Электростатические методы исследования динамики ЭУФ-индуцированной плазмы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат наук Абрикосов Алексей Алексеевич

• Абрикосов Алексей Алексеевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Абрикосов Алексей Алексеевич

1.2 Литография нового поколения

1.2.1 Оптические элементы

1.2.2 Источник излучения

1.3 Процессы внутри ЭУФ-литографа

1.3.1 Причины деградации ЭУФ-оптики

1.3.2 Водород в ЭУФ-литографе

1.3.3 Образование ЭУФ-индуцированной плазмы

2 ЭУФ-индуцированная плазма

2.1 Механизм образования ЭУФ-индуцированной плазмы

2.2 Исследования ЭУФ-индуцированной плазмы

2.2.1 Пионерская работа ван дер Велдена

2.2.2 Работы ван дер Хорста

2.2.3 Фотоиндуцированная плазма высокой плотности

2.3 Возможные диагностики ЭУФ-индуцированной плазмы

3 Экспериментальная установка

3.1 ЭУФ-иеточник

3.2 Чистая камера

3.3 Измерение параметров ЭУФ-излучения в чистой камере

3.3.1 Форма импульса

3.3.2 Доза излучения в импульсе

3.3.3 Коэффициент выхода вторичных электронов

4 Измерение тока в ЭУФ-индуцированной плазме

4.1 Экспериментальная установка

4.1.1 Оснащение чистой камеры и электроника

4.1.2 Средства автоматизации

4.2 Результаты

4.2.1 Фотоионизация

4.2.2 Ударная ионизация

4.2.3 Оценка плотности плазмы

4.3 Заключение

5 Зондовый метод и численное моделирование в ЭУФ-индуцированной плазме

5.1 Классический подход к зондам

5.2 Модельный подход в применении к зондам и к плазме

5.3 Экспериментальная установка

5.3.1 Электроника

5.3.2 Средства автоматизации

5.4 Результаты зондовых измерений

5.4.1 Экспериментальные кривые

5.4.2 Динамика температуры и плотности

5.5 Численный эксперимент

5.5.1 Описание модели

5.5.2 Моделирование зондовых измерений

5.5.3 Результаты моделирования

5.5.4 Моделирование формирования плазмы

5.6 Заключение

6 Ионные спектры: электростатический анализатор

6.1 Экспериментальная установка

6.1.1 Устройство анализатора

6.1.2 Электроника

6.2 Результаты и обсуждение

6.2.1 Ионный ток

6.2.2 Временная динамика ионного спектра

6,2,3 Зависимость ионных спектров от давления и смещения на катоде

6.3 Заключение

Заключение

Благодарности

Список литературы

Толпа естествоиспытателей На тайны жизни пялить взоры, А жизнь их шлёт к та,кой-то матери Сквозь их могучие приборы И.Губерман

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электростатические методы исследования динамики ЭУФ-индуцированной плазмы»

Введение

Актуальность задачи Проведённые исследования связаны с проблемами литографии в экстремальном ультрафиолете (ЭУФ-литографии), перспективной технологии изготовления интегральных микросхем в технологических процессах 22 нм и ниже. Машина для ЭУФ-литографии, или ЭУФ-литограф, состоит из импульсного источника ЭУФ-излучения и сложной оптической системы, работающей с излучением на длине волны 13,5 нм, ЭУФ-излучение поглощается твёрдыми телами, и поэтому вместо преломляющей оптики в качестве оптических элементов для ЭУФ-излучения используются многослойные брэгговекие зеркала, состоящие из чередующихся слоёв кремния и молибдена. Кривая отражения таких зеркал имеет широкую полосу с пиковым значением в области 13,5 нм, что и обуславливает выбор длины волны источника. Оптическая система литографа включает до 10 зеркал с многослойным покрытием; в качестве источника излучения используется горячая плазма олова, которая образуется при облучении оловянных капель диаметром 10-30 мкм импульсным СОг-лазером.

Многослойные зеркала являются высокотехнологичными элементами и дороги в изготовлении, Для коммерческой рентабельности требуется, чтобы пропускание оптической системы литографа ухудшалось не более, чем на 10% в течение 30,000 часов работы. Это соответствует потере отражения всего 1% на каждом зеркале, поэтому деградация зеркал во время работы должна быть сведена к минимуму,

В силу технических особенностей установки в объёме постоянно присутствуют газы, в основном водород, под давлением от нескольких единиц до нескольких десятков паскалей. Прямая фотоионизация, а также ударная ионизация электронами, выбиваемыми излучением из оптических поверхностей приводят к образованию плазмы в газовой среде. Эту плазму называют ЭУФ-индуцированной, поскольку ионизующим агентом, прямым и косвенным, является ЭУФ-излучение.

Поскольку ЭУФ-индуцированная плазма находится в контакте с многослойными зеркалами, её присутствие вызывает ряд физических и химических процессов на поверхности зеркала. Совокупность этих процессов является серьёзным фактором, влияющим на вре-

мя бесперебойной работы машины и на рентабельность её промышленного использования в массовом производстве микроэлектроники. Поэтому необходимо изучение связанных с ЭУФ-индуцированной плазмой поверхностных и объёмных процессов, поскольку это даёт возможность лучше контролировать эти процессы и непосредственно влиять на срок жизни ЭУФ-литографа. Такая задача требует разработки соответствующих диагностических методов для ЭУФ-индуцированной плазмы.

Цели и задачи работы Основной целью проделанной работы была характеризация условий работы оптических элементов ЭУФ-литографа в присутствии ЭУФ-индуцированной плазмы, Для характеризации такой плазмы в рамках данной работы были решены следующие задачи:

1, Создана установка, имитирующая условия оптической системы литографа,

2, Создана система зондовых измерений с высокой токовой чувствительностью и временным разрешением для диагностики неравновесной ЭУФ-индуцированной плазмы,

3, Разработан электростатический анализатор и система регистрации сигнала с высокой токовой чувствительностью и временным разрешением для измерений потоков и распределения по эннергии ионов на оптические поверхности зеркал, находящихся в контакте с ЭУФ-индуцированной плазмой.

