用于光谱纯化和碎屑防护的极紫外光学元件
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极紫外（EUV）辐射是10-100 nm波长范围的电磁辐射。相较于深紫外（DUV）波段的光学光刻，EUV光刻具有更短的曝光波长，可以获得更高分辨率的光刻图案。基于液态锡（Sn）的等离子体源是目前EUV光刻普遍使用的光源，通过放电（DPP）或高功率的CO2激光作用（LPP）产生等离子体，可以发射峰值波长为13.5 nm的EUV辐射。
然而，在等离子体发射的过程中，频谱不仅包含了光刻所需要的EUV辐射，同时也包含了带外EUV辐射（EUV-OOB）、紫外及红外辐射。
图1 基于激光驱动等离子体Sn靶的EUV发射光源的光谱分布[1]。
这些额外的辐射（尤其是深紫外和红外）在进入光刻照明和投影系统中后，被多层膜光学元件反射，会严重影响到EUV光刻的图案分辨率[1,6]。图2展示了50层Mo/Si多层膜反射镜在近法线入射条件下对EUV、深紫外及红外波段光的理论反射率曲线。
图2 Mo/Si多层膜反射镜在近法线入射条件下的理论反射率曲线[6]。
同时，由DPP或LPP产生的具有高速运动的颗粒、离子等碎屑在进入光刻照明和投影系统中后（如图3），会严重污染EUV光学元件和光学掩模，进而影响光学元件的性能和使用寿命以及光刻的良率[2,3]。
图3 基于LPP光源的EUV光刻系统的示意图[6]。
因此，用于光谱纯化和碎屑防护的EUV光学元件是实现高分辨EUV光刻的核心部件，其性能直接决定了光刻的性能和运行成本。
EUV滤光片的类型
CATEGORY
根据材料和EUV光作用的不同原理，目前用于EUV光谱纯化的滤光片（SPF-Spectral Purity Filter）主要分为透射型和反射型两类，如表1所示。
表1 不同类型EUV滤光片及其适用波长范围[1, 2, 4, 5, 9]。
① 透射型EUV滤光片
常见的透射型滤光片如Zr或Si filter对13 nm附近的宽带EUV光具有非常高的透过率，同时能够有效吸收或反射红外光，被广泛用于EUV光源的光谱诊断[1]。但这类滤光片对材料纯度的要求极高，任何外界因素或制备过程导致的材料表面的氧化都会引起滤光片光学性能的降低[7]。对此，Bibishkin等人设计和制备了基于Zr/Si多层膜的EUV滤光片，一方面这类滤光片对13 nm的EUV光的透过率可以高达76%并能够有效消除紫外和红外辐射，另一方面通过在多层膜表面增加金属保护层能够有效提升材料的抗氧化能力，延长滤光片的使用寿命[8]。
格栅SPF是又一种透射型EUV滤光片，其结构中包含了微米尺度的线或孔阵列，利用红外波长的光经过这类滤光片时发生反射或衍射，而13.5 nm波长的EUV光在透过孔阵列时不发生衍射（波长远小于孔直径）实现红外/EUV光的分离[5]。
图4 左图为（a）总厚度100 nm的高纯度Zr filter对EUV光的透过率曲线和总厚度100 nm（50 nm氧化层）的Zr filter对EUV光的理论（b）和实际（c）透过率曲线[7]。右图为镀有金属Ru保护层（1）和未镀金属保护层（2）的Zr/Si filter对红外光的透过率曲线[8]。
② 反射型EUV滤光片
EUV/Visible二向色镜
反射型EUV滤光片是通过反射带内EUV辐射，并吸收、透射或衍射紫外和红外光实现13.5 nm附近光的选择。考虑到大部分材料对EUV光都具有强的吸收，这类滤光片的设计和制备通常是选用周期性结构的多层膜材料。同时，不同于透射型EUV滤光片，反射型滤光片的应用需要考虑EUV光的入射角度，以获得最大的EUV光反射率。EUV/Visible二向色镜是一类典型的反射型EUV滤光片，通过在石英基底上镀可见/近红外光减反的多层膜结构，同时该膜层结构对EUV光具有较高的反射率，从而实现EUV和可见光的分离。如图2是一个EUV/Visible二向色镜在80°入射角条件下对EUV和红外光的反射率模拟结果，理论上该滤光片对13.5 nm波长的EUV光反射率可以达到65%以上，而对1000-1100 nm的红外光反射率<5%，尤其适用于高次谐波EUV光源的应用[9]。
图5 基于Nb2O5/SiO2多层膜结构的EUV/可见光二向色镜对EUV光（上图）和红外光（下图）的反射率模拟曲线[9]。
光栅结构的多层膜反射镜
光栅结构的多层膜反射镜是一类极具应用前景的反射型EUV滤光片，通过在周期性多层膜结构上刻蚀光栅或在光栅结构表面镀上多层膜，将周期性多层膜的高反射率特点和光栅结构的高分辨率特点有机结合，以获得较高EUV光反射的同时实现其他带外辐射光的抑制。此种技术通常是在EUV/极紫外光刻机的收集镜上使用。相较于其他EUV滤光片，光栅结构的多层膜反射镜最大的优势在于无需额外的SPF光学元件，通过反射镜本身就可以获得较纯的EUV光，同时反射镜还具有非常高的机械强度，避免了由于腔室内的真空压差导致的滤膜的破裂。
图6 光栅结构的多层膜反射镜对EUV光反射和红外光抑制的原理示意图[6]。
图7 德国optiXfab公司加工的集成水冷通道的具有光栅结构的多层膜反射镜。
用于碎屑防护的EUV薄膜元件
-EUV pellicle
OPTIC
前面我们讲到了针对于EUV光产生和发射过程中不可避免的碎屑污染的问题，除了利用电场、磁场、气体吹拂等有利措施改变碎屑运动的方向，减少污染源进入EUV光路外，采用对EUV光具有高透过率的薄膜元件实现对污染碎屑的阻挡和隔离是实现高分辨率图案光刻的核心环节[10, 11]。新一代的EUV薄膜元件主要采用碳基材料，例如石墨烯薄膜和碳纳米管（CNT）薄膜，相比于早期的晶体硅薄膜，碳基薄膜具有更高的EUV透过率，同时碳材料优异的导热性和机械稳定性，使得这类薄膜材料能够满足EUV光刻过程中的碎屑污染防护[11-14]。目前，IMEC生产的自支撑CNT薄膜对EUV的透过率已经可以高达96%以上[13,15]。与此同时，三星电子也在积极开发基于石墨烯材料的EUV薄膜。
图8 左图为40 nm厚的CNT薄膜对EUV光的实验透过率与同等厚度的Si、SiNx和石墨烯薄膜材料栅对EUV光的理论透过率的对比。右图为40 nm厚的CNT薄膜应力测试结果[14]。
图9 直径为12cm，厚度80 nm的自支撑CNT薄膜实物图[11]。
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参考文献
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内容 β·GONG
审核 凯文
编辑 小乔
