DE10011547A1 - Thermally stable layer system used for reflecting extreme UV rays consists of layer pairs made up of a barrier layer of molybdenum carbide between molybdenum layer and a silicon layer - Google Patents

Abstract

Thermally stable layer system consists of a number of thin layer pairs lying over each other on a substrate, each layer comprising a molybdenum and a silicon layer with a barrier layer of molybdenum carbide between them. Preferred Features: The number of layer pairs is in the region of 40-60. One layer pair has a thickness of 6.8 nm. The barrier layer is 0.6 nm thick. The layers are applied by PVD.

Description

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbe­griff des Anspruchs 1.The invention relates to a method according to the Oberbehandle of claim 1.

Optische Bauelemente für die Reflexion von Strahlung im extrem ultravioletten Spektralbereich (EUV: 10 nm. . .100 nm) können durch Dünnschichtsysteme reali­siert werden, die im allgemeinen aus etwa 40-60 auf einem Substrat übereinanderliegenden Dünnschichtpaa­ren bestehen. Eine geringere Anzahl von Paaren führt zu einem niedrigeren Reflexionswert, während eine hö­here Anzahl aufgrund der Absorption der Strahlung keine weitere Steigerung des Reflexionswertes ergibt. Ein beispielhafter Wert für die Dicke eines Schicht­paares liegt bei 6,8 nm.Optical components for the reflection of radiationin the extremely ultraviolet spectral range (EUV:10 nm. .100 nm) can be achieved through thin-film systemsbe generally based on around 40-60a superimposed thin-film pairren exist. A smaller number of pairs leadsto a lower reflection value, while a higherHere number due to the absorption of the radiationno further increase in the reflection value results.An exemplary value for the thickness of a layerPaares is 6.8 nm. 

Die Schichtsysteme werden hauptsächlich durch PVD-Verfahren hergestellt, wobei sowohl Sputter-, Elek­tronenstrahl-Verdampfungs- als auch Laser-Ablations-Verfahren eingesetzt werden können. CVD-Verfahren wurden ebenfalls erfolgreich zur Herstellung derarti­ger Schichtsysteme angewendet.The layer systems are mainly made of PVDProcess produced, both sputtering, elecelectron beam evaporation as well as laser ablationProcedures can be used. CVD processhave also been used successfully to produce suchger layer systems applied.

Ein Dünnschichtpaar besteht im allgemeinen aus zwei Materialien mit unterschiedlichen optischen Konstan­ten, wobei das eine Material eine möglichst geringe Absorption ("Spacer"), das andere Material dagegen eine große Absorption ("Absorber") aufweisen sollten. Die Auswahl der Dünnschichtmaterialien ist vor allem von der Arbeitswellenlänge des zu realisierenden op­tischen Bauelementes abhängig (E. Spiller: Low-loss reflection coatings using absorbing materials, Appl. Phys. Lett., 20, S. 365-367, 1972). So sind auf Sili­zium basierende Dünnschichtsysteme für einen Wellen­längenbereich jenseits der Si-L-Absorptionskante von 12,4 nm bis ca. 35 nm anwendbar. Für diesen Wellen­längenbereich hat sich weiterhin seit über 10 Jahren Molybdän als "Absorber" etabliert, so daß weltweit derzeit fast ausschließlich Mo/Si-Schichtsysteme in diesem Spektralbereich zur Anwendung gelangen (Spil­ler, SoftX-Ray Optics, SPIE Optical Engenieering Press, Bellingham, 1994).A thin film pair generally consists of twoMaterials with different optical constantsten, the one material being as low as possibleAbsorption ("Spacer"), the other material against itshould have a large absorption ("absorber").The choice of thin film materials is above allon the working wavelength of the optable component (E. Spiller: Low-lossreflection coatings using absorbing materials, Appl.Phys. Lett., 20, pp. 365-367, 1972). So are on siliZium based thin film systems for one wavelength range beyond the Si-L absorption edge of12.4 nm to approx. 35 nm applicable. For these waveslength range has continued for over 10 yearsMolybdenum established as an "absorber", so that worldwidecurrently almost exclusively Mo / Si layer systems inthis spectral range are used (Spiller, SoftX-Ray Optics, SPIE Optical EngenieeringPress, Bellingham, 1994).