Научная новизна Объект изучения, ЭУФ-индуцированная плазма, представляет сложность с точки зрения диагностики. Первая проблема исследований ЭУФ-индуцированной плазмы связана с её неотъемлемо переходным характером: время рождения плазмы составляет примерно 100 наносекунд - такая длительность импульса свойственна ЭУФ-нзлучающей оловянной плазме, которую используют в коммерческих источниках ЭУФ-излучения, За рождением ЭУФ-индуцированной плазмы следует период послесвечения, во время которого плазма постепенно распадается. Время послесвечения, в зависимости от давления газа, интенсивности излучения и геометрии камеры, может составлять от единиц до десятков микросекунд, Наблюдение динамики ЭУФ-индуцированной плотности требует поэтому диагностик с разрешением лучше микросекундного.

Вторая проблема с диагностикой ЭУФ-индуцированной плазмы - её низкая плотность. Типичные значения плотности электронов для ЭУФ-индуцированной плазмы составляют 107 — 10° см-3. Такая плотность означает низкие уровни отклика на какие бы то ни было диагностики и плохое отношение сигнал-шум,

Эксперименты, описанные в данной диссертации, проводились с микросекундным и суб-микросекундным разрешением; уровни сигналов при этом составляли до единиц или долей микроампер,Такие низкие сигналы вкупе с микросекундным разрешением, насколько нам известно, до сих пор не затрагивались в проблемах диагностики плазмы. Разработка методов диагностики плазмы с такой низкой плотностью и коротким временем жизни составляет научную новизну работы.

Положения, выносимые на защиту

1, Создание экспериментальная установка для изучения ЭУФ-индуцированной плазмы вблизи оптической поверхности в условиях, близких к условиям оптической системы ЭУФ-литографа

2, Разработка и примененение методов измерения временных и энергетических характеристик ЭУФ-излучения на оптической поверхности,

3, Зондовые измерения в ЭУФ-индуцированной плазме водорода, динамика зондовых вольт-амперных кривых

4, Изучение динамики функции распределения ионов по энергии в приповерхностной ЭУФ-индуцированной плазме водорода в условиях, близких к условиям оптической системы ЭУФ-литографа,

5, Наблюдение изменения режима движения ионов в катодном слое при повышении давления и катодного смещения,

6, Демонстрация возможности управления распределением по энергии ионов, приходящих на оптическую поверхность в ЭУФ-литографе, путём изменения потенциала поверхности и давления окружающего газа.

Публикации по теме диссертации Материалы диссертации опубликованы в следующих статьях:

1, Dolgov A., Yakushev О., Abrikosov A., Snegirev Е., Krivtsun V. M. [и др.] Extreme ultraviolet (EUV) source and ultra-high vacuum chamber for studying EUV-induced processes // Plasma Sources Science and Technology, 2015, T, 24, C, 35003

2, Abrikosov A., Re-shetnyak V., Astakhov D., Dolgov A., Yakushev О. [и др.] Numerical simulations based on probe measurements in EUV-indueed hydrogen plasma // Plasma Sources Science and Technology, 2017, T, 26, № 4, C, 045011

3, Абрикосов А., Якушев О., Лопаев Д., Долгов А. Зондовые исследования в плазме водорода, индуцированной импульсным экстремальным ультрафиолетовым излучением / / Физическое образование в ВУЗах, 2015, Т. 21, 1С, С, 59

4, Abrikosov A. A., Yakushev О. F., Lopaev D. V., Krivtsun V. M. Dynamics of the ion energy spectrum in EUV-induced hydrogen plasma // Plasma Physics Reports, 2017, Июнь, T, 43, № 6. C. 614-620. ISSN 1562-6938

Апробация диссертации Материалы исследований легли в основу докладов на трёх международных конференциях:

1, Abrikosov A., Yakushev О., Lopaev D., Dolgov A. Time-resolved measurements of electron temperature and density in low-pressure plasma induced by short pulses of EUV radiation // 26th Symposium on Plasma Physics and Technology, Прага, 19-22 июня 2014

2, Абрикосов А., Якушев О., Лопаев Д., Долгов А. Зондовые исследования в плазме водорода, индуцированной импульсным экстремальным ультрафиолетовым излучением / / Международная конференция-конкурс молодых физиков, Москва, 2 марта 2015

3, Abrikosov A., Yakushev О., Lopaev D. Time-resolved measurements of ion energy distribution function in cold low-density plasma induced by nanosecond pulses of extreme ultraviolet radiation // 42nd EPS Conference on Plasma Physics, Лиссабон, 22-26 июня 2015

Краткое содержание работы Диссертация состоит из 6 глав и заключения, В главе 1 рассказывается об оптической литографии - одной из ключевых технологий полупроводниковой промышленности, В разделе 1,2 раскрыты физические аспекты литографии в экстремальном ультрафиолете, а также ключевые проблемы, которые дали начало этой работе и, в частности, показано образование ЭУФ-индуцированной плазмы. Глава 2 затрагивает ЭУФ-индуцированную плазму более подробно: в этой главе приводятся теоретические оценки, которые позволяют получить первое представление о свойствах этого объекта. Помимо этого, в главе 2 содержится литературный обзор, поевящённый немногочисленным исследованиям этой плазмы. Глава 3 представляет экспериментальную установку Прото-2, на которой проведены все эксперименты, лёгшие в основу диссертации. Наконец, в главах 4-6 рассказывается о диагностических методах, использованных для измерений в ЭУФ-индуцированной плазме и о результатах этих измерений.

