Взаимодействие плазмы с поверхностью оптических элементов, используемых в литографии экстремального УФ (13,5 нм) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

4В48755

На правах ртеописи

Малыхин Евдоким Михайлович

Взаимодействие плазмы с поверхностью оптических элементов, используемых в литографии экстремального УФ (13.5 нм)

Специальность 01.04.08 - физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

О г

О

; 2 июн 2011

Москва-2011

4848755

Работа выполнена в Отделе микроэлектроники НИИ Ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского Государственного Университета им М.В. Ломоносова.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор

Рахимов Александр 1)>рсунович доктор физико-математических наук Акишев Юрий Семенович

(Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований)

доктор физико-математических наук Лукичев Владимир Федорович (Физико-технологический институт РАИ) Институт спектроскопии Российской Академии Наук

Защита состоится 22 июня 2011 г в 16 часов 30 минут на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д.501.001.45 при Московском Государственном Университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Россия, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 5 (19-й корпус НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова) в ауд.2-15. г О

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан jjR. OS- 2СИ. 4

Ученый секретарь

совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д.501.001.45,

кандидат физико-математических наук Вохник О.М.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Полномасштабная оптическая литография, сочетающая высокую плотность упаковки элементов с их сложной геометрией, в полном объеме может быть реализована, только если длина волны излучения существенно меньше характерного размера элементов схемы. Поэтому для полноценной реализации архитектуры сверхбольших интегральных схем (СБИС) 32 нм и менее необходимо использование излучения в диапазоне экстремального ультрафиолета - 13.5 нм и ниже (EUV излучения). В соответствии с Международной программой по развитию полупроводниковых устройств (International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS), EUV-литография является наиболее перспективной технологией развития микроэлектроники в ближайшие десятилетия [1].

На сегодняшний день такая литография с длиной волны 13.5 нм основана на отражающей многослойной Mo:Si оптике с коэффициентом отражения 70% (в пике) и шириной полосы отражения ~2 нм. Многослойные зеркала являются ключевыми элементами в схемах сбора и управления EUV излучением в современных литографах. Эти зеркала состоят из нескольких десятков слоев Mo:Si (не менее 50 слоев) толщиной -6.8 нм каждый, и покрыты верхним защитным слоем Ru толщиной 2 нм [2]. При размерах зеркала в десятки сантиметров, их грубость поверхности составляет не более 0.20.3 нм. Столь совершенные и сложные в изготовлении зеркала являются достаточно дорогими и вносят существенный вклад в стоимость современной установки для EUV литографии. Поэтому, чтобы отвечать требованиям современной литографии, многослойные зеркала должны иметь длительный срок службы.

Срок службы многослойных зеркал ограничивается главным образом их загрязнением в процессе эксплуатации. Т.к. основным источником EUV-излучения в EUV-литографе на 13.5 нм является горячая многозарядная плазма паров олова, то поверхность Mo:Si многослойных зеркал вблизи источника EUV излучения подвергается, в основном, загрязнению оловом.

Углерод осаждается на поверхности зеркал при разложении углеводородов под действием EUV фотонов и вторичных электронов (остаточные углеводороды присутствуют даже при высоком вакууме). Такие загрязнения существенно снижают отражающую способность зеркал и четкость получаемого изображения. Т.к. в предполагаемых схемах литографа может содержаться более десятка многослойных зеркал, то, соответственно, даже небольшое снижение отражательной способности каждого зеркала (при осаждении всего нескольких нм загрязнений) может блокировать

работу литографа в целом. Как показали различные эксперименты, загрязнение поверхности зеркала происходит с довольно высокой скоростью (в зависимости от чистоты вакуумной системы, скорость роста углеродной пленки составляет -0.1-0.01 нм/час при средней мощности ЕЦУ-излучения порядка 1 Вт/см2) [3, 4].

Для использования ЕиУ литографии в производстве СБИС уровня 32 нм и ниже, необходимо обеспечить достаточно длительный срок службы ЕЦУ литографа, а значит и многослойной оптики (~30000 часов) [5, 6]. Для этого необходимо эффективно удалять загрязнения с поверхности многослойных зеркал, сохраняя при этом гладкость их поверхности. Без дополнительной очистки время жизни зеркал сокращается до нескольких тысяч часов вместо требуемых 30 ООО часов. При этом важную роль при создании технологии очистки играет знание физических механизмов удаления загрязнений и особенностей взаимодействия плазмы с поверхностью многослойных зеркал.

Цель диссертационной работы

Цель данной работы - исследование взаимодействия плазмы с поверхностью многослойных зеркал, а также физических механизмов удаления загрязнений олова, углерода и оксида рутения с поверхности многослойной оптики в плазме.

Процедура удаления загрязнений должна обеспечивать, во-первых, достаточно высокую скорость удаления С и Бп (заметно превышающую скорость их осаждения ~ 0.01 нм/час) а, во-вторых, не допускать повреждения верхнего слоя зеркала (обеспечивать сохранение его гладкости на протяжении 30 тыс. часов).

При этом система плазменной очистки, подходящая для практического использования, должна удовлетворять следующим требованиям:

(1) В процессе очистки удалять слои углерода нанометровой толщины, не затрагивая при этом верхний слой зеркала.

(2) Система очистки должна быть достаточно простой и доступной для реализации непосредственно в ЕЦУ литографе: процессы юстировки и настройки оптической системы столь сложны, что удаление зеркал из литографического аппарата для процедуры очистки недопустимо.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Создание экспериментальных стендов для исследования взаимодействия поверхности многослойной оптики и ее загрязнений с плазмой

2. Исследование структуры загрязнений многослойной оптики

3. Измерение вероятности удаления атомов загрязнений с поверхности многослойной оптики различными частицами (радикалами и ионами).

4. Установление физических механизмов ионной и ион-стимулированной очистки загрязнений с поверхности многослойной оптики

5. Поиск параметров плазмы, при которых удаление загрязнений с поверхности многослойных зеркал проходит оптимальным образом: скорость очистки достаточно велика, при этом деградация поверхности многослойных зеркал отсутствует или мала.

Научная новизна

В представленной работе впервые исследованы физические механизмы удаления загрязнений с поверхности многослойной оптики. На основе изученных физических механизмов впервые предложена система плазменной очистки, удовлетворяющая обоим требованиям (1) и (2) (см предыдущий пункт) [А1-АЗ]. При этом существующие системы плазменной очистки с генерацией атомов водорода горячей нитью [8, 9] либо с использованием озона [10] малопригодны для практического применения в Е1ГУ литографии, т.к. не удовлетворяют одновременно обоим требованиям. Системы с использованием горячей нити приводят к перегреву многослойных зеркал и к загрязнению их вольфрамом. Системы с использованием озона достаточно эффективны для удаления углерода, однако их использование ведет к быстрой деградации (окислению) поверхности многослойных зеркал.

В представленной работе впервые исследована структура углеродного загрязнения многослойных зеркал и показано, что структура пленок углерода, осажденных под ЕЦУ излучением, идентична структуре пленок углерода, напыленных магнетронным способом [А4].

Впервые измерены вероятности удаления атомов загрязнений различными частицами в условиях, приближенных к условиям ЕЦУ литографа. Измерены вероятности гибели атомов Н на тефлоне, кварце и нержавеющей стали (эти материалы являются основными в конструкции литографического оборудования) в условиях, приближенных к условиям в ЕиУ-литографе [А5]. Показано, что из-за высокой вероятности гибели атомов на поверхности металла системы очистки с удаленной генерацией атомов Н не могут быть эффективными.

Впервые установлен механизм ионной и ион-стимулированной очистки загрязнений с поверхности многослойных зеркал для ЕиУ литографии. Предложена уникальная

технология непрерывной очистки многослойных зеркал непосредственно в процессе работы литографа [Л1-ЛЗ].

Практическая значимость

Практическая значимость задачи обусловлена необходимостью ее решения для выполнения плана по развитию микроэлектроники в соответствии с Международной программой развития полупроводниковых технологий [1].