Eine wichtige Charakteristik von im allgemeinen als Spiegel verwendeten Schichtsystemen für den EUV-Spektralbereich ist die maximale Reflexion. Der welt­weit höchst gemessene Reflexionswert liegt derzeit bei R_Mo/Si = 68,7% bei 13,4 nm (C. Montcalm, J.A. Folta, S.P. Vernon: Pathways to high reflectance Mo/Si multilayer coatings for extreme-untraviolet li­thography, 4. International Conference on The Physics of X-Ray Multilayer Structures, 1.-5. März 1998, Breckenridge, Colorado, USA).An important characteristic of layer systems generally used as mirrors for the EUV spectral range is the maximum reflection. The world's highest measured reflection value is currently R_{Mo / Si} = 68.7% at 13.4 nm (C. Montcalm, JA Folta, SP Vernon: Pathways to high reflectance Mo / Si multilayer coatings for extreme-untraviolet li thography, 4th International Conference on The Physics of X-Ray Multilayer Structures, March 1-5, 1998, Breckenridge, Colorado, USA).

Dies entspricht etwa 90% der theoretisch erreichba­ren Reflexion R_theor, die in Abhängigkeit von dem zu­grundeliegenden Modell 76,7% bei 13,4 nm beträgt.This corresponds to approximately 90% of the theoretically achievable reflection R_theor , which is 76.7% at 13.4 nm depending on the model to be used as a basis.

Für viele Anwendungen von EUV-Spielgeln ist neben der Reflexion auch eine möglichst hohe Stabilität der Schichtsysteme gegenüber thermischer Belastung erfor­derlich. Da Mo/Si-Schichtsysteme oberhalb einer Tem­peratur von ca. 300°C aufgrund von Interdiffusions- und Kristallisationseffekten an den Molybdän-Sili­zium-Schichtgrenzflächen degradiert werden, sind Sy­steme dieser Materialpaarung nur bis zu einer maxima­len Arbeitstemperatur von 300°C einsetzbar. Bei hohen Photonenenergien oder durch äußere thermische Bela­stung werden die Schichtsysteme in der Praxis jedoch sehr oft höheren Temperaturen ausgesetzt. Besonders gilt dies beispielsweise für Kollektorspiegel in un­mittelbarer Nähe der EUV-Strahlungsquelle. Es wurden bisher zwei Wege verfolgt, Mo/Si-Schichtsysteme auch bei Temperaturen oberhalb 300°C anzuwenden, nämlich:
For many applications of EUV game gel, in addition to reflection, the highest possible stability of the layer systems against thermal stress is required. Since Mo / Si layer systems are degraded above a temperature of approx. 300 ° C due to interdiffusion and crystallization effects at the molybdenum-silicon layer interfaces, systems of this material pairing can only be used up to a maximum working temperature of 300 ° C . At high photon energies or due to external thermal stress, however, the layer systems are very often exposed to higher temperatures in practice. This applies in particular to collector mirrors in the immediate vicinity of the EUV radiation source, for example. So far, two ways have been followed to use Mo / Si layer systems even at temperatures above 300 ° C, namely:

• 1. intensive Substratkühlung und1. intensive substrate cooling and
• 2. Nutzung von ultradünnen Kohlenstoff-Barriere­schichten zwischen Molybdän und Silizium zur Vermeidung von Interdiffusions- und Kristalli­sationseffekten an der Molybdän-Silizium-Grenz­fläche (H. Takenaka, T. Kawumara: Thermal sta­bility of Soft X-Ray Mirrors, J. of Eletr. Spectr. and Relat. Phen., 80, S. 381-384, 1996).2. Use of ultra-thin carbon barrierlayers between molybdenum and siliconAvoidance of interdiffusion and crystallieffects on the molybdenum-silicon boundaryarea (H. Takenaka, T. Kawumara: Thermal stability of Soft X-Ray Mirrors, J. of Eletr.Spectr. and Relat. Phen., 80, pp. 381-384, 1996).

Während eine Substratkühlung einen erhöhten apparati­ven Gesamtaufwand erfordert, weisen Mo/Si-Schicht­ systeme mit ultradünnen Kohlenstoff-Barriereschichten eine um ca. 5% verringerte theoretisch erreichbare maximale Reflexion im Vergleich zu reinen Mo/Si-Schichtsystemen auf.During a substrate cooling an increased apparatusven requires total effort, have Mo / Si layer systems with ultra-thin carbon barrier layersa theoretically achievable decrease of about 5%maximum reflection compared to pure Mo / SiLayer systems.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein thermisch stabiles Schichtssystem zur Reflexion von Strahlung im extremen ultravioletten Spektralbe­reich, bestehend aus einer Vielzahl von auf einem Substrat übereinanderliegenden Dünnschichtpaaren je­weils aus einer Molybdän- und einer Siliziumschicht, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten unterschied­lichen Materialschichten eine Barriereschicht ange­ordnet ist, zu schaffen, dessen Reflexionswert durch die Barriereschicht in geringerem Maße herabgesetzt wird als durch die Kohlenstoffschicht.It is therefore the object of the present inventiona thermally stable layer system for reflectionof radiation in the extreme ultraviolet spectrumrich, consisting of a multitude of on oneThin film pairs lying on top of each otherbecause of a molybdenum and a silicon layer,with a difference between two neighboring oneslayers of materialis arranged to create whose reflective valuethe barrier layer is reduced to a lesser extentis considered through the carbon layer.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Merkmal. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungs­gemäßen Schichtsystems ergeben sich aus den Unteran­sprüchen.This object is achieved by thespecified in the characterizing part of claim 1Characteristic. Advantageous further developments of the inventionaccording layer system result from the Unteransayings.

Dadurch, daß die Barriereschicht aus Molybdäncarbid (Mo₂C) besteht, wird ein Schichtsystem erhalten, des­sen Degradation infolge thermischer Belastung erst bei einer Temperatur oberhalb 500°C beginnt, wobei die durch die Mo₂C-Barriereschicht bedingte Herabset­zung des theoretisch erreichbaren Reflexionswertes bei einer Dicke der Barriereschicht von 0,6 nm nur etwa 1% beträgt.The fact that the barrier layer consists of molybdenum carbide (Mo₂ C), a layer system is obtained, the sen degradation due to thermal stress only begins at a temperature above 500 ° C, the reduction due to the Mo₂ C barrier layer of the theoretically achievable Reflection value with a thickness of the barrier layer of 0.6 nm is only about 1%.

Zur Herstellung von Mo/Mo₂C/Si/Mo₂C-Schicht-Systemen werden vorteilhaft PVD-Verfahren angewendet, wobei jeweils zwischen Mobybdän und Silizium eine etwa 0,6 nm dicke Mo₂C-Barriereschicht abgeschieden wird. Die Gesamtdicke einer Molybdän- und einer Siliziumschicht beträgt vorzugsweise etwa 6,8 nm. Jedoch sind die Dicke der Einzelschichten sowie das Design des herzu­stellenden Mo/Mo₂C/Si/Mo₂C-Schichtsystems abhängig von den Anforderungen, die die jeweils bestimmungsge­mäße Anwendung an das Schichtsystem stellt. Die Tech­nologie zur Herstellung der Mo/Mo₂C/Si/Mo₂C-Schicht­systeme wird vom Beschichtungsprozeß bestimmt.PVD processes are advantageously used to produce Mo / Mo₂ C / Si / Mo₂ C layer systems, with an approximately 0.6 nm thick Mo₂ C barrier layer being deposited in each case between mobybdenum and silicon. The total thickness of a molybdenum and a silicon layer is preferably about 6.8 nm. However, the thickness of the individual layers and the design of the Mo / Mo₂ C / Si / Mo₂ C layer system to be produced are dependent on the requirements which determine the respective appropriate application to the layer system. The technology for the production of the Mo / Mo₂ C / Si / Mo₂ C layer systems is determined by the coating process.

