。
  4. 如請求項2之多層反射鏡，其中該第一氮化物材料包括含ZrN和YN之材料群組中之一。
  5. 如請求項1或2之多層反射鏡，其中至少一間隔層包括含一第二氮化物材料、一碳化物材料，和一硼化物材料之材料群組中之一。
  6. 如請求項5之多層反射鏡，其中該第二氮化物材料包含Si3N4或YN。
  7. 如請求項5之多層反射鏡，其中該碳化物材料包括含B4C、C，和ZrC之材料群組中之一。
  8. 如請求項5之多層反射鏡，其中該硼化物材料包含YB6。
  9. 如請求項1或2之多層反射鏡，其中至少一間隔層係非晶態生長以有效地阻隔氫擴散。
  10. 如請求項1或2之多層反射鏡，其中至少一吸收層包含一第二氧化物材料。
  11. 如請求項10之多層反射鏡，其中該第二氧化物材料包括含ZrO2、TiO2，和Nb2O5之材料群組中之一。
  12. 如請求項1或2之多層反射鏡，其中至少一吸收層包含一金屬材料。
  13. 如請求項12之多層反射鏡，其中該金屬材料包括含Mo2C、Mo，和W之材料群組中之一。
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