_1_ хав

Литография в экстремальном ультрафиолете

1.1 Об оптической литографии в полупроводниковой промышленности

Оптическая литография является ключевой технологией полупроводниковой промышленности. В процессе литографии топология микросхемы наносится па кремниевую пластину, которая служит основой дня будущего микрочина. Упрощенное изображение литографиче-

1 2 3 4 5

Рисунок 1.1 Схематическое изображение оптической системы литографа

ской системы показано па рис. 1.1. В начале его стоит источник монохроматического излу-

1.1. ОБ ОПТИЧЕСКОЙ ЛИТОГРАФИИ В ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ_

чепия (1). Излучение от источника проходит через осветительную оптику (2) и попадает на печатную маску (3) - это изображение микросхемы, обычно увеличенное в несколько раз. Поело этого свет, прошедший (или отражённый, в зависимости от конструкции системы) через маску, проходит через проекционную оптику (4). В этом блоке изображение уменьшается в 4-5 раз и проецируется на кремниевую пластину (5), покрытую светочувствительным веществом фоторезистом. Под действием излучения в фоторезисте проходят химические реакции, поело которых засвеченная1 часть фоторезиста может быть химическим способом удалена с пластины, оставив открытые участки пластины в форме нужного слоя микросхемы. Следующая за этим стадия обработки, например, плазменное травление или ионная имплантация, затрагивает только открытую часть пластины, оставляя закрытую неизменной. Кремниевая пластина проходит в течение технологического процесса несколько циклов нанесения фоторезиста-литографии-ироявления-обработки. Стадия литографии оказывается в этом процессе ключевой, поскольку именно разрешение литографической оптики определяет минимальные размеры элементов получающейся микросхемы, или критический размер технологического процесса CDmin. С этим параметром непосредственно связана такая величина, как количество транзисторов па единицу площади микросхемы. Это число стало своеобразной мерой производительности электроники, когда в 1965 году основатель корпорации Intel Гордон Мур сформулировал свой легендарный закон.|8|. В одной из формулировок это закон звучит так: «Количество МОП-транзисторов па одном чине удваивается примерно за два года». Этот закон проиллюстрирован многочисленными графиками с временной осью, охватывающей долгие сорок .нет (например, смотрите рис. 1.2). Последние четыре десятилетия планирование и финансирование развития полупроводниковой промышленности осуществляется именно в соответствии с законом Мура и его экстраполяцией.

Как уже было сказано, количество транзисторов па единицу площади определяется разрешением существующей литографической технологии. Это означает, что разрешение оптической системы литографа должно расти, чтобы поспевать за экспоненциальным ростом производительности. Разрешение литографической системы описывается достаточно простой формулой 191:

CDmin = к\ ^д (1-1)

где CDmin - минимальный размер элемента, который можно отобразить в фоторезисте, А - длина волны излучения источника, NA = п sin 0 - числовая апертура проецирующего объ-

1В зависимости от конкретного фоторезиста, удаляться могут и нсзасвсченные части: в рамках данной диссертации это несущественно

1.1. ОБ ОПТИЧЕСКОЙ ЛИТОГРАФИИ В ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

100 О 0-

10 О 0-

Е

с

а

о

100-

10-

197 0

т

т

198 0

1990 2000

Уеаг

2010

2020

Рисунок 1.2 Минимальные размеры элементов микрочинов в реализованных (квадраты) и запланированных (треугольники) технологических процессах, начиная с 1970 года

ектива, а множитель к\ зависит от фоторезиста и технологии формирования изображения.

Разрешение литографии можно, таким образом, улучшать тремя способами: увеличить числовую апертуру, уменьшить к\ или уменьшить длину волны19; 10|. Последний способ наименее желателен, поскольку переход па новую длину волны требует создания нового источника излучения, новой онтнче-ской системы и нового фоторезиста; словом, полного пересмотра литографической технологии. Неудивительно, что последние 20 .нет в литографии используется излучение АгЕ эксимерного лазера с А = 193 нм - самая короткая длина волны, с которой ещё можно работать не в вакууме и с преломляющей оптикой. Поскольку современные полупроводниковые технологии требуют разрешения меньше 22 им, разрешение литографии сильно увеличено за

Рисунок 1.3 Разрешение литографической системы

счёт большого иммерсионного объектива (NA = 1,35) [11] и различных методов уменьшения эффективного значения к\, таких, как многократная засветка и сложный дизайн печатных масок. Все ухищрения с литографией па 193 им, очевидно, не могут наращивать разрешение неограниченно, поэтому достаточно давно ведутся разработки систем литографии в экстремальном ультрафиолете с длиной волны 13,5 нанометра1121. Подробности этой сложной технологии описаны в следующем раздело.

1.2 Литография нового поколения 1.2.1 Оптические элементы

Под технологией литографии в экстремальном ультрафиолете (ЭУФ-литография) подразумевается оптическая литография с длиной волны короче 20 им. Идея использовать такие короткие волны в оптической литографии вполне естественна, когда речь идёт о разрешении ниже 100 им. Однако разработка такой технологии сталкивается с серьёзным препятствием - с отсутствием подходящей оптики.

