用于光譜純化和碎屑防護的極紫外光學元件
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極紫外（EUV）輻射是10-100 nm波長范圍的電磁輻射。相較于深紫外（DUV）波段的光學光刻，EUV光刻具有更短的曝光波長，可以獲得更高分辨率的光刻圖案?；谝簯B(tài)錫（Sn）的等離子體源是目前EUV光刻普遍使用的光源，通過放電（DPP）或高功率的CO2激光作用（LPP）產(chǎn)生等離子體，可以發(fā)射峰值波長為13.5 nm的EUV輻射。
然而，在等離子體發(fā)射的過程中，頻譜不僅包含了光刻所需要的EUV輻射，同時也包含了帶外EUV輻射（EUV-OOB）、紫外及紅外輻射。
圖1 基于激光驅動等離子體Sn靶的EUV發(fā)射光源的光譜分布[1]。
這些額外的輻射（尤其是深紫外和紅外）在進入光刻照明和投影系統(tǒng)中后，被多層膜光學元件反射，會嚴重影響到EUV光刻的圖案分辨率[1,6]。圖2展示了50層Mo/Si多層膜反射鏡在近法線入射條件下對EUV、深紫外及紅外波段光的理論反射率曲線。
圖2 Mo/Si多層膜反射鏡在近法線入射條件下的理論反射率曲線[6]。
同時，由DPP或LPP產(chǎn)生的具有高速運動的顆粒、離子等碎屑在進入光刻照明和投影系統(tǒng)中后（如圖3），會嚴重污染EUV光學元件和光學掩模，進而影響光學元件的性能和使用壽命以及光刻的良率[2,3]。
圖3 基于LPP光源的EUV光刻系統(tǒng)的示意圖[6]。
因此，用于光譜純化和碎屑防護的EUV光學元件是實現(xiàn)高分辨EUV光刻的核心部件，其性能直接決定了光刻的性能和運行成本。
EUV濾光片的類型
CATEGORY
根據(jù)材料和EUV光作用的不同原理，目前用于EUV光譜純化的濾光片（SPF-Spectral Purity Filter）主要分為透射型和反射型兩類，如表1所示。
表1 不同類型EUV濾光片及其適用波長范圍[1, 2, 4, 5, 9]。
① 透射型EUV濾光片
常見的透射型濾光片如Zr或Si filter對13 nm附近的寬帶EUV光具有非常高的透過率，同時能夠有效吸收或反射紅外光，被廣泛用于EUV光源的光譜診斷[1]。但這類濾光片對材料純度的要求極高，任何外界因素或制備過程導致的材料表面的氧化都會引起濾光片光學性能的降低[7]。對此，Bibishkin等人設計和制備了基于Zr/Si多層膜的EUV濾光片，一方面這類濾光片對13 nm的EUV光的透過率可以高達76%并能夠有效消除紫外和紅外輻射，另一方面通過在多層膜表面增加金屬保護層能夠有效提升材料的抗氧化能力，延長濾光片的使用壽命[8]。
格柵SPF是又一種透射型EUV濾光片，其結構中包含了微米尺度的線或孔陣列，利用紅外波長的光經(jīng)過這類濾光片時發(fā)生反射或衍射，而13.5 nm波長的EUV光在透過孔陣列時不發(fā)生衍射（波長遠小于孔直徑）實現(xiàn)紅外/EUV光的分離[5]。
圖4 左圖為（a）總厚度100 nm的高純度Zr filter對EUV光的透過率曲線和總厚度100 nm（50 nm氧化層）的Zr filter對EUV光的理論（b）和實際（c）透過率曲線[7]。右圖為鍍有金屬Ru保護層（1）和未鍍金屬保護層（2）的Zr/Si filter對紅外光的透過率曲線[8]。
②?反射型EUV濾光片
EUV/Visible二向色鏡
反射型EUV濾光片是通過反射帶內EUV輻射，并吸收、透射或衍射紫外和紅外光實現(xiàn)13.5 nm附近光的選擇?？紤]到大部分材料對EUV光都具有強的吸收，這類濾光片的設計和制備通常是選用周期性結構的多層膜材料。同時，不同于透射型EUV濾光片，反射型濾光片的應用需要考慮EUV光的入射角度，以獲得最大的EUV光反射率。EUV/Visible二向色鏡是一類典型的反射型EUV濾光片，通過在石英基底上鍍可見/近紅外光減反的多層膜結構，同時該膜層結構對EUV光具有較高的反射率，從而實現(xiàn)EUV和可見光的分離。如圖2是一個EUV/Visible二向色鏡在80°入射角條件下對EUV和紅外光的反射率模擬結果，理論上該濾光片對13.5 nm波長的EUV光反射率可以達到65%以上，而對1000-1100 nm的紅外光反射率<5%，尤其適用于高次諧波EUV光源的應用[9]。
圖5 基于Nb2O5/SiO2多層膜結構的EUV/可見光二向色鏡對EUV光（上圖）和紅外光（下圖）的反射率模擬曲線[9]。
光柵結構的多層膜反射鏡
光柵結構的多層膜反射鏡是一類極具應用前景的反射型EUV濾光片，通過在周期性多層膜結構上刻蝕光柵或在光柵結構表面鍍上多層膜，將周期性多層膜的高反射率特點和光柵結構的高分辨率特點有機結合，以獲得較高EUV光反射的同時實現(xiàn)其他帶外輻射光的抑制。此種技術通常是在EUV/極紫外光刻機的收集鏡上使用。相較于其他EUV濾光片，光柵結構的多層膜反射鏡最大的優(yōu)勢在于無需額外的SPF光學元件，通過反射鏡本身就可以獲得較純的EUV光，同時反射鏡還具有非常高的機械強度，避免了由于腔室內的真空壓差導致的濾膜的破裂。
圖6 光柵結構的多層膜反射鏡對EUV光反射和紅外光抑制的原理示意圖[6]。
圖7 德國optiXfab公司加工的集成水冷通道的具有光柵結構的多層膜反射鏡。
用于碎屑防護的EUV薄膜元件
? ? ? ? ? ? ? ? ?-EUV pellicle
OPTIC
前面我們講到了針對于EUV光產(chǎn)生和發(fā)射過程中不可避免的碎屑污染的問題，除了利用電場、磁場、氣體吹拂等有利措施改變碎屑運動的方向，減少污染源進入EUV光路外，采用對EUV光具有高透過率的薄膜元件實現(xiàn)對污染碎屑的阻擋和隔離是實現(xiàn)高分辨率圖案光刻的核心環(huán)節(jié)[10, 11]。新一代的EUV薄膜元件主要采用碳基材料，例如石墨烯薄膜和碳納米管（CNT）薄膜，相比于早期的晶體硅薄膜，碳基薄膜具有更高的EUV透過率，同時碳材料優(yōu)異的導熱性和機械穩(wěn)定性，使得這類薄膜材料能夠滿足EUV光刻過程中的碎屑污染防護[11-14]。目前，IMEC生產(chǎn)的自支撐CNT薄膜對EUV的透過率已經(jīng)可以高達96%以上[13,15]。與此同時，三星電子也在積極開發(fā)基于石墨烯材料的EUV薄膜。
圖8 左圖為40 nm厚的CNT薄膜對EUV光的實驗透過率與同等厚度的Si、SiNx和石墨烯薄膜材料柵對EUV光的理論透過率的對比。右圖為40 nm厚的CNT薄膜應力測試結果[14]。
圖9 直徑為12cm，厚度80 nm的自支撐CNT薄膜實物圖[11]。
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