通过选择性的衬底偏压辅助来提高Mo/Si/C多层结构的性能

选择性偏置沉积调控Mo/Si/C多层膜界面特性及EUV反射率提升机制研究。通过开发选择性偏置装置，分别施加至Mo、Si、C层，分析其对晶体结构、界面扩散及光学性能的影响，发现Mo层偏置致密化增强反射率，Si层偏置抑制界面扩散，优化偏置比例使EUV反射率提升2.6%。

宋鸿轩|杜文云|曹龙迅|卢振琦|徐文杰|邵建达|朱美萍

中国科学院上海光学精密机械与物理研究所超强激光科学技术国家重点实验室，上海201800，中国

摘要

衬底偏压辅助的磁控溅射技术能够有效调控多层微结构的形成。然而，针对包含阻挡层的极紫外（EUV）多层涂层的选择性偏压辅助沉积研究尚未开展。在本研究中，我们开发了一种选择性偏压辅助装置，能够对Mo/Si/C多层结构中的特定材料层施加可控的衬底偏压。通过联合分析结晶和扩散过程，我们发现仅对Si层施加偏压时，会在Si与Mo的界面触发一个自我加速的混合-非晶化-扩散增强循环；而对Mo层和C层施加偏压则会增强这些层的致密性、促进结晶并抑制该循环。通过对Mo层和C层同时施加偏压，并在Si层沉积过程中优化偏压辅助比例，EUV反射率比无偏压多层结构提高了2.6%。总之，通过考虑偏压对不同材料层的影响并优化偏压比例，可以实现对界面结构的调控并提升多层涂层的光学性能。

引言

衬底偏压辅助沉积技术可以调节涂层的微观结构，从而优化其光学和机械性能[1]、[2]、[3]、[4]。该技术在光学涂层领域得到了越来越广泛的应用[5]、[6]，尤其是在EUV光刻和太阳空间实验等短波长光学涂层中。短波长多层涂层的光学性能高度依赖于结晶度[7]、[8]、表面粗糙度[9]、[10]、界面粗糙度[11]、[12]以及界面扩散[13]、[14]、[15]等因素。

多项研究探讨了衬底偏压对Mo/Si多层结构生长和反射率的影响。例如，Vernon等人发现，对Mo/Si多层涂层施加适当的偏压可以显著改善其微观结构，并在约13纳米波长处提高峰值反射率[16]。Rigato等人指出，对Mo/a-Si多层涂层施加衬底偏压不仅增强了Mo层的(110)晶向，还影响了稀有气体的掺入[17]。Zubarev等人发现，对Mo层施加偏压会增加Mo与Si界面的粗糙度和厚度，而对Si层施加偏压则能改善界面平整度。然而，过高的偏压可能导致Si与Mo界面过渡区的显著增宽[18]。为了减轻离子轰击对Si与Mo界面的影响，Yu等人使用了两个Si靶材（一个施加偏压，一个不施加偏压），以确保在每个Si层沉积初期不施加偏压。他们的结果表明，通过偏压辅助沉积的Si层比例可以减少Si与Mo界面处的界面扩散[19]。不过，这种方法需要为每种材料配备两组溅射装置来调整偏压辅助比例，从而显著增加了成本。在最近的研究中，我们系统地研究了在不同衬底偏压下沉积的含C扩散阻挡层的Mo/Si多层结构，发现适当的负偏压可以抑制波纹形成、降低表面和界面粗糙度、增加层密度，从而提高EUV反射率；而过高的偏压则会增强界面扩散并降低反射率[20]。然而，在大多数研究中，衬底偏压是在整个沉积过程中均匀施加的，因此无法区分不同层对偏压的响应以及阻挡层的具体作用。

为了解决这一问题，我们开发了一种选择性偏压辅助装置，可以实现针对特定层的灵活偏压施加。利用该装置，我们研究了选择性偏压辅助对EUV多层涂层结晶度、界面粗糙度、界面扩散和反射率的影响。首先，我们考察了偏压辅助对不同材料性能的影响；随后分析了在不同偏压下生长的Si层比例的变化效果。我们认为，这种选择性偏压辅助沉积方法为进一步提升EUV镜子的性能提供了有前景的途径。

实验装置

实验装置

所有多层结构均采用行星运动式直流磁控溅射系统进行沉积，如图1(a)所示。在该系统中，每层材料的厚度主要由衬底支架在靶区移动时的旋转速度控制。该系统还配备了选择性偏压沉积模块，如图1(b)所示。该模块包括三个主要部件：主滑轨、多个副滑轨和一根导电杆。

选择性偏压辅助对多层涂层性能的影响

在0°至10°的入射角范围内，测量了Bias-None、Bias-Mo&C、Bias-Si和Bias-Mo&C&Si多层结构的GIXRR曲线，如图2(a)所示。所有四种多层结构均显示出清晰的布拉格峰，表明其具有有序的周期性结构[21]。对于Bias-None多层结构（无偏压沉积），布拉格峰的强度在5°后迅速减弱，高阶布拉格峰消失。Bias-Mo&C（仅对Mo层和C层施加偏压）和Bias-Si

Si层偏压辅助比例对多层涂层性能的影响

为了研究Si层偏压辅助比例对多层涂层性能的影响，我们对Bias-Mo&C&Si涂层进行了对比研究，比较了不同Si层辅助比例（25%、50%和75%）与两个参考样品（Bias-Mo&C（0% Si偏压辅助）和Bias-Mo&C&Si（100% Si偏压辅助）的性能。图5展示了Bias-Mo&C&Si(25%)、Bias-Mo&C&Si(50%)和Bias-Mo&C&Si(75%)多层结构的TEM图像，结果显示

结论

本研究通过磁控溅射制备了Mo/Si/C多层结构，并对特定层选择了性地施加了偏压。结果表明，虽然偏压辅助普遍有助于平滑层状结构，但其作用机制因材料而异。对于Mo层，偏压促进了多晶化并增强了致密性，从而抑制了界面扩散并提高了EUV反射率；对于C阻挡层，偏压作用

CRediT作者贡献声明

宋鸿轩：撰写初稿、数据可视化、验证、形式化分析、数据整理、概念构思。杜文云：指导、形式化分析。曹龙迅：形式化分析、数据整理。卢振琦：形式化分析、数据整理。徐文杰：验证、形式化分析。邵建达：指导、资金争取。朱美萍：撰写与编辑、验证、指导、资金争取、形式化分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了中国科学院战略性先导科技专项（XDA0380000）和中国科学院青年科学基础研究项目（YSBR-081）的支持。