Преломляющая оптика Использование линз в ЭУФ-диапазопе оказывается невозможным но двум причинам. Во-первых, показатели преломления твердых веществ в ЭУФ-диапазоне близки к единице. Во-вторых, ЭУФ-излучение поглощается в твердых веществах па глубине порядка 100-150 нанометров. Это значит, что оптическую систему дня ЭУФ-излучения надо строить па отражающих элементах. Для того, чтобы разобраться в проблематике зеркал дня экстремального ультрафиолета, обратимся к закону отражения света па границе раздела двух сред. Пусть монохроматическое излучение с длиной волны А и интенсивностью 1е падает на границу раздела сред с показателями п\ и п2 под углом (р к нормали, и пусть интенсивность отражённого излучения будет 1Г, как это обозначено на рис. 1.4 (Судьба преломленного излучения нам по уже изложенным причинам неинтересна). Формулы Френеля|13| утверждают, что

n1 cos <р — \J— (n1 sin

R.«

Rp

П1 cos + \Jn\ — (n1 sin ^)2

(™1 sin ^)2 — га| П1 cos ф

^2 — (™1 sin ^)2 + га| П1 cos ф

(1.2)

Здесь индексы вир соответствуют 5- и р-поляризации света, то есть, излучения с вектором напряженности электрического ноля Е, .нежащим в плоскости падения и перпендикулярным

2

n

Рисунок 1.4 Отражение и преломление света на границе раздела сред

оной. Рассмотрим два случая отражения света от зеркала. При этом будем придерживаться предположений пх = 1 (распространение света в вакууме) и п2 ~ 1 (для ЭУФ-излучения),

Нормальное падение Если в формулах (1.2) положить р = 0, то уравнения примут вид

Rs Rp

П\ - П2

(1.3)

Пх + п2

Учитывая, что показатели преломления в ЭУФ-области мало отличаются от единицы, отражение от поверхности при нормальном падении равно практически пуню. Типичные значения коэффициентов отражения ЭУФ-излучения от металлов имеют порядок 10-3 — 10-4, Зеркала нормального падения, таким образом, также не подходят дня ЭУФ-оптики,

Скользящее падение Рассмотрим теперь другой крайний случай, когда в формулах Френеля (1.2) <р & 2- Нетрудно видеть, что в таком случае sin <р & 1, cos <р ~ 0, и Rs ~ Rp ~ 1. Таким образом, даже если среда плохо отражает свет в нормальном падении, она может оказаться хорошим отражателем при падении под малыми углами к поверхности. Одним из самых красивых проявлений этого эффекта является, пожалуй, .пухшая дорожка па морской глади.

Зеркала скользящего падения действительно хорошо отражают даже в ЭУФ-диапазоне. Отражение молибдена для излучения 13,5 нм, падающего под углами 5 — 10° к поверхности, превышает 90%|14|. Но использовать зеркала скользящего падения дня того, чтобы построить оптическую систему ЭУФ-литографа оказывается снова невозможным. На этот раз

I

I

г

2

«слабым местом» оказываются малые телесные углы сбора, которые накладывают серьёзные ограничения на геометрию системы.

Многослойные рентгеновские зеркала Как уже было сказано, отражение ЭУФ-излучепия

от границы раздела сред в нормальном падении оказывается довольно слабым, поскольку 2

R = , где ni и п2 крайне незначительно отличаются от единицы. Однако, именно от

этого незначительного отражения берёт своё начало использование многослойных рентгеновских зеркал. Многослойные рентгеновские зеркала (МЗ) представляют собой периодические структуры из чередующихся слоён материалов с разными показателями преломления. Эти материалы подбирают так, чтобы показатель преломления п1 был возможно ближе к единице (этот материал называется spacer, потому что этот материал имитирует «пустое пространство»), а значение п2 как можно больше отличалось от п1 (второй материал называют absorber). Всё МЗ состоит обычно из 40-50 нар слоён из пропускающего и поглощающего материалов, причём толщина каждой нары составляет порядка половины длины волны, дня которой делается зеркало. Вследствие таких размеров отражение от МЗ усиливается, потому что при отражении ЭУФ-излучепия между лучами, отражёнными от разных бислоёв происходит конструктивная интерференция (рис, 1,5а), Аналогичным эффектом в рентгеновской области является брэгговское отражение излучения от атомных плоскостей кристаллов. Коэффициент отражения МЗ для ЭУФ-излучепия оказывается сравнительно большим - лучшие МЗ имеют коэффициенты отражения в десятки процентов против долой процента дня простых веществ. Подробно о многослойных ЭУФ-зеркалах можно прочитать в обзоре |15|, За большой коэффициент отражения приходится расплачиваться узкой кривой отражения, Наилучшую отражающую способность и относительно широкую полосу отражения показали зеркала па основе пары из аморфного кремния (spacer) и молибдена (absorber) Теоретическая кривая нормального отражения дня этой пары имеет пиковое значение 74% на длине волны 13,5 им (рис, 1,5Ь), реальные значения оказываются ниже и составляют 64-69%|15|. Это связано, во-первых, с тем, что в реальных оптических элементах лучи надают на поверхность иод углом к норманн, а во-вторых с неровностями поверхности, которые также вносят отрицательный вклад в отражение. Так или иначе, хорошее отражение зеркал из Mo/Si и обусловило выбор длины волны дня ЭУФ-литографии,

2dcosp=mÀ

d

0.8 0.7

ч0.6 -

>Д5 % 0.4 n^ 0.3 Ъ0.2 *0.1

n

гггп i i 1 / 1 \ 1

- / 1 \ / 1 Y- 1

LU / 1 V 1 / 1 \ 1

LU / 1 1 1

m / 1 l 1 / 1 l 1

■ lili / 1 Г л1 / \ / \ l\/*\ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

0.0 -

(а)

12.5 13.0 13.5 14.0 Wavelength (nm)

(b)

14.5

Рисунок 1.5 (а) Принцип действия многослойных зорка;:; (Ь) кривая отражения Mo/Si многослойных зорка.;:, рассчитанная с помощью |14|

1.2.2 Источник излучения

В оптической системе ЭУФ-литографа используется до 11 многослойных зорка.;: нормального падения. Общее пропускание оптической системы можно рассчитать но формуле

11

Ъ

EUV(А) = П

(1.4)

г=1

Рэзныв зеркала, вообще говоря, имеют несколько отличающиеся друг от друга кривые отражения, поэтому функция ДДА) меняется от зеркала к зеркалу. Однако для оценки нам годится степенная зависимость:

Teuv(а) « (до(а))

11

(1.5)

где До (А) - теоретическая дисперсионая кривая многослойного зерката, приведённая на рис.