Установленные физические механизмы открывают перспективы создания технологии управляемой, прецизионной плазменной очистки многослойной ЕЦУ оптики непосредственно в процессе работы литографа. Такая технология оптимальным образом подходит для использования в промышленных системах ЕЦУ литографии по следующим причинам:

- Позволяет увеличить срок службы многослойных зеркал с имеющихся 100 часов до необходимых 30 ООО часов [А1]

- Позволяет повысить производительность литографической установки (т.к. зеркала остаются постоянно чистыми, следовательно, производительность литографа не падает со временем)

- Позволяет свести к минимуму технологические перерывы для обслуживания литографа, что также важно, т.к. современный промышленный литограф должен быть в рабочем состоянии не менее 95% времени.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения

1. Измерены вероятности удаления радикалами и ионами атомов загрязнений с поверхности многослойных зеркал в плазме: -10"6 для «холодных» атомов Н и -0.04 для ионов Не+. Установлено, что главным механизмом удаления олова являются химические реакции с атомарным водородом, с образованием летучего продукта БпН^ в то время как легкие ионы Нз+ и Не+ практически не влияют на очистку олова. Оценена вероятность удаления атома Бп «холодным» атомом Н, падающим на поверхность при температуре 300 К: она составляет порядка ~310"5. Оценена вероятность удаления одного атома С одним «холодным» атомом Н: -Ю"6 [А1-АЗ]

2. Установлен физический механизм ионной и радикальной очистки поверхности многослойных зеркал в плазме и ее послесвечении (химические реакции с образованием летучих продуктов в случае атомарного водорода и поверхностная нейтрализация в случае ионов). Показана принципиальная физическая возможность прецизионной и эффективной очистки многослойных зеркал в плазме [А1, А2].

3. Измерены вероятности гибели атомов водорода и азота на основных материалах, из которых состоит оборудование для EUV литографии (-0.1 для нержавающей стали, ~10"3 для тефлона и кварца). Показано, что вследствие этого системы очистки с удаленной генерацией атомов Н и их последующей транспортировкой к поверхности не могут быть эффективными [А5].

4. Установлен диапазон энергии ионов Не* или Н3+, в котором удаление загрязнений в плазме происходит с необходимыми высокими скоростью и селективностью, без повреждения поверхности многослойного зеркала: от 20 до 60 эВ. Установлено, что основной физический процесс, влияющий на удаление загрязнений ионами -нейтрализация ионов Нз+ на поверхности с образованием горячих атомов водорода [А1, А2].

Апробация работы

Результаты данной работы были представлены в докладах на двух конференциях:

1. 63rd Gaseous Electronics Conference & ICRP 2010, Париж, 4-8 октября 2010 г. Устный доклад.

2. VII Курчатовская молодежная научная школа, РНЦ Курчатовский институт, Москва, 10-12 ноября 2009 г. Устный доклад.

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 5 печатных работах, из них 3 статьи в рецензируемых научных журналах [А2, А4, А5] и 2 тезиса доклада [А1, A3].

Личный вклад автора

Автор принимал участие в создании экспериментальных стендов низкого давления для обработки образцов в плазме и ее послесвечении. С использованием данных экспериментальных установок автором были проведены эксперименты по обработке образцов многослойных зеркал в плазме и ее послесвечении. Автор занимался подготовкой образцов для этих экспериментов и анализом полученных экспериментальных данных по диагностике поверхности.

Струотура и объем диссертации

Диссертация состоит из шести глав. Глава 1 посвящена обзору существующей литературы по многослойным зеркалам и их загрязнениям, а также роли EUV литографии в современной микроэлектронной технологии. В главе 2 описаны основные

использованные в данной работе методы диагностики поверхности многослойных зеркал и их загрязнений. В главе 3 исследуется структура загрязнений многослойных зеркал. Главы 4 посвящены взаимодействию плазмы с загрязнениями поверхностей многослойных зеркал. Глава 5 посвящена исследованию возможности создания систем удаленной плазменной очистки многослойной ЕДЛУ оптики. В главе 6 исследованы физические механизмы химической и ион-стимулированной очистки поверхности многослойных зеркал в плазме. Основные результаты работы представлены в заключении.

Содержание работы

Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов.

В первой главе описана Международная программа по развитию полупроводниковых устройств, место ЕИУ литографии в этой программе и основные задачи в ЕиУ литографии, которые необходимо решить в соответствии с этой программой. Описаны основные принципы оптической литографии. Приведены свойства многослойных зеркал для ЕЦУ литографии и описана проблема их загрязнения. Глава заканчивается постановкой задачи исследования физических механизмов взаимодействия плазмы с поверхностью многослойных зеркал и их загрязнений.

Во второй главе описываются методы исследования поверхности оптических элементов и их загрязнений в ЕиУ литографии.

В разделе 2.1 описывается спектроскопия рамановского рассеяния применительно к тонким пленкам углерода. С помощью данной диагностики исследовалась как структура, так и толщина углеродной пленки. Описана схема экспериментальной установки (рис. 1) и приведены калибровочные кривые для измерения толщины тонких пленок углерода по интенсивности рамановского сигнала (рис. 2).

Интерпретация рамановских спектров пленок углерода и анализ структуры этих пленок проводится в разделе 3.2

В разделе 2.2 описывается Фурье ИК-спектроскопия тонких пленок углерода. Для того чтобы проверить наличие С-Нх связей в ЕЦУ-осажденном углероде, были измерены ИК спектры поглощения ЕиУ-осажденных пленок. Так как эти пленки очень тонкие, и спектроскопический сигнал от них очень слабый, то для этих измерений использовался вакуумный Фурье-ИК спектрометр Вгикег [РБ-бб со специальным аппертурным держателем. Примеры ИК-спектров и их интерпретация приводятся в разделе 3.3.

Рис. 1. Схема установки для рамановской спектроскопии тонких пленок. SOLAR Til -изображающий монохроматор, ICCD - матрица, NF - "notch''-фильтр

X CD

t 0-1-.-,-■-1-■-1-•-,-•-1-■-г-

S о 5 10 15 20 25 30

Толщина пленки, нм

Рис. 2. Калибровочная кривая для измерения толщины тонких углеродных пленок с помощью спектроскопии рамановского рассеяния.

Раздел 2.3 посвящен рентгенофлуоресцентному анализу пленок олова. В случае металлов (Sn, Mo) рамановская спектроскопия оказывается неприменимой. Поэтому для измерения толщины пленок олова и молибдена был использован рентгенофлуоресцентный анализ (XRF, X-Ray fluorescence). Измерения были проведены на рентгеновском спектрометре Focus-M2 с капиллярными линзами Кумахова.

XRF спектры возбуждались рентгеновским излучением на двух линиях меди Си Ка (0.154 нм) и Си Кр (0.139 нм). Измерения были выполнены при атмосферном давлении. XRF анализ был использован для измерения толщины пленок олова, а также для количественного анализа элементов, из которых состоит пленка.

В качестве примере на рис. 3 приведен ХИР спектр образцов пленок олова до и после обработки в Нг плазме.

500

сг <и

л" 300 I-

о о

ш 200

0

<и юс-

1

До обработки ■ После обработки

0 1 2 3 4 5 6 Энергия, кэВ

Рис. 3. ХШ^ спектр образца с Бп пленкой до (~ 10 нм Эп) и после обработки в Н2 плазме.

В разделе 2.4 описана диагностика поверхности с помощью сканирующей электронной микроскопии. Сканирующая электронная микроскопия использовалась, в основном, для визуального контроля качества поверхности.

В разделе 2.5 описана диагностика поверхности оптических элементов для Е1Л/ литографии с помощью атомно-силовой микроскопии. Атомно-силовая микроскопия использовалась как для визуального контроля качества поверхности многослойных зеркал до и после очистки, так и для статистического анализа грубости поверхности. Грубость поверхности характеризует статистику распределения дефектов поверхности по их размерам. В качестве иллюстрации на рис. 4 приведена грубость поверхности образца до и после обработки в Не плазме (подробнее обработка в плазме описана в гл. 4).

Результаты второй главы опубликованы в [А1, А2, А4].

В третьей главе исследуется структура загрязнений поверхности многослойных зеркал для ЕЦУ литографии.

Эксперименты с промышленными зеркалами и в промышленных условиях являются достаточно дорогими как вследствие дороговизны самих зеркал, так и вследствие высокой стоимости эксплуатации литографической установки. Кроме того, загрязнение и очистка

происходят на достаточно длительных временных масштабах. Поэтому ключевую роль в разработке эффективных методов контроля чистоты зеркала играет понимание физических процессов образования пленок и знание их структуры. В работе обоснована возможность замены образцов дорогих промышленных многослойных зеркал и их загрязнений на более дешевые модельные.

Ct О)

X I-

о

оа о

I-

<и т и н о

о п; о

Высота дефектов, нм

Рис. 4. Грубость поверхности до и после обработки в Не плазме (подробнее об обработке см Главу 4).

