DE10360539B4 - Reflektierende Schichtenfolge mit einer Deckschicht aus Silizium - Google Patents

Abstract

Schichtenfolge zur Reflexion von Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 35 nm und 50 nm, die eine periodische Anordnung einer Mehrzahl von auf einem Substrat (1) angeordneten Schichtpaaren (5) enthält, die jeweils eine Siliziumschicht (2) und eine über dieser angeordnete Scandiumschicht (3) enthalten, wobei die Siliziumschicht (2) eine vorgegebene Dicke d_Si aufweist, und auf der Mehrzahl von Schichtpaaren (5) eine Deckschicht (6) aufgebracht ist, die durch Aufbringen einer Siliziumschicht mit einer vorgegebenen Dicke d mit 0,6 d_Si ≤ d ≤ 0,8 d_Si herstellbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Schichtenfolge zur Reflexion von Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 35 nm und 50 nm.
• Reflektierende optische Bauelemente für die Nutzung im extremen ultravioletten Spektralbereich (EUV), der den Wellenlängenbereich von etwa 10 nm bis etwa 50 nm umfasst, können durch Dünnschichtsysteme realisiert werden, die eine in der Regel periodische Schichtenfolge aus einer Vielzahl von Dünnschichtpaaren enthalten. Ein Dünnschichtpaar enthält im allgemeinen zwei Schichten aus verschiedenen Materialien, die in dem zur Verwendung des Bauelements vorgesehenen Wellenlängenbereich einen möglichst großen Unterschied in ihren optischen Konstanten aufweisen sollten. Zumindest eines dieser Materialien sollte bei der vorgesehenen Wellenlänge eine möglichst geringe Absorption aufweisen. Die Auswahl der Materialien für die Schichtenfolge ist daher vor allem von der Wellenlänge, bei der das optische Bauelement verwendet werden soll, abhängig. Im EUV-Spektralbereich gibt es daher für jeweils einen bestimmten, meist nur wenige Nanometer breiten Wellenlängenbereich eine optimale Materialpaarung, welche aufgrund des optischen Kontrastes der Schichtmaterialien eine hohe Reflexion garantiert.
• Da im Wellenlängenbereich von etwa 35 nm bis etwa 50 nm zwischen den Materialien Scandium und Silizium ein guter optischer Kontrast besteht, ist diese Materialpaarung besonders zur Herstellung von reflektierenden Schichtenfolgen darstellt für diesen Wellenlängenbereich geeignet.
• Bei einer derartigen Schichtenfolge beträgt die Eindringtiefe der EUV-Strahlung aufgrund der hohen Absorption der Schichtmaterialien nur wenige 100 nm. Daher tragen nur wenige Grenzflächen zur Reflexion der Schichtenfolge bei, insbesondere haben Schichten in Substratnähe nur noch einen sehr geringen Einfluss auf die Gesamtreflexion. Die erreichbaren Maximalwerte für die Reflexion R sind daher im Wellenlängenbereich zwischen 35 nm und 50 nm im Vergleich zu anderen Spektralbereichen relativ gering und betragen etwa R = 0,5. Beispielsweise wurde für reflektierende Schichtenfolgen aus dieser Materialpaarung in der Druckschrift Y.A. Uspenskii, V.E. Levashov, A.V. Vinogradov, A.I. Fedorenko, V.V. Kondratenko, Y.P. Pershin, E.N. Zubarev, V.Y. Fedotov, „High-reflectivity multilayer mirrors for a vacuum-ultraviolet interval of 35-50nm", Optics Letters 23, No. 10, 771-773 (1998) eine Reflexion von R = 54% bei einer Wellenlänge von 36,5 nm veröffentlicht.
• Insbesondere für Anwendungen, bei denen der optische Aufbau eine mehrfache Reflexion an verschiedenen Spiegeln vorsieht, ist eine hohe Reflexion jedes einzelnen Spiegels erstrebenswert, da die Reflexion des Gesamtsystems in diesem Fall exponentiell mit der Anzahl der Spiegel abnimmt. Bei einer Anordnung aus mehreren Spiegeln hat deshalb bereits eine geringfügige Verbesserung der Reflexion eines Einzelspiegels einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtreflexion des optischen Systems.
