依據仿真模型提出一種提升EUV收集鏡反射率的方法

2021-01-21 應用光學國家重點實驗室

近日，中科院長春光機所應用光學國家重點實驗室金春水研究員團隊，運用分子動力學和動力學蒙特卡羅相結合的方法，建立了仿真磁控濺射法製備Mo/Si多層膜的完整物理模型；利用磁控濺射鍍膜機在不同基底傾角下製備了Mo/Si多層膜樣品，驗證了模型的準確性；並通過建立的模型提出了一種提升EUV收集鏡反射率的鍍膜方法。

極紫外光刻是最新一代光刻技術，已經用於7nm工藝節點量產。雷射等離子體光源收集鏡是極紫外光刻光學系統的關鍵元件之一，收集鏡表面需鍍制極紫外多層膜以提高反射率（極紫外光刻收集鏡和多層膜結構如圖1所示），多層膜決定了收集鏡性能的上限。因此，如何提升極紫外光刻收集鏡多層膜的反射率一直是極紫外光刻光源的重要研究目標。在過去的研究中，研究人員往往通過不斷地進行實驗來提高收集鏡的反射率。這種依靠經驗優化鍍膜工藝的過程猶如大海撈針，限制了極紫外光刻收集鏡反射率的進一步提升。

圖1. （a）極紫外光刻收集鏡實物圖；（b）極紫外多層膜工作原理圖；（c）Mo/Si多層膜截面圖

近日，中科院長春光機所應用光學國家重點實驗室金春水團隊，運用動力學蒙特卡羅和分子動力學相結合的方法，建立了磁控濺射沉積Mo/Si多層膜的完整物理模型。為了進行實驗驗證，研究團隊使用磁控濺射鍍膜機在基底傾斜的條件下製備了Mo/Si多層膜樣片。通過透射電子顯微鏡、X射線衍射儀、極紫外光譜儀、原子力顯微鏡等設備對多層膜樣片進行表徵；驗證了磁控濺射鍍膜模型的準確性，分析了導致收集鏡多層膜反射率降低的主要原因。最後，研究團隊基於建立的模型，提出一種提升極紫外光刻收集鏡反射率的工藝方法。

分子動力學方法是最常使用的模擬原子之間相互作用的方法之一。研究中，通過分子動力學方法仿真研究了高能量入射的Mo、Si原子與Mo、Si基底的相互作用。如圖2所示，高能量入射原子與基底相互作用主要包括以下四個過程（a）原子反射（b）原子再濺射（c）偏向擴散（d）動能輔助擴散。研究人員通過模擬不同入射角度和能量的Mo、Si原子與Mo、Si基底的碰撞過程，得到了上述物理過程與入射原子角度、能量之間的變化關係。

研究人員使用動力學蒙特卡羅方法模擬了低能量原子在基底上發生的熱擴散過程（如圖3所示）。首先計算原子在不同位置發生擴散時所需克服的勢壘能量；然後依據勢壘能量計算原子向不同方向擴散時的概率，最終模擬了低能量沉積原子熱擴散過程。通過模擬上述物理過程，研究人員建立了磁控濺射沉積Mo/Si多層膜的完整物理模型。

圖2. （a）原子反射；（b）原子再濺射；（c）原子偏向擴散過程；（d）動能輔助擴散

圖3. 低能量沉積原子時熱擴散過程

Mo/Si多層膜的界面結構以及表面粗糙度直接影響多層膜對極紫外光的反射率。本工作通過透射電子顯微鏡（TEM）以及原子力顯微鏡（AFM）對基底傾斜多層膜的截面結構以及表面粗糙度進行表徵，驗證模型仿真結果的準確性。實驗和仿真結果，如圖4（a-b）所示，仿真結果與實驗結果幾乎一致，模型可以準確預測Mo/Si多層膜的截面結構以及多層膜表面粗糙度。多層膜對極紫外光反射率峰值歸一化結果，如圖4（c）所示，當基底傾角大於40°時，多層膜反射率快速降低；由研究結果推斷：多層膜界面粗糙度大幅增加是導致反射率降低的主要原因之一。

圖4.（a）實驗和仿真測量得到多層膜表面粗糙度；（b）在基底傾角為0°、50°、70°的條件下（從左至右），實驗和仿真測量得到多層膜截面結構（上圖為實驗結果，下圖為仿真結果）；（c）實驗測量得到的多層膜對極紫外光反射率的歸一化結果

研究團隊基於仿真模型提出了一種使用Ar離子輔助沉積鍍膜來提升收集鏡多層膜反射率的方法：在製備Mo/Si多層膜的過程中，沉積完Si層之後，引入額外的Ar離子對Si層拋光，降低界面粗糙度。本工作利用仿真模型，模擬了這一方法，如圖5（a-b）所示，引入額外的Ar離子對Si層拋光之後，多層膜的界面及表面粗糙度降低；圖5（c-d）結果，證實了該方法可以有效降低不同傾角下多層膜表面粗糙度。在實際鍍膜工藝中，可以通過調節基底掃過離子源的公轉速度（如圖6所示），來控制中心到邊緣的Si層拋光厚度，從而補償沉積粒子入射角的變化。

圖5.  在基底傾斜角度為50°時，仿真得到的Mo/Si多層膜截面結構（10個周期） (a) 沒有拋光；(b) Si層被 Ar+拋光 刻蝕厚度為 0.91nm, 入射角度為50°，入射能量為50eV；(c) 不同基底傾斜角度下模擬得到的Mo/Si多層膜表面粗糙度(沒有拋光和Ar+拋光)；(d) 不同基底傾斜角度下Si層的刻蝕深度

圖6. Ar離子輔助鍍膜降低多層膜粗糙度的實驗結構示意圖

綜上所述，建立的磁控濺射完整鍍膜模型可以準確預測Mo/Si多層膜的結構，同時基於模型提出的降低多層膜粗糙度的方法也可以用於實際鍍膜工藝中，為極紫外光刻收集鏡收集效率的提升提供有效的解決方案。相關工作以「Mo/Si multilayers sputtered onto inclined substrates: experiments and simulations」為題發表在Opt. Express, 2020年, 28卷, 9期, 13516-1353上。


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