При такой оценке можно видеть, что 74% - максимум кривой отражения одиночного зеркала превращаются в 3%, а сама дисперсионная кривая превращается в узкий пик в окрестности 13,5 им с шириной на нолувысоте всего 0,135 им (так называемая 2% полоса). В англоязычной литературе излучение в этой полосе называется ш-Ьапс! ЕиУ.

Основным требованиям к источнику излучения, таким образом, является большая мощность, поступающая в оптическую систему в этой полосе. Существует много различных физических процессов, позволяющих получить такое излучение; обзор таких процессов при-

ведён, например, в |16|. Наиболее привлекательным, дня иромышлошюго ЭУФ-источиика является излучение многозарядных ионов олова в высокотемпературной импульсной илаз-ме|17—19|. В качестве источника излучения выступает оловянная плазма высокой плотности (пе = 1018 — 1019 см-3) и с электронной температурой Те = 30 — 70 эВ, близкой к энергии кванта ЭУФ-излучения кивиу = 13= 91,8 эВ. В составе такой плазмы присутствуют ионы 8п9+-8и13+, в спектре которых много линий в полезной 2% полосе.

Традиционным методом получения ЭУФ-излучаающей оловянной плазмы является либо разогрев вещества в фокусе С02 лазера, либо пинчевой разряд в парах олова. В обоих случаях при генерации излучения большая энергия (Е & 0,1 — 1 Дж) вкладывается в малый объём ~ 200 мкм) в течение очень короткого промежутка времени (г ~ 10 — 100 нс)[ ; 211. Излучение оловянной плазмы собирается оптическим коллектором скользящего либо нормального падения.

1.3 Процессы внутри ЭУФ-литографа

На рис. 1.6 показано принципиальное устройство иромышлошюго ЭУФ-литографа, В источнике ЭУФ-излучеиия используется .лазерная плазма. Мишенью в этой плазме служат

оловянные капли диаметром несколько десятков микрон, в которые фокусируется излучение иснульсиого СО-2 лазера. При этом в капле происходит оптический пробой, и образующаяся плазма излучает в ЭУФ-иолосе, Это излучение собирается эллиптическим коллектором нормального падения и фокусируется в так называемый промежуточный фокус. Источник ЭУФ-излучеиия отделён от остального объёма но вакууму с помощью дифференциальной откачки.

За промежуточным фокусом ЭУФ-из.лучение проходит через осветительную оптику, которая создаёт равномерную засветку на печатной маске. Маска наносится на многослойное зеркало в качестве верхнего поглощающего слоя. Затем изображение открытых участков маски с помощью б.лока проекционной оптики переносится на подложку с фоторезистом. Всего после коллектора оптическая .литографа насчитывает до 11 зеркал, и суммарное пропускание после коллектора составляет, как мы уже заметили, примерно 3-4 %, К пропусканию системы для ЭУФ-излучеиия существует жёсткое требование, диктуемое соображениями рентабельности: оптическая система должна иметь рабочий ресурс 30000 часов до 10 % снижения мощности ЭУФ-излучеиия па подложке. Это соответствует относительному снижению отражения на каждом зеркало око.ло одного процента.

В следующем разделе мы рассмотрим некоторые процессы, приводящие к деградации оптических элементов в ЭУФ-литографе и выработке ресурса установки.

1.3.1 Причины деградации ЭУФ-оптики Продукты распада оловянной плазмы

Одна из характеристик источников ЭУФ-излучеиия для .литографии - это эффективность преобразования (Conversion efficiency, СЕ). Он определяется как СЕ = , то есть, отношение энергии, излучаемой в 2% полосе в телесный угол 2л ср к полной энергии, вкладываемой в плазму. Для источников на оловянной плазме этот коэффициент не превышает 3-5 процентов. Это означает, что только 6-10% энергии, вкладываемой в плазму, переходит в ЭУФ-излучеиие, Остальная энергия выделяется в виде излучения вне 2% полосы, а также так называемой «ныли» - продуктов распада оловянной плазмы. В состав «ныли» входят капли металлического о.лова, нейтральные атомы и многозарядные ионы олова|22|. Попадание этих частиц на коллектор может вести к имплантации атомов или к распылению или к появлению блистеров (см. подраздел 1.3.3) или просто к осаждению металлического о.лова на коллекторе. Все эти процессы так или иначе снижают отражательную способность коллектора.

Загрязнение многослойных зеркал

В качестве остаточных газов в вакуумном объеме литографа всегда присутствуют вода и углеводороды. В силу сорбдионного равновесия остаточные газы, в частности, адсорбируются на поверхности многослойных зеркал. Ионизующее воздействие ЭУФ-излучения приводит к тому, что эти вещества разлагаются на поверхности многослойного зеркала. Эти процессы могут приводить к окислению верхнего слоя|23| или к нарастанию аморфного углсрода|24— 26|, Углерод или окислы на поверхности зеркала поглощают ЭУФ-излучение, ухудшая отражающую способность зеркала|27|,

1.3.2 Водород в ЭУФ-литографе Буферный газ в ЭУФ-источнике

Основной проблемой работы коммерческого ЭУФ-источпика является защита коллекторного зеркала от «ныли» - корпускулярных потоков, выделяемых в результате распада оловянной плазмы. Существует несколько способов защищать коллектор от воздействия «ныли». Так, дня остановки коллектора от распада плазмы можно использовать фольговые ловушки, магнитные поля|28| или буферный газ под давлением от десятков до сотен паскалей|29; 30|. В качестве буферного газа предпочитают использовать водород, так как он наиболее прозрачен для ЭУФ-излучепия, Более тяжёлые газы, такие, как аргон, обладают большей массой и лучше задерживают ионы и нейтралы, однако их поглощение ЭУФ-излучения гораздо выше, Кроме того, более тяжёлые ионы могут получать больший импульс при столкновении с ионами олова и поэтому сами могут повреждать коллектор.

