1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования
  4. № 3, 2019

Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2019, № 3, стр. 5-9

Многослойные зеркала Mo/Si c барьерными слоями B4C и Be

С. Ю. Зуев 1, Д. Е. Парьев 1, Р. С. Плешков 1, В. Н. Полковников 1, *, Н. Н. Салащенко 1, М. В. Свечников 1, М. Г. Сертсу 1, А. Соколов 1, Н. И. Чхало 1, Ф. Шаферс 1

1 Институт физики микроструктур РАН,
603087 Нижний Новгород,, Россия

* E-mail: polkovnikov@ipmras.ru

Поступила в редакцию 21.06.2018
После доработки 21.06.2018
Принята к публикации 21.06.2018

Полный текст (PDF)

Аннотация

Методом магнетронного распыления для отражения в окрестности длины волны 13.5 нм синтезированы и изучены традиционные многослойные зеркала Mo/Si и зеркала, содержащие в качестве прослоек B4C и Be. Измерены угловые и спектральные зависимости коэффициентов отражения. Показано, что на длинах волн 12.4, 12.7, 13.0 и 13.5 нм четырехкомпонентные многослойные зеркала типа Mo/Be/Si/B4C превосходят по коэффициенту отражения более чем на 2% зеркала Mo/Si и более чем на 1% зеркала Mo/Si/B4C.

Ключевые слова: рентгеновское излучение, многослойные зеркала, магнетронное распыление.

ВВЕДЕНИЕ

Интерес к многослойным зеркалам нормального падения на основе Mo/Si не ослабевает с момента первой посвященной им публикации [1] благодаря относительно высокому коэффициенту отражения в широком диапазоне длин волн 13–30 нм. Особое значение они приобрели в связи с развитием технологии проекционной литографии с рабочей длиной волны 13.5 нм. В первую очередь здесь выделяется задача, связанная с необходимостью максимизации отражения в рассматриваемой спектральной области. С учетом многократного (10 раз и больше) отражения излучения при прохождении через оптическую систему литографической установки коэффициент отражения становится критически важной величиной. Увеличение его даже на относительно небольшую величину (1–2%) может привести к существенному экономическому эффекту.

Зеркала Mo/Si для диапазона длин волн вблизи 13 нм изучали, например, в [2–7]. Пиковый коэффициент отражения достигает 68% при теоретическом пределе 74%. Основной причиной отличия экспериментальных результатов от теоретического расчета является наличие протяженных переходных областей на границах раздела материалов структур. Отмечена также асимметрия переходных областей. В случае осаждения кремния на молибден (Si-на-Mo) ширина оценивается как 0.5–0.6 нм, в случае осаждения молибдена на кремний (Mo-на-Si) – как 1–1.2 нм.

Основной методикой увеличения коэффициентов отражения многослойных зеркал Mo/Si является методика барьерных слоев, заключающаяся в осаждении на поверхность молибдена и/или кремния третьих материалов. Наиболее распространенные барьерные материалы – углерод и карбид бора B4C [8–11]. Главная задача – это улучшение границы Mo-на-Si. В результате максимальный коэффициент отражения для структур типа Mo/B4C/Si/B4C и Mo/Si/C составил 70.15% на длине волны 13.5 нм и до 71% на длине волны 12.7 нм.

В [12] сообщается об улучшении отражательной способности Mo/Si на 2% при внедрении в систему Be в качестве промежуточного слоя. Было показано, что осаждение слоя бериллия на поверхность молибдена приводит к сглаживанию границы (Mo-на-Si) – шероховатости порядка 0.6 нм. В то же время шероховатость границы Be-на-Mo оценивается как 0.4 нм. Были достигнуты коэффициенты отражения более 71% при λ = = 13.5 нм и более 72% при λ = 12.9 нм. Таким образом, ранее было показано, что сглаживание наиболее проблемной границы Mo-на-Si происходит и при осаждении B4C на поверхность кремния, и при осаждении Be на поверхность молибдена. Шероховатость границы Be-на-Mo остается невысокой.

Следующим шагом на пути повышения отражающей способности многослойных зеркал Mo/Si должен стать синтез структуры типа Mo/Be/ Si/B4C. Исследованию такого зеркала посвящена настоящая работа. В ней рассматривается влияние на коэффициент отражения осаждения барьерных слоев Be и B4C и сравнивается отражающая способность следующих многослойных систем: Mo/Si, Mo/Si/B4C и Mo/Be/Si/B4C (порядок материалов дан в направлении роста структур от подложки к поверхности).