В разделе 3.1 обсуждается структура загрязнений олова и оксида рутения. Как пленки окисла рутения, так и пленки олова представляют собой пленки, фазовое состояние которых практически не зависит от способа их нанесения на поверхность. В данной работе в качестве способа равномерного нанесения тонких пленок металла на поверхность было выбрано магнетронное напыление как наиболее удобный и доступный способ.

В разделе 3.2 анализируется структура тонких пленок углерода, осажденных под EUV излучением. Углерод, в отличие от олова, может образовывать различные фазовые модификации, такие как аморфный углерод, графен, алмаз и т.д. От структуры пленки зависит доминирующий механизм ее разрушения. Поэтому знание структуры (фазового состояния) пленок углерода крайне важно в контексте решаемых в данной работе задач. Вопрос о фазовом состоянии таких пленок ранее столь подробно не исследовался и впервые сделан в данной работе [A4].

Приведены измеренные рамановские спектры углерода в различных фазовых модификациях (рис. 5).

-до обработки в Не плазме •после обработки в Не плазме

Roughness -0.5 нм

G-пик

а) 30000

sp3

sp2

1000

1500

2000

Рамановское смещение, см"

Рис. 5. Рамановские спектры углерода в различных фазах. А - кристаллический алмаз, В - высоко ориентированный пиролитический графит (highly oriented pyrolytic graphite, HOPG), С - одностенная нанотрубка, D - микро-поликристаллический графит (glassed graphite), Е - нанографит (нано-поликристаллический графит), F - аморфный углерод осажденный под действием мощного EUV излучения, G - аморфный углерод, осажденный магнетронным напылением. Спектр аморфного углерода G аппроксимирован суммой двух гауссианов (толстые перекрывающиеся серые линии - гауссианы, толстая черная линия -сумма гауссианов).

Для анализа пленок углерода на предмет наличия С-Н связей были измерены FTIR-спектры углеродных пленок, осажденных под 13.5 нм EUV излучением. Показано, что тонкие пленки углерода, образующегося под EUV излучением, являются аморфными, не содержат водорода, а структура этих пленок идентична структуре пленок магнетронно-напыленного углерода. Показано, что в целях исследования физических особенностей процессов взаимодействия с плазмой пленки EUV-осажденного углерода могут быть смоделированы более дешевыми и доступными пленками магнетронно-напыленного углерода.

Г"

Волновое число, см"1

Рис. 6. РТШ.-спектры углеродных пленок, осажденных под 13.5 нм ЕиУ-излучением из пульсирующего разрядного Бп источника (г-пинч, средняя мощность -0.2 Вт/см2 в полосе шириной 2 нм). Отсутствие С-Н связей указывает на отсутствие атомов водорода в пленках.

В разделе 3.3 описана физическая модель углеродного загрязнения, принятая Национальным институтом стандартов и технологий США (М5Т). Показано, что полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с этой моделью.

В разделе 3.4 сформулированы выводы главы. В основе углеродных пленок, осаждаемых на поверхности под воздействием ЕиУ излучения, лежит зр2-углерод. Осаждаемые пленки являются аморфными углеродными пленками.

В первом приближении магнетронно-напыленные пленки углерода структурно идентичны ЕЦУ-напыленным пленкам углерода и вполне подходят для моделирования загрязнения многослойных зеркал углеродом под действием Е11У излучения.

Поэтому возможно исследовать физические процессы очистки в модельных условиях, т.е. на модельных образцах и модельных загрязнениях. В качестве модели многослойных зеркал в данной работе использовались многослойные Мо:81 пластины (-40 слоев Мо:81 на кремниевой подложке) с верхним слоем Мо, а загрязнение моделировалось слоем магнетронно-напыленного олова или углерода толщиной до -10 нм. Загрязнения осажденного под ЕиУ углерода моделировались тонкими пленками магнетронно-напыленного углерода.

Результаты третьей главы опубликованы в [А4].

В четвертой главе исследуется взаимодействие тонких пленок углерода и олова с плазмой и ее послесвечснием.

В разделе 4.1 содержится введение. Известно, что поверхностные загрязнения углерода и олова достаточно эффективно могут удаляться атомами водорода с образованием стабильных летучих продуктов SnH4 и СН4, которые при протоке газа уходят в откачку. Источники атомов водорода могут быть разными. Как известно, одним из наиболее эффективных источников атомов H является «горячая нить» (как правило, это W спираль при температуре более 2000 С) [8, 9].

Однако горячая нить оказывается малоприменимой на практике из-за мощного теплового излучения и загрязнения зеркал вольфрамом в процессе очистки. Поэтому в качестве первого приближения было принято заменить горячую нить другим источником атомов, а именно - плазмой.

В разделе 4.2 описана экспериментальная установка для исследования взаимодействия поверхности образцов многослойных зеркал с плазмой ВЧ разряда (рис. 7). Давление газа (водород или гелий) варьировалось в диапазоне 0.5 - 5 Тор, образец располагался на нижнем (заземленном) образце. Плотность плазмы пе и температура электронов Те были приблизительно оценены из измеренных ВАХ зонда. Те была оценена как -2.5 эВ и слегка уменьшалась с увеличением давления. С другой стороны, при этом плотность электронов увеличивается. Измерения показали, что пс варьировалась в диапазоне Ю9-Ю10 см"3.

Рис 7. Экспериментальная установка для исследования взаимодействия поверхности образцов многослойных зеркал с плазмой ВЧ разряда 40 МГц.

В разделе 4.3 описан использованный в работе метод актинометрии для измерения плотности атомов водорода в плазме [А5].

DPO

Осшшкмраф

В разделе 4.4 описана экспериментальная установка для исследования взаимодействия поверхности образцов многослойных зеркал с послесвечением плазмы (рис. 8). Был проведен эксперимент, в котором атомы водорода производились в кварцевой разрядной трубке в потоке газа, а образец располагался в дальнем послесвечении разряда в камере из нержавеющей стали диаметром -300 мм.

Откачка газа

Рис. 8. Экспериментальная установка для исследования взаимодействия послесвечении разряда 13.56 МГц

Раздел 4.5 посвящен взаимодействию тонких пленок олова с плазмой и ее послесвечением. Проводились измерения скорости удаления олова в зависимости от потока атомов Н и ионов Не+, Нз+ на образец (см рис. 8).

I Ю 1

«1°

X

О)

с; пз

51 ои

10"

О Разряд 40 МГц

ф Послесвечение разряда 13.56 МГц

-ю

10 -

-10

10

10"

10"

ю|!

Поток атомов Н, атом/(см с)

10"

Рис. 9. Скорость удаления пленки Бп в 40 МГц ССР разряде в Н2 и послесвечении разряда 13.56 МГц как функция потока атомов Н на поверхность.

Учитывая линейный характер зависимости скорости удаления олова от потока атомов водорода, впервые [А1, А2, АЗ] были оценены вероятности удаления атомов Эп атомами Н, т.е. вероятность, с которой падающий на поверхность пленки олова атом водорода может экстрагировать атом олова. Для атомов Н при температуре -300К вероятность удалить атом Эп составляет 3-10"6. Аналогичным образом была оценена вероятность удаления олова ионами Не+, т.е. вероятность удалить атом олова при падении на поверхность одного иона Не+: ~(2-4)-10~3.

Предложено качественное физическое описание многоступенчатого процесса удаления олова с последующим переосаждением.

Раздел 4.6 посвящен взаимодействию тонких пленок углерода с плазмой и ее послесвечением. Проводились измерения скорости удаления углерода в зависимости от потока атомов Н на образец (см рис. 9).

Оценена, как и ранее для атомов вп, вероятность удаления атома С ионами Не+, т.е. вероятность удаления одного атома углерода при падении на поверхность одного иона: -0.04.

Ю 1

, • Послесвечение разряда 13.56 МГц О

0

1 10°

I

ш с;

"10

Ь

о о. о

О 10

О Разряд 40 МГц, 0.3 Тор □ Разряд 40 МГц, 1 Тор А Разряд 40 МГц, 5 Тор!

г 10

10ь

10

о

"О

о о

ь

ш ь 0>

1 ^

О

ш ч о

2

10"

10'

ю18

10

10

Поток атомов Н, атом/(см с) ^

Рис. 10. Скорость удаления пленки С в 40 МГц ССР разряде в Нг и послесвечении разряда 13.56 МГц как функция потока атомов Н на поверхность.

