CC BY
34
ОСОБЕННОСТИ КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТИВА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУР
И.Ю. Богданов, Е.В. Гаврилов Научный руководитель - д.т.н., профессор В.К. Кирилловский
Для обеспечения прогресса развития микроэлектроники и достижения минимального размера элемента микросхемы на уровне 10 нм необходимо разрабатывать средства контроля повышенной точности. Показано, что основной задачей, решение которой необходимо для обеспечения производства элементов проекционных объективов, является создание средств контроля, обеспечивающих корреляцию между контрольной и рабочей длиной волны в глубоком вакуумно-ультрафиолетовым диапазоне. Описан интерферометр для исследования волновых аберраций с дифракционной волной сравнения.
Введение
В последние годы наблюдается устойчивый интерес к проблеме создания оптических элементов с точностью формы поверхностей на уровне долей нанометра. При решении задач проекционной коротковолновой нанолитографии проблема усложняется тем, что, как правило, необходимо изготавливать асферические поверхности, у которых одновременно с высокой точностью формы необходима низкая, на уровне 0.1 нм, микрошероховатость поверхности. Традиционные методы обработки оптических поверхностей, как правило, не обеспечивают такой точности, поэтому в последнее время развиваются методы коррекции формы, использующие автоматизированные комплексы с ионным травлением или нанесением тонких пленок в вакууме с заданным распределением толщины пленок по поверхности [1]. При применении этих методов необходимо сохранение, а лучше и уменьшение микрошероховатости поверхности.
Коррекция формы - итерационный процесс, и на каждой стадии необходимо иметь оперативные и адекватные по точности методы измерений. В настоящее время такие точности обеспечивают интерферометры с дифракционной волной сравнения, в которых эталонная сферическая волна формируется в результате дифракции на точечном отверстии с диаметром, сравнимым с рабочей длиной волны. До недавнего времени существовало два способа формирования эталонной сферической волны. Первый, предложенный Линником в 1933 г., развитый в [2-5] и применяемый рядом групп исследователей [6-7], заключается в использовании отверстий малого диаметра (pin-hole) в металлической пленке, нанесенной на тонкую прозрачную подложку. Второй способ использует дифракцию на выходе одномодового оптического волокна. Поскольку сферическая волна генерируется в пределах дифракционного пика, угловая ширина которого составляет X/d (X - длина волны, d -диаметр отверстия), первый метод должен позволять измерять оптические поверхности с большой числовой апертурой (при d ~ X числовая апертура NA~1). Второй метод из-за большего диаметра кора (сердечника) оптоволокна (d~5 мкм) в принципе не позволяет измерять оптику с NA>0,1. Однако метод Линника не позволяет изучать оптику с высокими числовыми апертурами ввиду невысокого качества получаемых интерферограмм и неоднозначности физических процессов, связанных с зависимостью условий формирования волны сравнения от аберраций контролируемого элемента [5].
Корреляция результатов измерений между рабочей и контрольной длинами волн
Известно, что коэффициенты Цернике увеличиваются или уменьшаются для одной и то же оптической системы в зависимости от длины волны. В качестве примера можно рассмотреть модель интерферограммы, характеризующую волновой фронт, имеющий ошибку типа комы, равную 13,4 нм. В табл. 1 показано изменение формы интерферограммы для разных длин волн при одном и том же числе полос, оптимальном для расшифровки. Видно, что для волнового диапазона 193-633 нм порядок анализируемой ошибки практически
одинаков. Но для Xк = 0,633 мкм ошибка превышает точность эталонов, применяемых в современных интерферометрических комплексах 2УвО, где, как известно, точность эталона составляет Х/20 для Xк = 0,633 мкм, а интерферометров, изготовленных для работы на более коротких длинах волн, не существует.
контрольная длина волны, X
модель интер-ферограммы
значение ошибки в волновой мере
13,4 нм
С31 = IX
Таблица 1. Моделирование формы интерферограммы для различных длин волн
В табл. 2 показаны коэффициенты разложения волновой аберрации объектива типа Шварцшильд экспериментального нанолитогрофа на рабочей длине волны X = 13,4 нм
для случая центрированной системы. При вычислении коэффициентов Цернике центральное экранирование не учитывалось, т.е. аппроксимация аберраций была выполнена по полной апертуре.