Zur Beurteilung der thermischen Stabilität eines Mo/­Mo₂C/Si/Mo₂C-Schichtsystems wurden mehrere Mo/Mo₂C/Si/Mo₂C-Spiegel für eine Arbeitswellenlänge von 13,3 nm realisiert. Die Herstellung dieser Spie­gel erfolgte mit der DC-Magnetron-Sputter-Techno­logie. Der Beschichtungsprozeß war durch folgende Pa­rameter charakterisiert:
Anzahl der Mo/Mo₂C/Si/Mo₂C-Schichten: 50
Substrat: Si-(111)-Wafer
Arbeitsgas: Argon
Arbeitsdruck: 0,266 Pa
Sputterleistung Molybdän: 150 W
Sputterleistung Silizium: 200 W
Sputterleistung Molybdäncarbid: 200 W
Sputterrate Molybdän: 0,55 nm/s
Sputterrate Silizium: 0,50 nm/s
Sputterrate Molybdäncarbid: 0,6 nm/s
Substratvorspannung: 100 VTo assess the thermal stability of a Mo / Mo₂ C / Si / Mo₂ C layer system, several Mo / Mo₂ C / Si / Mo₂ C mirrors were implemented for a working wavelength of 13.3 nm. These mirrors were manufactured using the DC magnetron sputtering technology. The coating process was characterized by the following parameters:
Number of Mo / Mo₂ C / Si / Mo₂ C layers: 50
Substrate: Si (111) wafer
Working gas: argon
Working pressure: 0.266 Pa
Sputtering power molybdenum: 150 W.
Sputtering power silicon: 200 W.
Molybdenum carbide sputtering power: 200 W.
Sputtering rate molybdenum: 0.55 nm / s
Sputtering rate silicon: 0.50 nm / s
Sputtering rate molybdenum carbide: 0.6 nm / s
Substrate bias: 100 V

Die bei diesem Schichtsystem maximal gemessene Refle­xion betrug R = 59,9%. Die so hergestellten Mo/Mo₂C/Si/Mo₂C-Spiegel wurden nach dem Beschich­tungsprozeß unter Vakuumbedingungen schrittweise bis zu einer Temperatur von 700°C erhitzt. In Auswertung dieser Versuche ergab sich eine thermische Stabilität des Mo/Mo₂C/Si/Mo₂C-Schichtsystems bis zu einer Tem­peratur von 500°C.The maximum reflection measured with this layer system was R = 59.9%. The Mo / Mo₂ C / Si / Mo₂ C mirrors thus produced were gradually heated to a temperature of 700 ° C. after the coating process under vacuum conditions. The evaluation of these experiments showed a thermal stability of the Mo / Mo₂ C / Si / Mo₂ C layer system up to a temperature of 500 ° C.

Claims (5)

Translated fromGerman

1. Thermisch stabiles Schichtsystem zur Reflexion von Strahlung im extremen ultravioletten Spek­tralbereich (EUV), bestehend aus einer Vielzahl von auf einem Substrat übereinanderliegenden Dünnschichtpaaren jeweils aus einer Molybdän- und einer Siliziumschicht, wobei zwischen je­weils zwei benachbarten unterschiedlichen Mate­rialschichten eine Barriereschicht angeordnet ist,dadurch gekennzeichnet, daß die Barriereschicht aus Molybdäncarbid (Mo₂C) besteht.1.Thermally stable layer system for reflecting radiation in the extreme ultraviolet spectral range (EUV), consisting of a multiplicity of pairs of thin layers one on top of the other, each consisting of a molybdenum and a silicon layer, with a barrier layer being arranged between two adjacent different material layers ,characterized in that the barrier layer consists of molybdenum carbide (Mo₂ C).2. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Dünnschichtpaare etwa im Be­reich 40-60 liegt.2. Layer system according to claim 1,characterized,that the number of thin-film pairs approximately in loadingrich lies 40-60.3. Schichtsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdän- und die Siliziumschicht eines Dünnschichtpaares eine Gesamtdicke von etwa 6,8 nm aufweisen.3. Layer system according to claim 1 or 2,characterized,that the molybdenum and silicon layers of oneThin film pair a total thickness of about6.8 nm.4. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriereschicht eine Dicke von etwa 0,6 nm aufweist.4. Layer system according to one of claims 1-3,characterized,that the barrier layer has a thickness of about0.6 nm. 5. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten durch PVD-Verfahren aufge­bracht sind.5. Layer system according to one of claims 1-4,characterized,that the layers are applied by PVD processesare brought.