Динамический газовый затвор

Фоторезист па подножке является потенциальным источником .нетучих углеводородных соединений! 311. Когда они попадают в оптический тракт, эти соединения частично адсорбируются па поверхностях многослойных зеркал, где разлагаются ЭУФ-излучением и образуют углеродную плёнку. Чтобы снизить поток остаточных газов из фоторезиста, используется так называемый динамический газовый затвор, то есть поперечный поток водорода над подложкой. Как и в случае защиты коллектора, тяжёлые газы лучше подходят дня удаления загрязнений из оптического тракта, по гораздо хуже пропускают ЭУФ-излучение, Поэтому от тяжёлых газов в динамическом газовом затворе так же отказываются в пользу водорода. Использование водорода в источнике и над кремниевой подножкой обуславливает па-

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Абрикосов Алексей Алексеевич, 2018 год

Список литературы

1, Dolgov A., Yakushev О., Abrikosov A., Snegirev Е., Krivtsun V. М. [и др.] Extreme ultraviolet (EUV) source and ultra-high vacuum chamber for studying EUV-induced processes // Plasma Sources Science and Technology, — 2015, — T, 24, — C, 35003,

2, Abrikosov A., Reshetnyak V., Astakhov D., Dolgov A., Yakushev О. [и др.] Numerical simulations based on probe measurements in EUV-induced hydrogen plasma // Plasma Sources Science and Technology, — 2017, — T, 26, № 4, — C, 045011,

3, Абрикосов А., Якушев О., Лопаев Д., Долгов А. Зондовые исследования в плазме водорода, индуцированной импульсным экстремальным ультрафиолетовым излучением / / Физическое образование в ВУЗах, — 2015, — Т. 21, 1С, — С, 59,

4, Abrikosov A. A., Yakushev О. F., Lopaev D. V., Krivtsun V. М. Dynamics of the ion energy spectrum in EUV-induced hydrogen plasma // Plasma Physics Reports, — 2017, — Июнь, — Т. 43, № 6. - С. 614-620. - ISSN 1562-6938.

8. Moore G. E., Fellow L. Cramming More Components onto Integrated Circuits. — 1998.

9. Ronse K. Optical lithography — a historical perspective. — 2006.

10. Bruning J. H. Optical Lithography ... 40 years and holding. — 2007.

11. Bouchoms I., Mulkens J., Putter S. de, Gunter P., Graaf R. de [и др.] Advanced imaging with 1.35 NA immersion systems for volume production // Proceedings of SPIE. — 2010. — T. 7640.

12. Silverman P. J. Extreme ultraviolet lithography : overview and development status // Journal of Mierolithographv, Microfabrication and Microsystems. — 2005. — Т. I. .V" 1. C. 0111006.

13. Ландсберг Г. С. Общий курс физики. Оптика. — 1976.

14. Непке В. L., Gullikson Е. Л/.. Davis J. С. Х-Eav Interactions: Photoabsorption, Scattering, Transmission, and Reflection at E = 50-30,000 eV, Z = 1-92. - 1993.

15. Louis E., Yak-shin A. E., Tsarfati T., Bijkerk F. Nanometer interface and materials control for multilayer EUV-optieal applications // Progress in Surface Science, — 2011, — С, 1— 40. - ISSN 0079-6816.

16. Kieft E. R. Transient behavior of EUV emitting discharge plasmas: a study by optical methods: дне, ... канд. / Kieft Erik Rene. — Technische Universiteit Eindhoven, 2005.

17. Banine V. Y., Koshelev K. N., Swinkels G. H. P. M. Physical processes in EUV sources for mierolithography // Journal of Physics D: Applied Physics, — 2011, — T, 44, — C, 253001,

18. O'Sullivan G., Li В., D'Arcy R., Dunne P., Hayden P. [и др.] Spectroscopy of highly charged ions and its relevance to EUV and soft x-ray source development // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. - 2015. - T. 48, № 14. - C. 144025. - ISSN 0953-4075.

19. Bakshi V. EUV sources for lithography. T. 149. — SPIE press, 2006.

20. Fomenkov I. V., La Fontaine В., Brown D., Ahmad J., Baumgart P. [и др.] Development of stable extreme-ultraviolet sources for use in lithography exposure systems // Journal of Miero/Nanolithographv, MEMS, and MOEMS. - 2012. - T. 11, № 2. - C. 021110. - ISSN 1932-5150.

21. Fuijimono J., Abe Т., Tanaka S., Ohta Т., Hori Т. [и др.] Laser-produced plasma-based extreme- ultraviolet light source technology for high-volume manufacturing extreme- ultraviolet lithography // Journal of Micro/Nanolithographv, MEMS, and MOEMS. - 2012. - T. 11, № 2.

22. Gielissen K. The nature and characteristics of particles produced by EUV sources: Exploration, prevention and mitigation: дне, ... канд. / Gielissen Kurt. — 2009.

23. Madey Т. E., Faradzhev N. S., Yakshinskiy В. V., Edwards N. V. Surface phenomena related to mirror degradation in extreme ultraviolet (EUV) lithography // Applied Surface Science. - 2006. - T. 253, № 4. - C. 1691-1708. - ISSN 01694332.

24. Boiler К., Haelbich R. P., Hogrefe H., J ark W., Kunz C. Investigation of carbon contamination of mirror surfaces exposed to synchrotron radiation // Nuclear Instruments and Methods In Physics Research. - 1983. - T. 208, № 1-3. - C. 273-279. - ISSN 01675087.

25. В arty A., Goldberg K. Effects of radiation-induced carbon contamination on the performance of an EUV lithographic optic // Emerging Lithographic Technologies VII. — 2003. — T. 5037, March. - C. 450-459. - ISSN 0277786X.

26. Chen J. Characterization of EUV induced contamination on multilayer optics: ^nc, ,,, Kan^, / Chen Juequan, — 2011,

27. Shin H., Sporre J. R., Raju R., Ruzic D. N. Reflectivity degradation of grazing-incident EUV mirrors by EUV exposure and carbon contamination // Microelectronic Engineering, — 2009. - T. 86, № 1. - C. 99-105. - ISSN 01679317.

28. Pankert J., Apetz R., Bergmann if., Derm G., Janssen M. [n ^p.] Integrating Philips' extreme UV source in the alpha-tools // Mierolithographv 2005. — International Society for Optics, Photonics. 2005. - C. 260-271.

29. Harilal S., O'Shay B., Tao Y., Tillack M. Ion debris mitigation from tin plasma using ambient gas, magnetic field and combined effects // Applied Physics B. — 2007. — T. 86, № 3. - C. 547-553. - ISSN 1432-0649.

30. Nakamura D., Tamaru if., Hashimoto Y., Okada T., Tanaka H. [n ^p.] Mitigation of fast ions generated from laser-produced Sn plasma for extreme ultraviolet light source by H2 gas // Journal of Applied Physics. - 2007. - T. 102, № 12.

31. Mertens B., Van der Zwan B., De Jager P., Leenders M., Werij H. [n ^p.] Mitigation of surface contamination from resist outgassing in EUV lithography // Microelectronic engineering. - 2000. - T. 53, № 1. - C. 659-662.

32. Chen J., Louis E., Harmsen R., Tsarfati T., Wormeester H. [n ^p.] In situ ellipsometrv study of atomic hydrogen etching of extreme ultraviolet induced carbon layers // Applied Surface Science. - 2011. - T. 258, № 1. - C. 7-12. - ISSN 01694332.

33. Jariwala B. N., Ciobanu C. V., Agarwal S. Atomic hydrogen interactions with amorphous carbon thin films // Journal of Applied Physics. - 2009. - T. 106, № 7. - C. 1-9. - ISSN 00218979.

34. Malykhin E. M., Lopaev D. V., Rakhimov A. T., Rakhimova T. V., Braginskii O. V. [n ^p.] Plasma Cleaning of Multilayer Mirrors in EUV Lithography from Amorphous Carbon Contaminations // Moscow University Physics Bulletin. — 2011. — T. 66, № 2. — C. 184— 189.

35. Braginsky O. V., Kovalev A. S., Lopaev D. V., Malykhin E. M., Rakhimova T. V. [n ^p.] Removal of amorphous C and Sn on Mo : Si multilayer mirror surface in Hydrogen plasma and afterglow // Journal of Applied Physics. — 2012. — T. 111. — C. 093304.

36. Dolgov A., Lopaev D., Rachimova Т., Kovalev A., VasiVeva А. [и др.] Comparison of H2 and He carbon cleaning mechanisms in extreme ultraviolet induced and surface wave discharge plasmas // Journal of Physics D: Applied Physics, — 2014, — T, 47, — C, 065205,

37. Kuznetsov A. S. Hydrogen particle and plasma interactions with heterogeneous structures: дис, ,,, канд. / Kuznetsov Alexev Sergeevich, — 2013,

38. Kuznetsov A. S., Gleeson M. A., Bijkerk F. Hydrogen-induced blistering mechanisms in thin film coatings // Journal of Physics: Condensed Matter, — 2012, — T, 24, — C, 052203, — ISSN 0953-8984.

39. Kuznetsov A., Gleeson M., Van de Krudjs R., Bijkerk F. Blistering behavior in Mo/Si multilayers. — International Society for Optics, Photonics, 2011.

40. Chung Y. M.. Lee E.-M., Masuoka Т., Samson J. A. R. Dissociative photoionization of H2 from 18 to 124 eV // The Journal of Chemical Physics. - 1993. - T. 99, № 2. - C. 885. -ISSN 00219606.

41. Samson J. A. R., Lyn L., Haddad G. N., Angel G. C. Recent progress on the measurement of absolute photoionization cross sections // Journal de Physique IV. — 1991. — Т. 1.

42. Holland D. M. P., Codling К., Marr G. V, West J. B. Multiple photoionisation in the rare gases from threshold to 280 eV // Journal of Physics B: Atomic and Molecular Physics. — 1979. - T. 12, № 15. - C. 2465-2484. - ISSN 0022-3700.

43. Yoon J.-S. J.-s., Song M.-y., Han J.-M. J.-т., Hwang S. H. S., Chang W.-S. W.-s. [и др.] Cross Sections for Electron Collisions with Hydrogen Molecules // Journal of Physical and Chemical Reference Data. - 2008. - T. 37, № 2. - C. 913-931. - ISSN 00472689.

44. Henke B. L., Smith J. A., Attwood D. T. 0.1-10-keV x-rav-induced electron emissions from solids—Models and secondary electron measurements // Journal of Applied Physics. — 1977. - T. 48, № 5. - C. 1852-1866.

45. Raizer Y. P., Allen J. E. Gas discharge physics. T. 2. — Springer Berlin, 1997.

46. Velden M. H. L. van der Radiation generated plasmas: дис. ... канд. / van der Velden M H L. - PhD Thesis, 2008.

47. Mitchner M.. Kruger С. H. Partially ionized gases. T. 8. — Wiley New York, 1973.

48. Golant V E., Zhilinskii A. P., Sakharov I. E. Fundamentals of plasma physics.

49. Horst R. M. van der, Beckers J., Osorio E. A., Banine V. Y. Exploring the electron density in plasmas induced by extreme ultraviolet radiation in argon // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2015. - T. 48. - C. 285203. - ISSN 0022-3727.