Установлено, что в дальнем послесвечении разряда, в котором присутствуют только атомы водорода, скорость удаления углерода очень мала (-0.03 нм/мин), в то время как в разряде она порядка 1 нм/мин. Т.к. плотность атомов Н в металлической камере не отличается от плотности в разряде при высоких давлениях > 1 Тор, можно сделать вывод о том, что эффективность удаления углерода атомарным водородом достаточно низкая.

Более того, эффективность удаления углерода атомами N и радикалами ЫНЛ также достаточно низка. Показано, что в отличие от олова очистка углерода атомами водорода при низком давлении крайне неэффективна: практически все атомы будут рекомбинировать на поверхности и лишь исключительно малая их часть будет участвовать в поверхностных реакциях, удаляя углерод.

В разделе 4.7 сформулированы выводы главы.

Главным механизмом удаления олова являются химические реакции с атомарным водородом, с образованием летучего продукта БпН*!, в то время как легкие ионы Нз+ и Не+ практически не влияют на очистку олова. Предположительно, механизм очистки олова является многостадийным, с переосаждением олова из газовой фазы на поверхность. Оценена вероятность удаления атома Эп холодным атомом Н, падающим на поверхность при температуре 300 К: она составляет порядка -3-Ю"5. В противоположность олову, углерод плохо удаляется «холодными» атомами водорода. Вероятность удаления одного атома С одним «холодным» атомом Н составляет ~10*6. При этом скорости удаления как олова, так и углерода атомами водорода на много порядков меньше, чем скорости поверхностной рекомбинации атомов водорода (-Ю-2). В этом смысле очистка олова и углерода атомарным водородом при низком давлении крайне неэффективна: большая часть атомов Н имеет достаточно времени, чтобы рекомбинировать с поверхностью и только крайне небольшая часть атомов реально участвует в реакциях поверхностной очистки.

В противоположность олову, очистка углерода ионами, падающими на поверхность, эффективна и имеет достаточно высокую вероятность (-0.04 для ионов Не*), даже при очень небольших энергиях ионов. Очевидно, механизм такой очистки не является простым кинетическим распылением. Весьма вероятно, что энергия, высвобождающаяся при нейтрализации иона на поверхности, также играет важную роль в этих реакциях очистки.

Таким образом, использование низкотемпературной водородной плазмы при низком давлении позволяет удалять олово и аморфный углерод с поверхности многослойной оптики. При этом олово, в основном, удаляется атомами водорода, а углерод - ионами. Олово удаляется достаточно эффективно атомами водорода, а скорость удаления углерода атомами водорода достаточно мала, однако она превышает скорость его осаждения в современных ЕиУ литографах - 0.1 нм/час. Поэтому, в принципе, атомы водорода способны поддерживать многослойные зеркала чистыми, несмотря на то, что такая очистка является низкоэффективной. Однако, для того чтобы эффективно реализовать

такую очистку, необходимо обеспечить достаточно эффективную генерацию и транспортировку атомов Н к поверхности многослойных зеркал. Учитывая, что такие эффективные генераторы атомов Н, как плазма и горячая нить, создают мощные электромагнитные помехи, предпочтительным представляется создание схем удаленной очистки, в которых источник атомов Н и их потребитель пространственно разделены. Следующая глава посвящена исследованию возможности подобной очистки.

Результаты четвертой главы опубликованы в [А1, А2, А4, А5].

В пятой главе исследуется принципиальная физическая возможность создания систем удаленной плазменной очистки многослойных зеркал. Процессы транспортировки атомов исследовались в кварцевых трубках. Эксперимент описан в разделе 5.2 и проводился следующим образом. Изучался транспорт атомов водорода вдоль трубки при заданных высоком и низком давлении. Для этого методом актинометрии измерялась степень диссоциации водорода в послесвечении разряда. Образцы тефлоновых пленок и фольги из нержавеющей стали были расположены внутри трубки и занимали приблизительно половину площади трубки, что позволяло зажигать «подсвечивающий» разряд 81 МГц для актинометрических измерений.

Результаты эксперимента обсуждаются в разделе 5.3

Кварц М еталл Тефлон

В ближайшем послесвечении (1-2)10-3 0.07-0.13 ~ю-з

В далеком послесвечении -3-Ю-4 0.02-0.05 < 2-10-4

Табл. 1. Значения вероятности поверхностной гибели для Н атомов (ун), полученные в экспериментах при низком давлении.

В разделе 5.4 описано моделирование системы удаленной плазменной очистки с помощью пакета для моделирования низкотемпературной плазмы СР0-АСЕ+20. Моделирование показало, что если использовать полученные выше оценки вероятности удаления аморфного углерода атомами Н и И, т.е. рн » (6+2)-10"6 и азота Рм « (4±2)-10"4, то максимально возможные скорости удаления загрязнений с поверхности многослойной оптики оказываются примерно на уровне <0.3 нм/час для атомов Н при ун=510"4 и <0.0001 нм/час при ун=210"3. При этом скорость удаления углерода атомами N оказывается заметно выше, чем атомами водорода, но все-таки довольно низкой: менее 5 нм/час для Ум^-Ю"4. Увеличение вероятности поверхностной гибели атомов в 1.5-2 раза, резко

снижает скорость очистки с помощью удаленного источника атомов. Увеличение у„ в четыре раза от 510"4 до 2-Ю'1 ведет к уменьшению скорости удаления загрязнений более чем в 1000 раз. Максимальные скорости очистки поверхности многослойных зеркал от аморфного углерода (с использованием удаленных систем очистки) оказываются сравнимыми со скоростью роста углеродной пленки под действием EUV излучения. А приведенные модельные расчеты показывают, что система очистки с помощью удаленного источника атомов Н или N крайне чувствительна к материалу и конструкции системы транспортировки атомов.

Результаты пятой главы опубликованы в [А5].

В шестой главе исследуются физические механизмы взаимодействия ионов с поверхностью многослойных зеркал и их загрязнениями. Исследуется ионная и ион-стимулированная очистка многослойных зеркал в применении к созданию систем непрерывной очистки многослойных зеркал.

В разделе б.1 описывается мотивация создания систем непрерывной очистки. Энергия кванта EUV излучения с длиной волны 13.5 нм составляет 92 эВ. Фотоны и вторичные электроны, продуцируемые таким излучением, способны в присутствии газа образовывать плазму над поверхностью зеркала. Особый интерес представляет использование такой плазмы для непрерывной (in-line) очистки зеркал непосредственно в камере литографа.

В разделе 6.2 описана экспериментальная установка для исследования физических механизмов удаления аморфного углерода в разрядной плазме водорода и гелия (рис. 11).

труба

Рис. 11. Экспериментальная установка для исследования физических механизмов удаления аморфного углерода в разрядной плазме водорода и гелия.

В разделе 6.3 обсуждаются результаты проведенных экспериментов. Получены вероятности удаления одного атома углерода одним падающим ионом гелия или водорода.

Плазма Основной ион Энергия ионов Вероятность удаления

Не Не+ 12 эВ 0.128 ±0.006

Н Н3+ 22 эВ 0.092 ± 0.008

Табл. 2. Вероятности удаления одного атома углерода одним падающим ионом.

Сопоставлены вероятности удаления различных атомов (углерода, молибдена, рутения) в зависимости от энергии падающих ионов (см рис. 12). Вероятность удаления атома углерода одним ионом Нз+ или Не+ значительно выше, чем вероятность удаления одного атома рутения или молибдена, особенно при низких энергиях ионов, где разница исчисляется уже порядками. При этом вероятность удаления углерода даже при очень низких энергиях ионов (-10 эВ) очень высока и также значительно превышает вероятность распыления графита. Особенно это характерно для ионов Нз+, для которых даже при энергии -1 эВ вероятность удаления углерода остается высокой 0.2-0.3. При этом, как видно из рис. 12, при столь малой энергии ионов также наблюдается существенная разница в вероятностях удаления углерода для ионов Нз+ и Не+ (при этом вероятность удаления С ионами Не+ начинает быстро уменьшаться, что характерно для кинетического механизма, когда есть заметный энергетический барьер для удаления атома с поверхности). Столь высокая вероятность удаления углерода при низких энергиях Нз+ ионов косвенно свидетельствует о том, что в случае водородной плазмы доминирует именно химический механизм очистки, т.к. энергии ионов всего в несколько эВ недостаточно для кинетического распыления. Наиболее вероятный механизм такой плазмохимического удаления атомов углерода - это поверхностная нейтрализация ионов Нз+ с образованием «горячих» (с характерной температурой > 1000-5000 К) атомов водорода. Такие атомы водорода способны преодолеть активационные барьеры поверхностных химических реакций (это в некоторой степени соответствует процессу горения С в водороде). Однако, этот механизм, так же как и обычный механизм кинетического распыления, нуждается в дополнительном исследовании.