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Многослойные зеркала синтезировали методом магнетронного напыления при постоянном токе на установке, оснащенной шестью магнетронами планарного типа. Каждый магнетрон представляет собой источник с кольцевым разрядом. На поверхности расположена мишень распыляемого материала диаметром 150 мм и толщиной от 6 мм. В качестве рабочей среды использовали высокочистый (99.998%) газ аргон. Рабочее давление газа в технологическом процессе составляет ~10–1 Па. Характерная скорость роста пленок ~0.1–1 нм/с. Материалы, формирующие многослойные зеркала, осаждались на сверхгладкие (среднеквадратичная величина шероховатости 0.1–0.2 нм) кремниевые подложки. Давление остаточных газов было не выше 10–4 Па [13]. В ходе экспериментов были синтезированы многослойные структуры трех типов: Mo/Si, Mo/Si/B4C и Mo/Be/Si/B4C.

Основные параметры многослойных зеркал, такие как период, толщины индивидуальных слоев, межслоевые шероховатости, изучали методом малоугловой рентгеновской дифракции. Измерения проводили в диапазоне углов падения излучения на образец θ = 0°–6° с использованием четырехкристального высокоразрешающего дифрактометра PANalitycal X’Pert Pro (λ = 0.154 нм). По результатам измерений осуществляли подгонку и определяли модельную структуру. Для подгонки кривых отражения использовали программное обеспечение IMD [13] и собственную модель [14].

Измерения в окрестности длины волны 13.5 нм проводили на лабораторном рефлектометре со спектрометром-монохроматором РСМ-500 [15] и на трехосном рефлектометре на оптической линии накопительного кольца BESSY-2 [16]. Изучали угловые (при фиксированной энергии фотонов) и спектральные (при фиксированном угле падения излучения) зависимости коэффициентов отражения многослойных зеркал. В табл. 1 представлены основные параметры многослойных зеркал. Число периодов для всех образцов N = 50. Периоды образцов были близки друг другу. Это обеспечивает корректное сравнение отражательных характеристик разных многослойных зеркал, поскольку максимумы коэффициентов отражения зеркал на спектральных зависимостях оказываются рядом, и можно пренебречь разницей коэффициентов преломления в структурах.

Таблица 1.  

Основные параметры исследуемых образцов (〈d〉 – средний период, 〈d(M)〉 – средняя толщина пленки материала М: молибден, кремний, бериллий, карбид бора)

Образец 〈d〉, нм 〈d(M)〉, нм
PR61, Mo/Si 6.90 3.10 (Mo)
3.80 (Si)
PR64, Mo/Si/B4C 6.91 2.94 (Mo)
3.64 (Si)
0.33 (B4C)
PR70, Mo/Be/Si/B4C 6.88 2.80 (Mo)
0.30 (Be)
3.45 (Si)
0.33 (B4C)

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 приведены результаты измерений методом малоугловой рентгеновской дифракции образцов трех типов. Параметры образцов настолько близки, что на рисунке практически сливаются в одну кривую. Для наглядного представления эффекта применения барьерных слоев на рис. 2 вынесены шестой, седьмой и восьмой дифракционные пики. В таком представлении нетрудно выявить общую закономерность: пики дальних дифракционных порядков в случае многослойных зеркал с барьерными слоями заметно выше, чем в случае двухкомпонентной структуры Mo/Si. Пики отражения для структуры Mo/Be/Si/B4C выше, чем для структуры Mo/Si/B4C. Это говорит о большей резкости межслоевых границ многослойных зеркал с барьерными слоями, и у Mo/Be/Si/B4C эти границы наиболее резкие. В результате реализуется бóльшая отражающая эффективность многослойных зеркал Mo/Be/Si/B4C в окрестности длины волны 13 нм. В табл. 2 приведены отражательные характеристики исследуемых зеркал.

Рис. 1.

Измеренные угловые зависимости коэффициента отражения образцов Mo/Si (1), Mo/Si/B4C (2) и Mo/Be/Si/B4C (3) на длине волны 0.154 нм. Цифрами 6, 7 и 8 обозначены дифракционные пики соответствующих порядков.

Рис. 2.

Шестой (а), седьмой (б) и восьмой (в) порядки отражения образцов Mo/Si (1), Mo/Si/B4C (2) и Mo/Be/Si/B4C (3) на длине волны 0.154 нм.

Таблица 2.  

Отражательные характеристики образцов, измеренные вблизи λ = 13 нм

Образец Тип измерения λ, нм θ, град R, %
PR61, Mo/Si Спектральное (Δλ = 0.52 нм) 13.56 88.00 65.9
Угловое 12.40 65.50 41.5
Угловое 12.70 68.20 67.5
Угловое 13.00 71.67 67.0
Угловое 13.50 83.67 66.1
PR64, Mo/Si/B4C Спектральное (Δλ = 0.54 нм) 13.48 88. 00 66.5
Угловое 12.40 66.43 43.7
Угловое 12.70 69.20 68.2
Угловое 13.00 72.67 67.6
Угловое 13.50 88.33 66.5
PR70, Mo/Be/Si/B4C Спектральное (Δλ = 0.53 нм) 13.46 88.00 67.6
Угловое 12.40 66.90 46.4
Угловое 12.70 69.60 69.2
Угловое 13.00 73.17 68.5
Угловое 13.50 88.67 67.0

Примечание. Для спектральных измерений указана ширина кривой отражения на половине высоты Δλ.