С пт Координаты на изображении
край поля У часть поля центральная часть поля
20 -0,028 0,013 0,026
40 0,000 0,001 0,001
60 -0,002 0,013 0,001
11 -0,001 0,002 -
31 0,003 0,002 -
51 -0,005 -0,002 -
22 0,285 0,072 -
42 0,008 0,002 -
Таблица 2. Разложение волновой аберрации объектива по коэффициентам Цернике
для X = 13,4 нм
Можно легко пересчитать коэффициенты с одной длины волны на другую и обнаружить, что в видимом диапазоне анализируемая ошибка намного меньше 0,01 X для Xк = 0,633 мкм. Обоснование необходимости столь высокой точности контроля состоит в том, что аттестация элементов проекционных объективов для целей нанолитографии на сегодяшний день может вестись только в видимой или близлежащей к ней области спектра. Это связано с невозможностью осуществления контроля на рабочей длине волны X = 13,4 нм ввиду полного отсутствия отражения от контролируемой детали без
нанесения зеркального покрытия.
Таким образом, можно констатировать следующий факт: контроль элементов объективов должен проводиться в видимом диапазоне как наиболее обеспеченном техническими решениями приборов контроля, а аттестационный контроль - на рабочей
длине волны, после нанесения зеркального покрытия на основе Mo-Si, которое обеспечивает максимальный коэффициент отражения R>60% для X р = 13,4 нм.
В связи с появлением направления развития проекционной литографии на длине волны 13.4 нм и разработкой тестовых стендов встала задача контроля соответствующих оптических элементов с нанометровой точностью. Для реализации такой точности группами исследователей проведены следующие работы [8-9]:
1. разработка источника эталонной сферической волны, обеспечивающего измерение оптических поверхностей в числовой апертуре NA>0,3,
2. теоретическое изучение проблемы дифракции света на отверстии диаметром порядка длины волны в непрозрачном экране с целью выяснить влияние реальных характеристик экрана и отверстия в нем на амплитудные и фазовые характеристики дифрагированного фронта,
3. изучение различных схем построения интерферометра с дифракционной волной сравнения.
Базовые схемы PDI-интерферометра
Существует два основных варианта схемы дифракционного интерферометра. Первый - дифрагирующее отверстие расположено на одной оси с падающим пучком, один из вариантов такой схемы представлен на рис. 1. В качестве источника сферической волны могут применяться диафрагма с дифракционным отверстием и зонды. Основной недостаток здесь связан с тем, что используемое волокно дает мало света, и работа ведется практически на уровне шумов матрицы. Кроме того, рабочая апертура такой схемы не превышает NA = 0,24, что недостаточно для решения существующих задач.
Рис. 1. 1 - Не-Ые - лазер, 2 - одномодовое волокно, 3 - источник сферической волны (пластина с дифракционным отверстием), 4 - исследуемый образец, 5 - система регистрации интерференционный картины
Другой вариант схемы представлен на рис. 2. Здесь в качестве источника сферической волны используется диафрагма, повернутая под углом 45° к падающему пучку. Главное достоинство этой схемы - высокая рабочая апертура, которая при прочих равных условия в два раза выше по сравнению с существующими схемными решениями РБ1-интерферометров. Однако в процессе работы с этой схемой был выявлен основной недостаток, связанный с «паразитным» рассеянием излучения на боковой поверхности отверстия, причем этот эффект усиливается с уменьшением диаметра отверстия и увеличением толщины покрытия.
Диаметр отверстия, генерирующего эталонный волновой фронт, рассчитывается как
й = \2/ ЫЛ, (1)
где Xк - контрольная длина волны, ЫЛ - апертура фокусирующего объектива. Отклонение от сферичности волнового фронта, выходящего из отверстия, определяется по формуле, полученной с учетом теории Дебая и справедливой на расстояниях от диафрагмы, не менее чем на три порядка превышающих размер отверстия [5]:
А^ = %-, (2)
Xs
лимационным осветительным плечом. 1 - лазер, 2 и 3 - осветительная система, 4 - наклонное зеркало, 5 - точечная диафрагма, 6 и 7 - встречные коллиматорные объективы, 8 - плоское автоколлимационное зеркало, 9-11 - наблюдательный микроскоп с линзой Бертрана, 12 - цифровая камера, 13 - компьютер, 14 -
измеряемая поверхность
В табл. 3 показана зависимость диаметра дифракционного отверстия от апертуры и контрольной длины волны.