По полученным данным, была оценена селективность процесса плазменной очистки зеркал в зависимости от энергии ионов (рис. 13). «Рабочее окно» для энергии ионов, при которой очистка удовлетворяет требованиям к селективности и скорости очистки, определяется двумя условиями. Верхняя граница энергии ионов определяется требованиями минимально допустимой селективности. С ростом энергии ионов, падающих на образец, селективность очистки заметно снижается. При слишком высокой энергии ионы будут не только удалять загрязнение с поверхности, но и вызывать модификацию верхнего слоя зеркала, что неприемлемо. При очень низкой энергии ионов

верхний слой зеркала не будет повреждаться, но и очистка будет происходить слишком медленно, что собственно и определяет нижнюю границу по энергии ионов. Баланс этих двух требований задает «рабочее окно» системы плазменной очистки многослойной оптики в ЕиУ литографе, которое представлено окружностью на рис. 13.

ДЦМЧ

ионы (аморфный С) ■ н* ионы (аморфный С) + Но* ионы (Ни, Мо) -О- Не* ионы (Графит)

рении

1000 10000

Энергия ионов, эВ

Рис 12. Вероятности удаления аморфного углерода, рутения (молибдена) и графита в зависимости от энергии ионов, падающих на образец

о1бооо

Минимально допустимая скорость ,очистки

Рабочий диапазон ^/для энергии ионов

Минимально допустимая селективность

'80 120 160 Энергия ионов, эВ

Рис. 13. Селективность удаления углерода по отношению к молибдену. Рабочее окно для энергии ионов выделено черным овалом.

В разделе 6.4 описана ион-стимулированная очистка окислов рутения. Показано, что удаление окислов рутения «холодными» атомами Н неэффективно (менее 0.05 нм/мин), в противоположность плазменной ион-стимулированной очистке (до 0.5 нм/мин).

В разделе 6.5 сформулированы выводы главы.

В данной работе экспериментально исследована возможность прецизионной плазменной очистки загрязнений аморфного углерода и окислов рутения с поверхности многослойных зеркал для Е1ГУ литографии. Показано, что низкотемпературная водородная плазма может быть использована для эффективной и бездефектной очистки

многослойных зеркал. Впервые установлены рабочие параметры плазмы, при которых очистка происходит с необходимыми высокими скоростью и селективностью. При этом главную роль в процессе данной плазменной очистки, по-видимому, играет нейтрализация ионов Нз+ на поверхности, с образованием горячих атомов водорода.

Результаты шестой главы опубликованы в [А1, А2, АЗ].

В заключении представлены основные результаты диссертации.

В данной диссертационной работе исследовано взаимодействие низкотемпературной плазмы с поверхностью многослойной отражающей оптики для 13.5 нм ЕИУ литографии и основными загрязнениями на ее поверхности - аморфными тонкими (нм толщины) пленками олова, углерода и оксида рутения.

Основное воздействие на поверхность многослойной оптики оказывают атомы и ионы из плазмы. Изучены физические особенности процессов удаления загрязнений с поверхности многослойных зеркал атомами водорода и азота, образованными в плазме.

Установлено, что главным физическим механизмом удаления олова являются химические реакции с атомарным водородом, с образованием летучего продукта ЗпН4, в то время как легкие ионы Нз+ и Не+ практически не влияют на скорость удаления олова. Оценена вероятность удаления атома Бп «холодным» (300 К) атомом Н, падающим на поверхность при температуре 300 К: порядка ~310'5. В противоположность олову, углерод плохо удаляется «холодными» атомами водорода. Вероятность удаления одного атома С одним «холодным» атомом Н составляет ~10"6. Очистка углерода ионами, падающими на поверхность, эффективна и имеет достаточно высокую вероятность (~0.04 для ионов Не*), даже при очень небольших энергиях ионов.

Проведены измерения скорости удаления пленок аморфного углерода атомами водорода и азота в дальнем послесвечении ЮР разряда, на основе которых затем получены оценки вероятностей удаления атомов углерода на один атом Н или N. падающий на поверхность пленки: рна!(6±2)10"6 и Рм~(4±2)Ю"4.

Впервые установлен диапазон энергии ионов в плазме, в котором удаление загрязнений происходит с необходимыми высокими скоростью и селективностью [А1, А2]. При этом главную роль в процессе данной плазменной очистки, по-видимому, играет нейтрализация ионов Нз+ на поверхности, с образованием горячих атомов водорода. Данный подход закладывает физические основы для создания технологии управляемой и прецизионной плазменной очистки многослойной оптики непосредственно в процессе работы ЕиУ литографа. Учитывая, что плазма, индуцированная Е1Л/ излучением и вторичными фотоэлектронами над поверхностью зеркала, является достаточно

«холодной», где температура электронов и, соответственно, плазменный потенциал малы, то основной вклад в очистку поверхности многослойных зеркал могут давать только ионы малых энергий. Поэтому именно механизм поверхностной нейтрализации ионов Нз+ может стать физической основой технологии непрерывной очистки многослойной оптики в EUV литографии.

Список публикаций

Al. Е. Malykhin, О. Braginsky, A. Kovalev, D. Lopaev, A. Rakhimov, Т. Rakhimova, А. Vasilieva, S. М. Zyryanov, К. Koshelev, V. Krivtsun, О. Yakushev. In-line plasma cleaning of EUV multilayer mirrors //Bulletin of the American Physical Society, 2010, N. 55(7), P. 12

A2. E.M. Малыхин, Д.В. Лопаев, A.T. Рахимов, T.B. Рахимова, О.В. Брагинский, А.С. Ковалев, Т.В. Васильева, С.М. Зырянов. Плазменная очистка аморфного углерода с поверхности многослойных зеркал в EUV литографии //Вестник Московского Университета, 2011, N. 2, Р. 76 A3. О. В. Брагинский, А. Н. Васильева, С. М. Зырянов, А. С. Ковалев, Д. В. Лопаев, Е. М. Малыхин, Ю. А. Манкелевич, Т. В. Рахимова, А. Т. Рахимов, М. Р. Бакланов. Плазменная очистка многослойных зеркал для EUV (13.5 нм) литографии. // 7-я Курчатовская Молодежная Научная Школа. 2009. А4. Е.М. Малыхин, В.А. Кривченко, Д.В. Лопаев, Т.В. Рахимова, С.М. Зырянов. Структура тонких пленок углерода, осажденных под EUV 13.5 нм излучением //Вестник Московского Университета, 2011, N. 1, Р. 53 А5. D. V. Lopaev, Е. М. Malykhin, S. М. Zyryanov. Surface recombination of oxygen atoms in 02 plasma at increased pressure: I. The recombination probability and phenomenological model of surface processes //Journal of Physics D: Applied Physics, 2011,N. 44, P. 015201

Цитированная литература

1. International Technology Roadmap for Semiconductors, 2009

2. S. Bajt, H. N. Chapman, N. Nguyen, J. Alameda et al //Applied Optics, 2003, V. 42, N. 28, P. 5750

3. N. Kaiser, S. Yulin, M. Perske, T. Feigl //Proc. of SP1E, 2008, V. 7101, P. 71010Z-1

4. Marc Bienert, Aksel Gohnemeier, Oliver Natt, Martin Lowisch et al //J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS, 2009, V. 8, N. 4, P. 041509

5. Peter J. Silverman //J. Microlith., Microfab., Microsyst., 2005, V. 4, N. 1, P. 011006

6. R. P. Seisyan //Techn. Phys. 2005, V. 50, N. 5, P. 535-545

7. H. Shin, S. N. Srivastava, and D. N. Ruzic //Proc. SPŒ, 2007, V. 6518, P. 65184N

8. Samuel Graham, Jr., Charles A. Steinhaus, W. Miles Clift, Leonard E. Klebanoff et al // Proceedings of SPIE, 2003, V. 5037, P. 460-469

9. Yasushi Nishiyama, Toshihisa Anazawa, Hiroaki Oizumi, Iwao Nishiyama et al //Proc. of SPIE, 2008, V. 6921, N. 692116, P. 692116-1

10. Roger W. C. Hansen, Mark Bissen, Dan Wallace, Jeff Wolske et al //J. Appl. Opt., 1993, V. 32, N. 22, P. 4114

11. Справочник констант элементарных процессов с участием атомов, ионов, электронов, фотонов. Под ред. проф. А.Г. Жиглинского. Изд-во СПбГУ, Санкт-Петербург, 1994.