На рис. 3 и 4 изображены спектральные и угловые зависимости коэффициента отражения, соответствующие данным табл. 2 и длине волны 12.7 нм. Как видно из рисунков, многослойные зеркала Mo/Be/Si/B4C демонстрируют бóльшую отражательную эффективность. В среднем по диапазону четырехкомпонентная структура превосходит двухкомпонентную приблизительно на 2%.

Рис. 3.

Спектральные зависимости коэффициента отражения образцов Mo/Si (1), Mo/Si/B4C (2) и Mo/Be/Si/B4C (3), снятые при угле скольжения излучения 88°.

Рис. 4.

Угловые зависимости коэффициента отражения образцов Mo/Si (1), Mo/Si/B4C (2) и Mo/Be/Si/B4C (3) на длине волны 12.7 нм.

Следует оговориться, что абсолютные значения коэффициентов отражения не достигают 70%. Вероятно, это связано с тем, что изначально были выбраны неоптимальные индивидуальные толщины материалов. Тем не менее, это не должно сказываться на соотношении коэффициентов отражения структур всех трех типов. Оптимизируя соотношение толщин материалов в элементарной ячейке многослойного зеркала, можно получить коэффициент отражения более 70% на длине волны 13.5 нм.

БЛАГОДАРНОСТИ

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП “Физика и технология микро- и наноструктур” ИФМ РАН в рамках государственного задания ИФМ РАН (тема № 0035-2014-0204) при поддержке РАН (программы I.1 “Физика конденсированных сред и материалы нового поколения”, “Экстремальные световые поля и их взаимодействие с веществом”, I.2 “Наноструктуры: физика, химия, биология, основы технологий”), РНФ и немецкого научно-исследовательского сообщества DFG (грант № 16-42-01034), РФФИ в части исследований на BESSY-2 (гранты № 18-02-00588, № 18-32-00173 мол_а, № 17–52–150 006).

Список литературы

  1. Barbee T.W., Mrowka S., Hettrick M.C. // Appl. Opt. 1985. V. 24. № 6. P. 883.

  2. Petford-Long A.K., Stearns M.B., Chang C.H. et al. // J. Appl. Phys. 1987. V. 61. № 4. P. 1422.

  3. Rosen R.S., Stearns D.G., Viliardos M.A. et al. // Appl. Opt. 1993. V. 32. № 34. P. 6975.

  4. Slaughter J.M., Kearney P.A., Schulze D.W. et al. // Proceed. SPIE. 1990. V. 1343. P. 73.

  5. Slaughter J.M., Schulze D.W., Hills C.R. et al. // J. Appl. Phys. 1994. V. 76. № 4. P. 2144.

  6. Stearns D.G., Rosen R.S., Vernon S.P. // Appl. Opt. 1993. V. 32. № 34. P. 6952.

  7. Andreev S.S., Gaponova S.V., Gusev S.A. et al. // Thin Solid Films. 2002. V. 415. P. 123.

  8. Yulin S., Feigl T., Kuhlmann T. et al. // J. Appl. Phys. 2002. V. 92. № 3. P. 1216.

  9. Bajt S., Alameda J., Barbee T. et al. // Opt. Eng. 2002. V. 41. № 8. P. 1797.

  10. Braun S., Mai H., Moss M. et al. // Jpn. J. Appl. Phys. 2002. V. 41. P. 4074.

  11. Yakshin A.E., van de Kruijs R.W.E., Nedelcu I. et al. // Proceed. SPIE. 2007. V. 6517. P. 65170I.

  12. Chkhalo N.I., Gusev S.A., Nechay A.N. et al. // Optics Lett. 2017. V. 42. № 24. P. 5070.

  13. Ахсахалян А.Д., Клюенков Е.Б., Лопатин А.Я. и др. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2017. № 1. С. 5.

  14. Windt D.L. // Computers in Physics. 1998. V. 12. № 4. P. 360.

  15. Svechnikov M., Pariev D., Nechay A. et al. // J. Appl. Cryst. 2017. V. 50. № 5. P. 1428.

  16. Andreev S.S., Akhsakhalyan A.D., Bibishkin M.A. et al. // Centr. Europ. J. Phys. 2003. V. 1. P. 191.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал