彭怡超 葉宗標 王思蜀 蒲國 韋建軍 芶富均

摘 要： 本文介紹了在多層反射鏡釕表面原位清洗錫及其氧化污染物的實驗研究. 實驗通過物理氣相沉積（PVD）方法制備顆粒狀和薄膜狀錫及其氧化污染物，并采用朗繆爾探針和減速場離子能量分析儀（RFEA）對不同功率的氫等離子體進行了系統(tǒng)分析. 對比顆粒狀和薄膜狀錫及其氧化污染物的清洗速率后發(fā)現(xiàn)，顆粒狀污染物頂部的清洗速率最高，其平均清洗速率次之，而薄膜狀污染物的清洗速率最低. XPS 結(jié)果表明經(jīng)過低功率（1 W）等離子體清洗后，錫氧鍵斷裂并發(fā)生了化學還原過程. 掃描電鏡截面圖像顯示低功率清洗后底部的薄膜厚度增加，指明清洗過程中的再沉積現(xiàn)象. TRIM 模擬說明高功率（10 W）下氫注入深度超過釕膜厚度，而低功率（1 W）下氫注入深度小于釕膜厚度. 釕膜的粗糙度在1 W 照射10 h 后仍保持穩(wěn)定. 在化學還原和刻蝕過程中，氫離子和氫自由基分別起到斷裂化學鍵和反應(yīng)物的作用. 根據(jù)上述結(jié)果推斷，低功率（1 W）氫等離子體可實現(xiàn)對錫及其氧化污染物的無損原位清洗.

關(guān)鍵詞： 錫及其氧化污染物； 氫等離子體； 釕； 原位清洗

中圖分類號： O53 文獻標志碼： A DOI： 10. 19907/j. 0490-6756. 2024. 034005

1 引言

在光刻工藝中使用多層膜反射鏡（MLM）來收集和傳輸波長為13. 5 nm 的極紫外光. 作為未來半導體制造的主要候選產(chǎn)品［1］，MLM 光學器件需要提供至少30 000 h 的使用壽命來降低經(jīng)濟成本［2，3］. 然而，多層膜表面在運行過程中不可避免地受到污染而導致使用壽命縮短. 如何清洗反射鏡表面已成為一個重要課題. 在光刻技術(shù)中，反射鏡表面污染主要分為顆粒污染和化學污染. 比如錫液滴、放氣溶劑和殘余水，這些物質(zhì)會在極紫外光作用下被分解形成錫和氧原子，導致反射鏡表面氧化和污染物沉積，最終導致反射鏡反射率降低，雜散光增加［4-8］. 商用LPP 光源利用CO2 激光轟擊熔融錫液滴產(chǎn)生極紫外光，而激光誘導的錫等離子體碎片和錫原子沉積在反射鏡表面［9］.

去除反射鏡表面上錫的方法已經(jīng)得到了廣泛的研究，如氫等離子體和氫原子處理方法［10，11］. 氫等離子體和氫原子也用于多層膜表面氧化層的還原［12，13］. 根據(jù)Elg 等［14］的電極驅(qū)動等離子體清洗方法，可以利用MLM 作為電極產(chǎn)生等離子體，在200～300 W 下對硅表面錫膜進行初步清洗. 但這種方法具有局限性，例如高功耗和對襯底的潛在損害. 為此，我們實驗室團隊開發(fā)了一種CCP 系統(tǒng)，使其可以產(chǎn)生低能量的氫離子，以探索硅表面上顆粒狀錫污染物的等離子體清洗［15，16］. 此外，提高光學元件抗氧化性的一種方法是使用保護封裝層，Kang 等［17］驗證了厚度為2～3 nm 的釕封蓋層可以最大限度地減少Mo/Si 多層膜體系的反射率損失. Van Herpen 等人［18］利用氫氣熱裂解產(chǎn)生氫原子在釕表面蝕刻錫污染物，并發(fā)現(xiàn)由于SnH4 的再沉積現(xiàn)象，蝕刻速率相比硅表面降低了兩個數(shù)量級. 目前，等離子體對釕表面錫及其氧化污染物的原位清洗文獻報道較少. 反射鏡鏡面上的錫污染物可能來自錫液滴的飛濺和錫原子的沉積［19］.錫液滴飛濺導致在反射鏡表面上形成顆粒狀錫污染物，錫原子沉積則導致反射鏡表面形成薄膜狀錫污染物. 因此，有必要開展氫等離子體對釕表面顆粒狀和薄膜狀錫及其氧化污染物的清洗實驗.此外，覆蓋在Ru/Si 薄膜表面的錫污染物可能會促進氫的滲透［20］. 清洗過程中等離子體的能量不宜過高，以確保粒子不會注入到Ru/Si 中間層，最大限度地降低清洗過程中產(chǎn)生氫氣泡的可能性［21］.

本文采用MLM 原位清洗的方法，在1 W 和10 W 輸入功率下開展釕表面顆粒狀和薄膜狀錫及其氧化污染物的等離子體清洗實驗. 利用朗繆爾探針測量了電子溫度和電子密度的空間分布，探討了電子溫度和電子密度的分布規(guī)律. 實驗利用SEM 表征兩種形態(tài)污染物的宏觀清洗過程，利用XPS 分析氫等離子體的化學還原過程. 本文還首次對比了顆粒狀和薄膜狀錫及其氧化污染物的清洗速率，并根據(jù)實驗結(jié)果解釋顆粒狀污染物和薄膜污染物清洗速率差異的原因. 本研究對電極驅(qū)動等離子體原位清洗方法的發(fā)展有一定借鑒意義.

2 材料與方法

2. 1 樣品制備

前面提到，在EUV 光刻過程中錫原子和錫液滴被氣體轉(zhuǎn)移并沉積在MLM 的釕覆蓋層上，說明污染物的形態(tài)各異. Faradzhev 等［22］觀察到，在釕膜的缺陷部位或晶界處可能是錫的成核位點. 實驗通過蒸發(fā)鍍膜技術(shù)獲得顆粒狀和薄膜狀的錫及其氧化污染物，以模擬污染物的真實形態(tài). 采用管式爐蒸發(fā)鍍膜工藝，在真空系統(tǒng)作用下管式爐的極限真空可達到10?4 Pa. 采用電子束蒸發(fā)的方法在硅片上制備了7. 6 nm 的釕膜作為涂層襯底. 在石英管中央放置一個裝滿錫的坩堝，并用管式爐加熱到1100 ℃，錫蒸氣通過氬氣輸送到釕膜襯底上. Ru/Si 薄膜襯底在順著氬氣流動方向上放置在距離坩堝40 cm 處，樣品沉積溫度設(shè)置為250 ℃.以150 mL/min 的氣流量引入氬氣后，石英管內(nèi)壓強為0. 75 Pa. 管式爐1100 ℃的設(shè)定時間分別控制為180 min 和5 min，用于制備顆粒狀和薄膜狀錫及其氧化污染物.

沉積完成后，對污染物樣品進一步氧化，將沉積有污染物的釕膜置于石英管的中心. 待石英管達到最大真空度后，關(guān)閉閥門，斷開真空管與真空系統(tǒng)的連接，然后以150 mL/min 的氣流量向石英管中注入氧氣，實現(xiàn)對錫污染物的氧化. 氧化溫度設(shè)定為200 ℃，保溫時間控制為60 min. 實驗設(shè)備原理圖的介紹見課題組的前期研究工作［16］.