Подписано в печать 16.05.2011 Формат 60x88 1/16. Объем 1.0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 1117 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119991 г.Москва, Ленинские горы, д.1 Главное здание МГУ, к. А-102

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Закон Мура.

1.2. Принципы оптической литографии.

1.3. Перспективы развития полупроводниковых технологий.

1.4. ЕЦУ литография.

1.5. Многослойные зеркала для ЕЦУ литографии.

1.6. Проблема загрязнения многослойных зеркал для Е1Л/.

1.7. Постановка задачи.

Глава 2. Методы исследования поверхности оптических элементов и их загрязнений в литографии экстремального УФ.

2.1. Спектроскопия рамановского рассеяния.

2.2. РЖ-спектроскопия тонких пленок аморфного углерода.

2.3. Рентгенофлуоресцентный анализ.

2.4. Сканирующая электронная микроскопия поверхности многослойных зеркал.

2.5. Атомно-силовая микроскопия поверхности многослойных зеркал.

Глава 3. Структура загрязнений поверхности многослойных зеркал.

3.1. Загрязнения олова и окисление зеркала

3.2. Структура тонких пленок углерода осажденных под Е1Л/.

3.3. Модель процесса осаждения пленки аморфного углерода на многослойное зеркало под действием ЕЦУ излучения.

3.4. Выводы.

Глава 4. Взаимодействие тонких пленок углерода и олова с плазмой и ее послесвечением.

4.1. Введение.

4.2. Экспериментальная установка для исследования взаимодействия тонких пленок углерода и олова с плазмой.

4.3. Метод актинометрии для измерения плотности атомов водорода в плазме.

4.4. Экспериментальная установка для исследования взаимодействия тонких пленок углерода и олова с послесвечением плазмы.

4.5. Взаимодействие тонких пленок олова с плазмой и ее послесвечением.

4.6. Взаимодействие тонких пленок углерода с плазмой и ее послесвечением.

4.7. Выводы.

Глава 5. Удаленная плазменная очистка многослойных зеркал.

5.1. Введение.

5.2. Эксперимент.

5.3. Обсуждение результатов.

5.4. Моделирование системы удаленной плазменной очистки многослойной оптики.

5.5. Выводы.

Глава 6. Ионная и пон-стнмулированнля плазменная очистка многослойных зеркал.

6.1. Введение.

6.2. Эксперимент.

6.3. Результаты.

6.4. Ион-стимулированная очистка окислов рутения.

6.5. Выводы.

В соответствии с Международной программой развития полупроводниковых устройств (International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS), наиболее перспективным (как технологически, так и экономически) направлением для дальнейшего развития* микроэлектронных устройств является литография экстремального ультрафиолета, или EUV-литография [1, 2]. В настоящее время используется EUV излучение с длиной волны 13.5 нм, и уже планируется переход на длину волны 6.7 нм Излучение с такой длиной волны сильно поглощается, поэтому использование преломляющей оптики в EUV литографах становится невозможным. В связи с этим современные схемы сбора и управления EUV излучением базируются на отражательной оптике, а именно - на многослойных зеркалах (Multiayei Mirror, ML mirror). Многослойные зеркала на длину волны 13.5 нм состоят из 40-60 Mo:Si бислоев, причем толщина каждого такого бислоя составляет 6.9 нм, а самый верхний слой -это пленка Ru толщиной 1.5-2 нм. Коэффициент отражения такого многослойного зеркала составляет 70% в спектральной полосе ~2 нм вблизи 13.5 нм [3, 4, 5]. Линейные размеры многослойных зеркал могут достигать десятков сантиметров, при этом грубость их поверхности не должна превышать 0.2-0.3 нм. Столь совершенные и сложные в изготовлении зеркала достаточно дороги и вносят значительный вклад в стоимость оборудования для EUV-литографии.

Для использования EUV литографии в производстве сверхбольших интегральных схем необходимо обеспечить очень длительное время жизни EUV оптики - не менее 30 000 часов [6, 7]. Срок службы многослойных зеркал сильно ограничивается их быстрым загрязнением в процессе эксплуатации [8, 9]. Т.к. основным источником EUV-излучения в EUV-литографе на 13.5 нм является горячая многозарядная плазма паров олова, то поверхность Mo:Si многослойных зеркал, особенно близких к источнику, подвергается загрязнению оловом. Кроме этого, на поверхности зеркал осаждается углеродная пленка при разложении на поверхности углеводородов под действием EUV фотонов и вторичных электронов (остаточные углеводороды присутствуют даже в условиях высокого вакуума ~10'8 Тор). На поверхности кроме углеводородов в высоком вакууме, кшс известно, присутствует адсорбированная вода, которая под воздействием EUV излучения и вторичных электронов диссоциирует, что ведет к окислению верхних слоев многослойного зеркала. Все это существенно снижает отражающую способность зеркал и четкость получаемого изображения. Т.к. в предполагаемых схемах EUV литографа может содержаться более десятка многослойных зеркал, то, соответственно, даже небольшое снижение отражательной способности каждого зеркала способно блокировать работу литографа в целом [10].

Для того чтобы работа ЕиУ литографа была эффективной, необходимо, чтобы потери отражательной способности на каждом зеркале не превышали 1.5% [11, 4]. Такая потеря отражательной способности соответствует толщине углеродной пленки всего в несколько нм. Так, например, в зависимости от расположения зеркала в литографе, скорость роста углеродной пленки на зеркале варьируется от 0.001 нм в час до 0.1 нм / час [12, 3]1 Таким образом, без дополнительной очистки время жизни многослойных зеркал сокращается до 100 часов'вместо требуемых 30 000 часов.

Поэтому одной из важнейших задач, которые необходимо решить для эффективного использования ЕЦУ литографии с длиной волны 13.5 нм и менее, является задача прецизионной, неповреждающей очистки многослойных зеркал от загрязнений [2, 13, 14].

Настоящая работа посвящена исследованию взаимодействия плазмы низкого давления с поверхностью многослойных зеркал и их загрязнений, исследованию возможностей и механизмов удаления загрязнений с поверхности многослойной ЕЦУ оптики в плазме.

Научная новизна данной задачи состоит в том, что необходимо удалять слои загрязнений нанометровой толщины, не затрагивая при этом верхний слой зеркала. Иными словами, необходимо достичь исключительно высокой селективности процесса удаления загрязнений. Для этого необходимо детальное знание физических особенностей процесса взаимодействия плазмы с поверхностью оптических элементов и их загрязнений. При этом система удаления загрязнений должна быть достаточно простой и доступной для реализации непосредственно в литографе: процессы юстировки и настройки оптической системы столь сложны, что удаление ЕиУ зеркал из литографа для задач очистки недопустимо.

Практическая значимость задачи обусловлена необходимостью ее решения в соответствии с Международной программой развития полупроводниковых технологий [2].

Диссертация состоит из шести глав. Глава I посвящена краткому обзору принципов ЕЦУ литографии в современной микроэлектронной технологии и существующих литературных данных по многослойным ЕиУ зеркалам и их загрязнениям. В главе 2 описаны использованные в данной работе методы диагностики поверхности многослойных зеркал и их загрязнений. В главе 3 исследуется структура загрязнений многослойных зеркал. Глава 4 посвящена взаимодействию плазмы с загрязнениями на поверхности многослойных зеркал. Глава 5 посвящена исследованию возможности создания систем удаленной плазменной очистки. В главе 6 описаны механизмы химической и ион-стимулированной очистки поверхности многослойных зеркал. Основные результаты работы представлены в заключении.

Личный вклад автора заключается в следующем. Автор принимал участие в разработке и создании экспериментальных стендов для обработки образцов в плазме и ее послесвечении.

С использованием данных экспериментальных установок автором были проведены эксперименты по обработке образцов многослойных зеркал в плазме и ее послесвечении. Автор занимался подготовкой образцов для этих экспериментов и анализом полученных экспериментальных данных по диагностике поверхности.

Апробация результатов работы была проведена в процессе публикаций в журналах «Вестник Московского Университета» (№ 1 и 2 за 2011 год), Journal of Physics D: Applied Physics (№ 1 за 2011 год) и устных докладов на российских и международных конференциях: «63rd Gaseous Electronics Conference & ICRP 2010» и «7-я Курчатовская Молодежная Научная Школа». На основе положительных отзывов и рецензий по результатам работы можно сделать вывод о возможности применения полученных результатов в EUV литографии.