• In der Druckschrift M. Singh, J.J.M. Braat: Capping layers for extreme-ultraviolet multilayer interference coatings, Optics Letters 26, Nr. 5, 2001, S. 259-261 wird der Einfluß von Deckschichten auf die Reflexion von Mo/Si Multilayer- Spiegeln diskutiert. Es wird vorgeschlagen, auf die oberste Siliziumschicht eine zusätzliche Deckschicht aufzubringen, wobei mehrere geeignete Materialien, beispielsweise SiO₂, genannt werden und für diese Materialien jeweils eine optimierte Dicke für die unterhalb der Deckschicht angeordnete Siliziumschicht angegeben wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schichtenfolge zur Reflexion von Strahlung mit einer Wellenlänge von 35 nm und 50 nm anzugeben, die sich durch eine verbesserte Reflexion auszeichnet. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Schichtenfolge angegeben werden.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schichtenfolge gemäß Patentanspruch 1 beziehungsweise ein Verfahren nach Patentanspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Eine Schichtenfolge zur Reflexion von Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 35 nm und 50 nm enthält gemäß der Erfindung eine periodische Anordnung einer Mehrzahl von auf einem Substrat angeordneten Schichtpaaren, die jeweils eine Siliziumschicht und eine über dieser angeordnete Scandiumschicht enthalten, wobei die Siliziumschicht eine vorgegebene Dicke d_Si aufweist, und auf der Mehrzahl von Schichtpaaren eine Deckschicht aufgebracht ist, die durch Aufbringen einer Siliziumschicht mit einer vorgegebenen Dicke d mit 0,6 d_Si ≤ d ≤ 0,8 d_Si herstellbar ist.
• Die bei der Herstellung der Deckschicht aufgebrachte Siliziumschicht ist erfindungsgemäß dünner als die Siliziumschichten innerhalb der Schichtenfolge. Obwohl theoretische Berechnungen eine maximale Reflexion der Schichtenfolge für den Fall einer Deckschicht aus Silizium vorhersagen, deren Dicke mit der Dicke der Siliziumschichten innerhalb der übrigen Schichtenfolge übereinstimmt, kann mit einer erfindungsgemäßen Wahl der Dicke der Deckschicht eine Erhöhung der Reflexion erreicht werden. Dies ist insbesondere dadurch begründet, dass durch die Verringerung der Deckschichtdicke reflexionsmindernde Effekte an der Oberfläche der Schichtenfolge, beispielsweise durch Oxidation und/oder der Ablagerung von Verunreinigungen, die in theoretischen Berechnungen der Reflexion typischerweise nicht berücksichtigt werden, kompensiert werden.
• Durch eine Oxidation der Deckschicht, insbesondere durch den Kontakt der Schichtenfolge mit Luft nach einem Beschichtungsprozess unter Vakuumbedingungen, kann die Deckschicht an einer von der Mehrzahl von Schichtpaaren abgewandten Seite zumindest teilweise in eine Siliziumoxidschicht umgewandelt sein. Dabei kann sich die Dicke d und/oder der Brechungsindex der Deckschicht ändern. In diesem Fall wird im Rahmen der Erfindung unter der Dicke der Deckschicht d die Dicke verstanden, die diese unmittelbar nach ihrer Herstellung, also vor einer Oxidation aufweist.
• Vorzugsweise ist die Reflexion R der Schichtenfolge bei zumindest einer Wellenlänge zwischen 40 nm und 50 nm größer als R = 0,50.
• Die Anzahl der Schichtpaare der Schichtenfolge beträgt vorteilhaft zwischen einschließlich 5 und einschließlich 30.
• Eine Erhöhung der Reflexion der Schichtenfolge ist weiterhin dadurch möglich, dass die Schichtenfolge auf ein Substrat aufgebracht ist, das eine Oberflächenrauheit von weniger als 0,2 nm aufweist. Unter der Oberflächenrauheit wird dabei die beispielsweise aus Kurvenanpassungen an mit Cu Kα-Strahlung gemessene Röntgenreflexionskurven bestimmbare rms-Rauheit der Oberfläche verstanden.
• Die Schichtenfolge kann zum Beispiel auf ein ebenes Substrat aufgebracht sein, insbesondere auf ein Halbleitersubstrat wie beispielsweise ein Siliziumwafer. Ferner ist es möglich, dass die Schichtenfolge auf eine gekrümmte Oberfläche eines Substrats aufgebracht ist. Insbesondere kann die Oberfläche des Substrats auch eine asphärische Krümmung, beispielsweise eine parabolische Krümmung zur Erzeugung eines weitgehend parallelen Strahls aus einer nahezu punktförmigen Strahlungsquelle sein.
• Die angegebenen Materialien der Schichtenfolge und der Deckschicht weisen bevorzugt eine hohe Reinheit auf. Im Rahmen der Erfindung ist es aber nicht ausgeschlossen, dass in den Schichten Fremdmaterialien nachweisbar sind, die beispielsweise während eines zur Herstellung der Schichtenfolge verwendeten Beschichtungsprozesses als Verunreinigungen in die Schichten eingebracht werden können.
• Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Schichtenfolge gemäß der Erfindung wird ein Substrat bereitgestellt, und nachfolgend abwechselnd Siliziumschichten einer vorgegebenen Dicke d_Si und Scandiumschichten aufgebracht, bis eine gewünschte Anzahl von Schichtpaaren, bevorzugt 5 bis 30, erreicht ist. Nachfolgend wird eine Deckschicht aus Silizium aufgebracht, deren Dicke d das 0,6 fache bis 0,8 fache der Dicke d_Si der Siliziumschichten innerhalb der Schichtenfolge beträgt.
• Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber einer möglichen Alternativlösung, bei der eine reflexionsmindernde Oxidierung der Oberfläche der Schichtenfolge durch das Aufbringen einer Deckschicht aus einem gegenüber Oxidation unempfindlichen Material verhindert wird, besteht darin, dass in einer für die Herstellung der Schichtenfolge bestimmten Beschichtungsanlage keine zusätzlichen Vorkehrungen zur Beschichtung eines zusätzlichen Materials aufgewendet werden müssen, da Siliziumschichten ohnehin Bestandteil der Schichtenfolge sind. Beim Aufbringen der Deckschicht werden einer oder mehrere Beschichtungsparameter gegenüber den Siliziumschichten der Schichtenfolge derart geändert, dass eine Siliziumschicht mit der erfindungsgemäßen Dicke abgeschieden wird.
• Das Aufbringen der Schichtenfolge auf ein Substrat 1 erfolgt bevorzugt mittels Sputtern, insbesondere mittels DC-Magnetronsputtern. Beispielsweise kann Argon mit einem Druck von 1,33·10^–3 mbar als Arbeitsgas verwendet werden. Bei einem Abstand von etwa 50 mm zwischen den Sputtertargets und dem Substrat 1 kann eine Wachstumsrate von etwa 0,5 nm/s bis 0,7 nm/s erzielt werden. Im Rahmen der Erfindung sind aber auch andere Beschichtungsverfahren denkbar, insbesondere Elektronenstrahlverdampfung, Plasma-Ionengestützte Verdampfung (PIAD – Plasma Ion Assisted Deposition) oder Laser-Ablation.
• Eine reflektierende Schichtenfolge gemäß der Erfindung kann zum Beispiel für Bauelemente zur Strahlführung und/oder Strahlformung einer Strahlungsquelle mit einer Wellenlänge zwischen 35 nm und 50 nm verwendet werden, insbesondere für ebene Spiegel zur Strahlumlenkung oder für gekrümmte Spiegel zur Kollimation oder Fokussierung der Strahlung. Aufgrund der spektral sehr engen Reflexion, die eine volle Halbwertsbreite von typischerweise etwa 5 nm aufweist, ist eine Schichtenfolge gemäß der Erfindung insbesondere auch für die Anwendung in Spektrometern geeignet.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 3 näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Schichtenfolge gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 2 eine gemessene Reflexionskurve einer Schichtenfolge gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im Vergleich zu einer weiteren Schichtenfolge und
• 3 gemessene Reflexionskurven von drei Schichtenfolgen gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung im Vergleich zu einer weiteren Schichtenfolge.
• Die in 1 dargestellte Schichtenfolge enthält ein Substrat 1 und eine periodische Anordnung einer Mehrzahl von Schichtpaaren 5 aus Siliziumschichten 2 und Scandiumschichten 3. Zur Vereinfachung der Darstellung sind nur fünf Schichtpaare 5 dargestellt. Eine bevorzugte Anzahl der Schichtpaare beträgt zwischen einschließlich 5 und einschließlich 30. Die Siliziumschichten 2 weisen eine Dicke d_Si und die Scandiumschichten eine Dicke d_Sc auf.
• Auf die Schichtenfolge ist eine Deckschicht 6 aus Silizium aufgebracht, deren Dicke d die Ungleichung 0,6 d_Si ≤ d ≤ 0,8 d_Si erfüllt. Die Deckschicht 6 kann an der von der Schichtenfolge abgewandten Seite 4 zumindest teilweise in eine Siliziumoxidschicht umgewandelt sein, insbesondere durch den Kontakt der Schichtenfolge mit Luft.
• Der Einfluss der Deckschicht 6 auf die Reflexion R der Schichtenfolge wird in den 2 und 3 verdeutlicht. In 2 sind gemessene Reflexionskurven einer Schichtenfolge mit einer Deckschicht 6 aus Silizium (Kurve 7) und einer Schichtenfolge mit einer Deckschicht 6 aus Scandium (Kurve 8) dargestellt. Die sehr unterschiedlichen Werte der maximalen Reflexion von R = 0,49 für die Schichtenfolge mit einer Deckschicht 6 aus Silizium und R = 0,03 für die Schichtenfolge mit einer Deckschicht 6 aus Scandium verdeutlichen, dass Silizium für die Erzielung einer hohen Reflexion wesentlich besser als Deckschichtmaterial geeignet ist als Scandium. Die deutlichen Unterschiede in der Reflexion sind darauf zurückzuführen, dass eine Deckschicht 6 aus Scandium besonders anfällig für eine reflexionsmindernde Oxidation ist.
• In 3 sind gemessene Reflexionskurven von vier verschiedenen Schichtenfolgen dargestellt, bei denen die Dicke d einer Deckschicht 6 aus Silizium bei der Herstellung variiert wurde. Die Dicken d der Deckschichten 6 der Schichtenfolgen betragen d = 0,7 d_Si (Kurve 9), d = 0,8 d_Si (Kurve 10), d = 0,9 d_Si (Kurve 11) und d = 1,0 d_Si (Kurve 12). Die maximale Reflexion der Schichtenfolgen, die mit einer Dicke der Deckschicht 6 hergestellt wurden, die geringer ist als die Dicke d_Si der Siliziumschichten 2 innerhalb der Schichtenfolge (Kurven 9, 10, 11), ist größer als die Reflexion der Schichtenfolge, die mit einer Deckschicht 6 aus Silizium hergestellt wurde, deren Dicke der Dicke der Siliziumschichten 2 innerhalb der Schichtenfolge entspricht (Kurve 12).
• Die maximale Reflexion wurde mit der Schichtenfolge erreicht, bei der die Dicke d der Deckschicht 6 bei der Herstellung das 0,7 fache der Dicke d_Si der Siliziumschichten 2 innerhalb der Schichtenfolge betrug.
• Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Kombination nicht explizit in den Patentansprüchen angegeben ist.

Claims (10)

1. Schichtenfolge zur Reflexion von Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 35 nm und 50 nm, die eine periodische Anordnung einer Mehrzahl von auf einem Substrat (1) angeordneten Schichtpaaren (5) enthält, die jeweils eine Siliziumschicht (2) und eine über dieser angeordnete Scandiumschicht (3) enthalten, wobei die Siliziumschicht (2) eine vorgegebene Dicke d_Si aufweist, und auf der Mehrzahl von Schichtpaaren (5) eine Deckschicht (6) aufgebracht ist, die durch Aufbringen einer Siliziumschicht mit einer vorgegebenen Dicke d mit 0,6 d_Si ≤ d ≤ 0,8 d_Si herstellbar ist.
2. Schichtenfolge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtenfolge bei zumindest einer Wellenlänge zwischen 40 nm und 50 nm eine Reflexion R > 0,50 aufweist.
3. Schichtenfolge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Herstellung der Deckschicht aufgebrachte Siliziumschicht an einer von der Mehrzahl von Schichtpaaren (5) abgewandten Seite (4) zumindest teilweise in eine Siliziumoxidschicht umgewandelt ist.
4. Schichtenfolge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Schichtpaare (5) zwischen einschließlich 5 und einschließlich 30 beträgt.
5. Schichtenfolge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) eine Oberflächenrauheit von weniger als 0,2 nm aufweist.
6. Schichtenfolge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtenfolge auf eine gekrümmte Oberfläche eines Substrats (1) aufgebracht ist.
7. Schichtenfolge nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Substrats (1) asphärisch gekrümmt ist.
8. Verfahren zur Herstellung einer Schichtenfolge zur Reflexion von Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 35 nm und 50 nm, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines Substrats (1), b) Aufbringen einer Siliziumschicht (2) einer vorgegebenen Dicke d_Si, c) Aufbringen einer Scandiumschicht (3) auf die Siliziumschicht (2), d) Wiederholen der Schritte b) und c), bis eine gewünschte Anzahl von Schichtpaaren (5) erreicht ist, e) Aufbringen einer Deckschicht (6) aus Silizium, deren Dicke d das 0,6 fache bis 0,8 fache der Dicke d_Si der im Verfahrensschritt b) aufgebrachten Siliziumschicht (2) beträgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (6) nach dem Aufbringen an einer von den Schichtenpaaren (5) abgewandten Seite (4) zumindest teilweise in eine Siliziumoxidschicht umgewandelt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Schichtenfolge mittels Sputtern erfolgt.