50. Horst R. M. van der, Beckers J., Osorio E. A., Banine V. Y. Dynamics of the spatial electron density distribution of EUV-indueed plasmas // Journal of Physics D: Applied Physics. — 2015. - T. 48. - C. 432001. - ISSN 0022-3727.

51. Horst R. M. van der, Beckers J., Osorio E. A., Ven T. H. M. van de, Banine V. Y. Radiating plasma species density distribution in EUV-indueed plasma in argon : a spatiotemporal experimental study // Plasma Sources Science and Technology. — 2015. — T. 24. — C. 65016. — ISSN 0963-0252.

52. Horst R. M. V. D., Osorio E. A., Banine V. Y., Beckers J. The influence of the EUV spectrum on plasma induced by EUV radiation in argon and hydrogen gas // Plasma Sources Science and Technology. - 2016. - T. 25. - C. 15012. - ISSN 0963-0252.

53. Wetering F. M. J. H. van de, Beckers J., Kroesen G. M. W. Anion dynamics in the first 10 milliseconds of an argon-acetvlene radio-frequency plasma // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2012. - T. 45, № 48. - C. 485205.

54. Bartnik A., Fedosejevs R., Wachulak P., Fiedorowicz H., Serbanescu C. [n ,np,] Photo-ionized neon plasmas induced by radiation pulses of a laser-plasma EUV source and a free electron laser FLASH // Laser and Particle Beams. - 2013. - T. 31. - C. 195-201.

55. Bartnik A., Fiedorowicz H., Wachulak P. Spectral investigations of photoionized plasmas induced in atomic and molecular gases using nanosecond extreme ultraviolet (EUV) pulses // Physics of Plasmas (1994-present). - 2014. - T. 073303.

56. Lieberman M. A., Lichtenberg A. J. Principles of plasma discharges and materials processing. — John Wiley & Sons, 2005.

57. Bibishkin M. S., Chkhalo N /., Gusev S. A., Kluenkov E. B., Ya L. A. [n ^p.] Multilayer Zr/Si filters for EUV lithography and for radiation source metrology // Proceedings of SPIE. — 2008. - T. 7025.

58. Mott-Smith H. M., Langmuir I. Theory of collectors in gaseous discharges // Physical Review. - 1926. - T. 28. - C. 727-763.

59. Godyak V. A., Demidov V. I. Probe measurements of electron-energy distributions in plasmas: what can we measure and how can we achieve reliable results? // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2011. - T. 44, № 26. - C. 269501. - ISSN 0022-3727.

60. Druyve.steyn M. Der Xiedervoltbogen // Zeitsehrift fiir Physik, — 1930, — T, 64, №- 11—12, — C. 781-798.

61. Allen J. E., Boyd R. L. F., Reynolds P. The Collection of Positive Ions by a Probe in an Electrical Discharge // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. - 1950. - T. 201, A* 1066. - C. 329-347. - ISSX 1364-5021.

62. Bernstein I. B., Rabinowitz I. N. Theory of Electrostatic Probes in a Low-Density Plasma // Physics of Fluids. - 1959. - T. 2, A* 2. - C. 112-121. - ISSX 00319171.

63. Laframboise. J. G. Theory of spherical and cylindrical langmuir probes in a eollisionless, maxwellian plasma at rest // Aerospace Engineering reports. — 1966. — A'a 100. — C. 1—216.

64. Chen F. F. Langmuir probe analysis for high density plasmas // Physics of Plasmas (1994-present). - 2001. - T. 8, A* 6. - C. 3029.

65. Chen F. F. Lecture Notes on Langmuir Probe Diagnostics // IEEE-ICOPS Meeting, Jeju, Korea. - 2003.

66. A.stakhov D. I., Goe.dhe.er W. J., Lee. C. J., Ivanov V. V., Krivt.sun V. M. |n Plasma probe characteristics in low density hydrogen pulsed plasmas // Plasma Sources Science and Technology. - 2015. - T. 24. - C. 055018. - ISSX 0963-0252. - arXiv: 1412.3036.

67. A.stakhov D. I., Goedheer W. J., Lee C. J., Ivanov V. V., Krivt.sun V. M. |n Exploring the electron density in plasma induced by EUV radiation : II. Xumerieal studies in argon and hydrogen // Journal of Physics D: Applied Physics. — 2016. — T. 49. — C. 295204.

68. A.stakhov D., Goedheer W., Lee C. J., Ivanov V., Krivt.sun V. |n Xumerieal and experimental studies of the carbon etching in EUV-indueed plasma // arXiv preprint arXiv: 1507.021 2015.

69. A.stakhov D. Xumerieal study of extreme-ultra-violet generated plasmas in hydrogen: ^nc. ... Kan^. / Astakhov Dmitry. — 2016.

70. Fortran program, MAGBOLTZ. — versions 8.9 and after.

71. Gahan D.. Dolinaj B.. Hay den C., Hopkins M. B. Retarding Field Analyzer for Ion Energy Distribution Measurement Through a Radio-Frequency or Pulsed Biased Sheath // Plasma Processes and Polymers. — 2009. — T. 6. — C. 643—648.

72. Glo.sik J. Measurement of the reaction rate coefficients of reactions of H2— with Xe , Ar, Kr, Xe, H2, D2, X2 and CH4 at thermal energy // International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes. - 1994. - T. 139. - C. 15-23. - ISSX 01681176.

73, Phelps A. V. Cross Sections and Swarm Coefficients for H+, H2+, H3+, H, H2, and H- in H2 Energies From O.leV To lOkeV // Journal of Physical and Chemical Reference Data, — 1990. - T. 19, № 3. - C. 653-675.