Основные результаты работы опубликованы в журналах и сборниках трудов конференций: 3 статьи в рецензируемом журнале [15, 16, 17] и 2 тезиса доклада [18, 19].

Основные результаты диссертации

В данной диссертационной работе исследовано* взаимодействие низкотемпературной плазмы с поверхностью многослойной отражающей оптики для 13.5 нм ЕЦУ литографии и основными загрязнениями на ее поверхности - аморфными тонкими (нм толщины) пленками олова, углерода и оксида рутения.

Основное воздействие на поверхность многослойной оптики оказывают атомы и ионы из плазмы.

Изучены физические особенности процессов удаления загрязнений с поверхности многослойных зеркал атомами водорода и азота, образованными в плазме Исследован транспорт атомов Н и N в послесвечении разрядных плазменных источников атомов Показано, что поверхностная рекомбинация атомов определяет их плотность над поверхностью многослойного зеркала и, соответственно, скорость удаления загрязнений. Измерены вероятности рекомбинации атомов на поверхностности материалов, представляющих интерес в ЕЦУ литографии, нержавеющей стали, кварца и тефлона. Показано, что при низком давлении, вследствие высокой вероятности рекомбинации (-0 1) поверхностная рекомбинация на металле целиком и полностью определяет возможности удаленной плазменной очистки многослойных зеркал для ЕЦУ литографии.

Установлено, что основным механизмом удаления аморфных пленок олова являются прямые химические реакции Яп с атомарным водородом, с образованием летучего продукта БпИ,, в то время как легкие ионы водорода и гелия практически не влияют на скорость удаления олова Эффективность ион-стимулированных процессов при взаимодействии олова и водорода низкая Измерена вероятность удаления атома Эп атомом Н, падающим на поверхность при температуре 300 К: ~5-7-10"6. Измеренные вероятности удаления одного атома С и кислорода (восстановления 11и и ЯиОх) одним «холодным» атомом Н также низки: — 1-3-10"6 и 2 106 соответственно. В отличие от водорода вероятность удаления атома углерода (из аморфной пленки) одним атомом азота значительно выше -4-10 4 и сравнима с вероятностью рекомбинации атомов N на поверхности кварца. Низкие вероятности удаления аморфных пленок олова, углерода и оксида рутения атомарным водородом и азотом свидетельствуют о наличии высокого реакционного порога, прежде всего в начальной стадии образования водородных и азотных комплексов на поверхности

Исследованы физические особенности воздействия ионов на поверхность многослойной оптики и ее загрязнения. Поток низкоэнергетичных ионов из водородной плазмы на поверхность аморфных пленок углерода и оксида рутения приводит к включению механизма ион-стимулированных поверхностных процессов. Нейтрализация ионов Нз+ на поверхности и ион-стимулированные реакции с образованием горячих атомов водорода ведут к быстрой гидрогенизации верхних слоев углерода и оксида рутения и, соответственно, к значительному возрастанию скорости ион-стимулированных процессов даже при малой энергии ионов < 10 эВ.

Таким образом, показано, что низкотемпературная водородная плазма низкого давления может быть использована для эффективной и бездефектной очистки многослойных зеркал. Установлены рабочие параметры плазмы, при которых плазменная очистка происходит с высокими скоростью и селективностью.

Данный подход открывает перспективы создания технологии управляемой, прецизионной плазменной многослойной оптики непосредственно в процессе работы EUV литографа, т.е. "in-line". В силу того, что условия и параметры плазмы, индуцированной мощным EUV излучением и вторичными фотоэлектронами над поверхностью зеркала, близки к тем, что изучены в данной работе, поверхность многослойных зеркал будет подвергаться воздействию только ионов малых энергий. Поэтому именно механизм поверхностной нейтрализации ионов Нз* и низкоэнергетичных ион-стимулированных процессов может стать основой технологии управляемой "in-line" очистки многослойной оптики в EUV литографии.

Благодарности

Автор выражает благодарность Александру Турсуновичу Рахимову за научное руководство и конструктивные замечания по работе. Автор признателен Дмитрию Викторовичу Лопаеву и Татьяне Викторовне Рахимовой за помощь при выполнении работы и получение возможности представить ее результаты на российских и международных конференциях. Автор также благодарен сотрудникам отдела микроэлектроники НИИЯФ МГУ Олегу Владимировичу Брагинскому, Анне Николаевне Васильевой, Виктору Александровичу Кривченко, Дмитрию Григорьевичу Волошину, Александру Сергеевичу Ковалеву, Сергею Михайловичу Зырянову, Юрию Александровичу Манкелевичу, Ольге Вячеславовне Прошиной, Михаилу Аркадьевичу Тимофееву, а также сотрудникам Института Спектроскопии РАН Константину Николаевичу Кошелеву и Владимиру Михайловичу Кривцуну, при непосредственном участии которых были получены результаты, представленные в работе.

Заключение

1. Banqiu Wu, Ajay Kumar //Extreme Ultraviolet Lithography, 2009, vol. 7, P. 1

2. International Technology Roadmap for Semiconductors, 2009 (http://www.itrs.net)

3. N. Kaiser, S. Yulin, M. Perske, T. Feigl //Proc. of SPIE, 2008, V. 7101, pp. 71010Z-1

4. Slaughter J. M., Schulze Dean W., Hills C. R„ Mirone, A. et al. //J. Appl. Pliys., 1994, V. 76, N. 4, P. 2144

5. T. W. Barbee Jr., S. Mrowka, and M. C. Hettrick//J.Appl. Opt., 1985, V. 24, P. 883-886

6. P. J. Silverman //J. Microlith., Microfab., Microsyst. 2005, N 4(1), P. 011006

7. Seisyan, R.P., "Extreme ultraviolet nanolithography for ULSI: A review", //Techn. Phys., 2005, V. 50, N. 5, pp. 535-545

8. Takahiro Nakayama, Akira Miyake, Hiromitsu Takase, Shigeru Tcrashima et al // Proc. SPIE 2009, V. 7271, P.72713

9. H. Shin; R. Raju; D. N. Ruzic // Proc. of SPIE 2008 Vol. 6921 P. 692132-1

10. Samuel Graham, Jr., Charles A. Steinhaus, W. Miles Clift, Leonard E. Klebanoff et al // Proceedings of SPIE 2003, Vol. 5037, P. 460-469

11. Sasa Bajt, Henry N. Chapman, Nhan Nguyen, Jennifer Alameda et al //Applied Optics 2003, V. 42, N. 28, P. 5750

12. Marc Bienert, Aksel Göhnemeier, Oliver Natt, Martin Lowisch et al //J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 2009, V. 8, N. 4, P. 041509

13. V. Banine, J. Benschop //Proc. of SPIE, 2004, V. 5401, P. 1

14. Mircea Dusa, Bill Arnold, Jo Finders, Hans Meiling et al //Proc of SPIE 2008, V. 7028, P. 702810-1

15. D. V. Lopaev, E. M. Malykhin, S. M. Zyryanov //Journal of Physics D: Applied Physics, 2011, V.44 P. 015201

16. E.M. Малыхин, B.A. Кривченко, Д.В. Лопаев, T.B. Рахимова, С.М. Зырянов //Вестник Московского Университета, 2011, N. 1, Р. 53

17. Е.М. Малыхин, Д.В. Лопаев, А.Т. Рахимов, Т.В. Рахимова, О.В. Брагинский, A.C. Ковалев, Т.В. Васильева, С.М. Зырянов //Вестник Московского Университета, 2011, N. 2, Р.76

18. Е. Malykhin, О. Braginsky, A. Kovalev, D. Lopaev, A. Rakhimov, Т. Rakhimova, A. Vasilieva, S. М. Zyryanov, К. Koshelev, V. Krivtsun, О. Yakushev //Bulletin of the American Physical Socicty 2010, V, 55 (7) P. 12

19. О. В. Брагинский, А. Н. Васильева, С. М. Зырянов, А. С. Ковалев, Д. В. Лопаев, Е. М. Малыхин, Ю. А. Манкелевич, Т. В. Рахимова, А. Т. Рахимов, М. Р. Бакланов //7-я Курчатовская Молодежная Научная Школа (сборник трудов), 2009, с. 197