Апертура фокусирующего объектива, КА Диаметр отверстия, мкм.
Х=0,633 мкм Х=0,365 мкм Х=0,248 мкм
0,1 4,01 1,33 0,62
0,2 2 0,66 0,31
0,3 1,34 0,44 0,21
Таблица 3. Диаметр дифракционного отверстия
На одну из поверхностей светоделителя светового пучка, выполненного в виде плоскопараллельной пластины 4, нанесено зеркальное покрытие, в центре которого имеется точечное отверстие 5, диаметр которого соизмерим с длиной волны излучения. Между лазером и светоделителем пучка расположен объектив 2-3, задний фокус которого совмещен с точечным отверстием 5 на светоделителе пучка. Точечное отверстие служит источником дифракционной волны, которая является опорной. Таким образом, возникающая в этой схеме интерференционная картина есть результат сложения эталонной сферической волны, возникающей при дифракции на точечном отверстии, и рабочей волны, отраженной от контролируемой поверхности.
Принцип работы установки заключается в следующем. Луч лазера 1, пройдя отрицательный компонент 2, фокусируется объективом 3 в точечное отверстие 5 наклонного плоского зеркала 4. Отверстие совмещено с центром кривизны вогнутой сфериче-
ской поверхности исследуемой детали. В схему входит также автоколлимационная осветительная система, состоящая из элементов 6, 7 и 8.
В плече наблюдения имеются объектив 9 и окуляр 11 для наблюдения освещенной точечной диафрагмы и автоколлимационного изображения точки в центре кривизны контролируемой поверхности. Для наблюдения интерференции в зрачке дополнительно вводится линза Бертрана 10. Для регистрации интерферограммы за окуляром устанавливается камера 12, которая передает полученную информацию на компьютер.
Выводы
На сегодня для изготовления высокоточных поверхностей (систем) необходимо использовать метрологические средства повышенной точности. Дифракционный интерферометр, несомненно, является таковым. Отсутствие эталонной поверхности, ограничивающей точность измерений, позволило переступить традиционный порог в Х/20, однако для уверенного использования прибора в технологическом процессе необходимо исследовать реальную точность прибора и экспериментально оценить погрешность проводимых с его помощью измерений.
Литература
1. Венедиктов В.Ю. О возможности применения киноформных элементов в зеркальных проекционных системах для ВУФ-литографии // ЖТФ. - 2007. - Т. 77. - Вып. 1.
2. Виноградова Г.Н., Духопел И.И., Ермачкова Н.П., Иоффе В.А. Интерферометр для контроля волновых аберраций объективов микроскопа // ОЖ. - 1996. - №9.
3. Виноградова Г.Н. Образование интерференционных картин в интерферометре с дифракционной волной сравнения // ОЖ. - 1998. - №2.
4. Виноградова Г.И., Вознесенский Н.Б., Н.П. Ермачкова, В.М. Домненко, Т.В. Иванова. Математическое моделирование интерференционных картин в интерферометре с дифракционно формируемым волновым фронтом сравнения // ОЖ. - 1999. - Т. 66. -№2.
5. Виноградова Г.Н., Герловин Б.Я. Некоторые особенности интерферометра с дифракционной волной сравнения // ОЖ. - 2001. - Т. 68. - №11.
6. Kazuya O. // SPIE. - 2001. - V.4343. - P.543
7. Williams // U.S.PAT. 5.815.310. - 1998.
8. Voznesensky N.B. // Opt. Memory and Neural Networks. - 2000. - Vol. 9. - №3. -P. 175-183.
9. Климов А.Ю., Рогов В.В., Салащенко Н.Н., Чхало Н.И. Источник сферической волны на основе зонда ближнепольного микроскопа // Известия РАН. - Серия физическая. - 2008. - Т. 72. - №2.