20. G.E. Moore. Cramming more components onto integrated circuits. //Electronics Magazine, 1965, V. 38 (8), P. 82

21. G.E. Moore //Intcl/WSTS, 2002, N12, P. 1

22. Chris A. Mack// Proceedings of SPIE 2003, Vol. 5037, P. 1

23. Position paper report submitted by the ITRS Starting Materials Sub-TWG (2005)

24. B. Noyce//"Microelectronics," Scientific American, 1977, Vol. 237, No. 3, pp. 63-69

25. Chris A. Mack // Proceedings of SPIE , 2004, Vol. 5374, P.l

26. S.Y. Chou, P.R. Kraus, and P.J. Renstrom //Science, 1996, V. 227, P 85-87

27. Andrea Wuest, Andrew J. Hazelton, Greg Hughes, Lloyd C. Litt et al //EUVL Symposium, 2008

28. Greg Hughes, Lloyd C. Litt, Andrea Wuest, and Sliyam Palaiyanur. //Proc. SPIE, 2008, V. 7028, P.1

29. Marc Bienert; Aksel Göhnermeier; Oliver Natt; Martin Lowisch et al //J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS, 2009, V. 8(4), P. 041509-1

30. N. N. Salashchenko and N. I. Chkhalo //Herald of the Russian Academy of Sciences, 2008, Vol. 78, No. 3, pp. 279-285

31. Vivek Bakshi; Rainer Lebert; Bernhard Jägle; Christian Wies et al //Proc. of SPIE, 2007, Vol. 6533, P.653315-1

32. B. J. Lin //J. Microlithogr., Microfabr., Microsyst. 2006, V. 5, P. 33005

33. Hans Meiling, Nico Buzing, Kevin Cummings, Noreen Harned et al //Proc. SPIE 2009, V. 7271, P. 727102

34. K. Bergmann, О. Rosier, and C. Metzmacher. // Rev. Sei. Instrum., 2005, V. 76(4) P. 043104

35. Malek, C. Khan; Moreno, Т.; Barchewitz, R.; Rivoira, R. et al //Rev. Sei. Instrum., 1992, V 63 (9), P. 4102

36. Sergiy Yulin, Nicolas Benoit, Torsten Feigl, Norbert Kaiser //Journal of Microelcctronic Engineering, 2006, Vol 83 Issue 4-9, P. 692-694

37. M. Singh and J. J. M. Braat. //Opt. Lett., 2001, V. 26, pp. 259-261

38. K. Boller, R.-P. Haelbich, H. Hogrefe, W. Jark et al //Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res., 1983, V. 208, P. 273-279

39. N. Köster, В. Mertens, R. Jansen, A. van de Runstraat, et al //Microelectron. Eng., 2002, V. 61, P. 65-76

40. M.E. Malinowski, С. Steinhaus, W.M. Clift, L.E. Klebanoff et al //Proc. SPIE, 2002, V.4688(1), P. 442-453

41. B. Mertens, M. Weiss, H. Meiling, R. Klein, et al //Microelectron. Eng., 2004, V. 73-74, P. 1622.

42. Takahiro Nakayama; Hiromitsu Takase; Shigeru Tcrashima; Takashi Sudo et al //Proc. of SPIE, 2008, Vol. 6921, P. 69213B-1

43. Hill, S. B.; Faradzhev, N. S.; Tarrio, C. S.; Lucatorto et al // Proceedings of the SPIE, 2009, Vol. 7271, P. 727113-11.

44. Sasa Bajt; Zu Rong Dai; Erik J. Nelson; Mark, A. Wall et al//Proceedings of SPIE, 2005, Vol. 5751, P.118

45. P. A. Grunow, L. E. Klebanoff, S. Graham, Jr., S. J. Haney, and W. M. Clift, //Proc. SPIE, 2003, V. 5037, pp. 418-428.

46. Iwao Nishiyama //Proc. SPIE, 2006, V. 6151, P. 61510G

47. G. Edwards, S. Wurm, O. Wood, S. Bajt//CD-ROM ofEUVL Symposium, 2004.

48. H. Shin, S. N. Srivastava, and D. N. Ruzic //Proc. SPIE, 2007, V. 6518, P. 65184N

49. Samuel Graham, Lennie Klebanoff, Sasa Bajt et al //Proceedings of SPIE, 2003, Vol. 5037, P. 460

50. S. B. Hill; N. S. Faradzhev; C. Tarrio; T. B. Lucatorto et al IIProc. of SPIE, 2008, Vol. 6921, P. 692117-1

51. C.G. Morgan, P.P. Naulleau, S.B. Rekawa, P.E. Denham, B.H. Hoef et al. //Proc. of SPIE, 2010, V. 7636, P. 76361Q-1

52. A. C. Ferrari and J. Robertson //Phys Rev B, 2000, V61, N20, P14095

53. F. Tuinstra, J. L. Koenig//J. Chem. Phys. 1970,V53, Issue 3, PI 126

54. Ralph Kurt, Michiel van Beek, Co Crombeen, Peer Zalm, Yde Tamminga //Proceedings of SPIE, 2002, Vol. 4688, P702

55. A. Gupta, G. Chen, P. Joslii, S. Tadigadapa et al //Nano Lett. 2006, V. 6, N. 12, P. 2667

56. S. B. Hill, N. S. Faradzhev, C. Tarrio, T. B. Lucatorto ct al //Proc. of SPIE, 2008, V. 6921, P. 692117

57. C F Hong et al //J Phys D, 2009, V. 42, P. 1

58. A.H. Kuptsov, G.N. Zhizhin Handbook of Fourier Transform Raman and Infrared Spectra of Polymers. Elsevier, 1998 (Physical Sciences Data, V. 45)

59. S. Hill, I. Ermanoski, C. Tarrio and T. B. Lucatorto //IEUVI-2009

60. Jeromy T. Hollenshead; Leonard E. Klebanoff// Proceedings of SPIE, 2004, Vol. 5374, P. 675

61. Cabrera A. L., Morales Erie, Armor J. N. //Journal of Materials Research, 1995, V.10, N. 3, P.779-785

62. S. Matsunari, T. Aoki, K. Murakami, Y. Gomei //Proc. of SPIE, 2007, V. 6517, P. 65172

63. Raizer Yu.P., "Gas Discharge Physics", 1991, Springer

64. Michael A.Lieberman "Principles of plasma discharges and materials processing", 2005, New Jersey

65. D. Pagnon, J. Amorim, J. Nahoray, M. Touzeau, and M. Vialle, //J. Phys. D„ 1995, V28, N9, P1856

66. P Macko, P Veis and G Cernogora, //Plasma Sources Sei. Technol., 2004, Y13, P251

67. Young C. Kim, Michel Boudart. //Langmuir, 1991, V7, N12, pp 2999

68. Guerra, V. //IEEE Transactions on Plasma Science, 2007, V35, P1397

69. В Gordiets, С M Ferreira, M J Pinheiro and A Ricard //Plasma Sources Sei. Technol., 1998,Y.7, P.363

70. В Gordiets, С M Ferreira, M J Pinheiro and A Ricard, 1998, Plasma Sources Sei. Technol. V7, P379

71. A Fridman, "Plasma Chemistry", 2008, Cambridge (the book)

72. E Tatarova, F M Dias, В Gordiets and С M Ferreira //Plasma Sources Sei. Technol., 2005, V.14, P.19

73. Yasushi Nishiyama, Toshihisa Anazawa, Hiroaki Oizumi, Iwao Nishiyama et al //Proc. SPDE, 2008, V. 6921, P. 692116

74. Chang Sung Moon, Keigo Takeda, Seigo Takashima, Makoto Sekine et al //J. Appl. Phys., 2010, V. 107, P. 103310

75. Phillip J. Stout, H. Q. Yang, Paul Dionne, Andy Leonard ct al // Proc. SPIE, 1999, V. 3680, P. 328

76. M. Moisan, J. Pelletier. "Microwave Excited Plasmas". 1992, Plasma Technology, Elsevier Science Plubishers В. V. Amsterdam-London-New York-Tokyo

77. C. Hopf, A. von Keudell, W. Jacob //J. Appl. Phys., 2003, V. 94, N. 4, P. 2373

78. P. Yeates, J. White, E.T. Kennedy//J. Appl. Phys., 2010, V. 108, V. 093302

79. Справочник констант элементарных процессов с участием атомов, ионов, электронов, фотонов. Под ред. проф. А.Г. Жиглинского. Изд-во СПбГУ, Санкт-Петербург, 1994.

80. ЛопаевД В , Смирнов A.B. // Физика плазмы. 2004. V. 30. N. 10. Р.948.