本發(fā)明屬于極紫外(euv)多層膜技術領域,具體涉及一種寬光譜極紫外多層膜的魯棒性膜系設計方法,尤其適用于高反射率的寬光譜euv多層膜的魯棒性設計。
背景技術:
euv波段一般是指波長從幾納米至幾十納米的特殊光波段,在該波段內(nèi),存在著大量的原子共振線和吸收線,因此,幾乎所有材料對該波段的輻射都存在著極強的吸收且折射率接近于1。由于euv波段的強吸收作用,euv波段的光學研究十分困難,但是具有高反射率的euv多層膜的光學元件解決了這一問題。幾十年來,在國內(nèi)外相關學者的不懈努力下,euv多層膜的技術日趨成熟,出現(xiàn)了多種實用的euv光學系統(tǒng)并應用若干研究領域,如euv天文學、euv光刻、euv光譜學、顯微技術、等離子體診斷和軟x射線激光等等。特別是在半導體產(chǎn)業(yè)領域,euv光刻技術已成為目前16nm及其以下節(jié)點光刻設備的首選技術,其研究始于上世紀80年代中后期,備受美國、德國、日本和荷蘭等國的高度重視,因此,作為euv光刻機核心關鍵反射元件的euv多層膜的研發(fā)成為國內(nèi)外研究的焦點。目前,mo/si多層膜被證明是在眾多的材料組合中最優(yōu)選的組合,在美國lawrencelivermore國家實驗室采用周期數(shù)為40,周期厚度約為7nm的mo/si多層膜,在euv波段內(nèi)獲得了70%的峰值反射率。
但是,周期euv多層膜的反射光譜帶寬很窄,一般僅為0.5nm,如此窄的光譜帶寬一方面造成了分布在12-15nm范圍內(nèi)的光源的光通量的巨大能量損失;另一方面,在一些基于多層膜設計的成像系統(tǒng)中,較小光通量的很難實現(xiàn)滿足要求的成像質(zhì)量?;谏鲜鲈颍哂休^寬光譜帶寬的高反射euv多層膜作為euv光學系統(tǒng)的關鍵元件而備受國內(nèi)外廣大學者的關注。在寬光譜euv多層膜的研發(fā)方面,德國iof研究所研制出在正入射條件下,帶寬為2.33nm且反射率近20%的euv多層膜;同濟大學的科研小組研制出在正入射條件下,帶寬近16nm且反射率近10%的euv多層膜。同時,日本的nikon公司、中科院上海光機所和中科院長春光機所等科研機構均在寬光譜euv多層膜的研發(fā)方面開展了大量的工作,極大地推進了寬帶euv多層膜研究。
寬光譜euv多層膜研發(fā)的首要問題是多層膜膜系的設計,而膜系設計過程是一個較為復雜的多參數(shù)尋優(yōu)過程,隨著現(xiàn)代光學薄膜設計方法的發(fā)展,為多層膜找到一系列光學性能持續(xù)改善,但結(jié)構逐漸復雜的膜系已不再顯得那么迫切,而旨在設計符合實際鍍膜環(huán)境的最優(yōu)膜系則凸顯積極意義。同時,由于euv多層膜工藝和膜厚監(jiān)控方法都不可避免地產(chǎn)生膜層參數(shù)誤差,而膜厚誤差對euv多層膜的光學性能具有重要影響,因此,在保證寬光譜多層膜光學性能的前提下,找到光學性能對多層膜膜層參數(shù)的變化不敏感的多層膜膜系,即實現(xiàn)多層膜的魯棒性設計具有重要的實際價值。但是,傳統(tǒng)的寬光譜euv多層膜的設計最多還是基于光學性能評價函數(shù)為極小值的數(shù)值優(yōu)化方法,而結(jié)合實際可用鍍膜設備本身的控制誤差的特性,進行針對膜系誤差靈敏度的主動魯棒性設計卻幾乎沒有,即使在傳統(tǒng)可見光波段的膜系設計中,也只有optilayer和tfcalc等設計軟件對膜層靈敏度進行局部優(yōu)化處理。
技術實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是解決了極紫外多層膜設計中僅考慮光學性能,不考慮膜厚隨機誤差對光學性能影響的問題,提供一種有助于提高復雜非周期euv多層膜鍍膜的成品率,降低鍍膜風險的寬光譜極紫外多層膜的魯棒性膜系設計方法。
本發(fā)明解決技術問題所采用的技術方案如下:
一種寬光譜極紫外多層膜的魯棒性膜系設計方法,包括以下步驟:
步驟一:輸入寬光譜極紫外多層膜膜系設計的初始參數(shù)值,包括種群規(guī)模n、多層膜優(yōu)化設計的膜層數(shù)2p、變異概率pm、交叉概率pc、交叉算子ηc、變異算子ηp、進化代數(shù)j以及多層膜中膜層幾何厚度的搜索區(qū)間;
步驟二:生成適用于表征寬光譜極紫外多層膜膜系的初始化父代種群q;
步驟三:評估父代種群中每個個體的雙目標適應度;
所述雙目標適應度的評價函數(shù)為:
其中,評價函數(shù)f1為表征多層膜膜系的個體的寬光譜光學性能,r(λ)為膜系計算反演的理論反射率,
步驟四:對表征寬光譜極紫外多層膜膜系的父代種群進行非支配排序,得出每個個體的非支配排序度,對同一序列的非支配個體,采用擁擠度距離進一步排序;
步驟五:采用輪賽選擇機制,對表征寬光譜極紫外多層膜膜系的父代種群中個體的全部基因參數(shù)進行交叉操作,生成寬光譜極紫外多層膜膜系的子代種群;
步驟六:對表征寬光譜極紫外多層膜膜系的子代種群個體的單一基因進行變異操作;
步驟七:將表征寬光譜極紫外多層膜膜系的父代種群和子代種群進行合并,對合并種群中的個體逐一進行對比操作,如果兩個個體的基因不相同,則保留兩個個體,如果兩個個體的基因完全相同,則保留其一,而對另一個體的基因重新進行隨機賦值;
步驟八:采用步驟三的評價函數(shù)對合并種群的個體進行雙目標適應度計算;
步驟九:對表征寬光譜極紫外多層膜膜系的合并種群進行非支配排序,對同一序列中的非支配個體,采用擁擠度距離進一步排序,并根據(jù)排序生成新的父代種群;
返回步驟三,直到進化達到要求的進化代數(shù);
步驟十:獲得寬光譜極紫外多層膜光學性能和膜系魯棒性的雙目標的接近pareto前沿的非支配解集。
進一步的,所述步驟一中,種群規(guī)模n為50-200,變異概率pm為0.1-1.0,交叉概率pc為0.1-1.0,交叉算子ηc為1-50,變異算子ηp為1-50,進化代數(shù)j為1000-3000。
進一步的,所述步驟一中,種群規(guī)模n為100,變異概率pm為0.1,交叉概率pc為0.9,交叉算子ηc為2,變異算子ηp為2,進化代數(shù)j為3000。
進一步的,所述多層膜為mo/si多層膜、rh/si多層膜、ni/c多層膜或者ru/c多層膜。
與現(xiàn)有技術相比,本發(fā)明的有益效果:
1、本發(fā)明的寬光譜euv多層膜的魯棒性設計方法,將實數(shù)編碼的非支配排序遺傳算法(nsga-ii算法)應用于寬光譜euv多層膜的魯棒性設計之中,解決了euv多層膜設計中僅考慮光學性能,不考慮膜厚隨機誤差對光學性能影響的問題;
2、本發(fā)明的寬光譜euv多層膜的魯棒性設計方法有助于提高復雜非周期euv多層膜鍍膜的成品率,降低鍍膜風險;
3、本發(fā)明的寬光譜euv多層膜的魯棒性設計方法,經(jīng)過種群的進化,可優(yōu)化得到以多層膜膜系的光學性能和膜系主動魯棒性設計評價系數(shù)為優(yōu)化雙目標的接近pareto前沿的非支配解集,同時非支配解集可清晰給出寬光譜euv多層膜優(yōu)化設計的雙目標之間的制約關系,不同于一般基于單目標優(yōu)化方法僅能得到一個最優(yōu)膜系的設計方法,接近pareto前沿的非支配解集為寬光譜euv多層膜提供了一系列的可供選擇的魯棒性膜系設計,并通過對非支配解集中的個體進一步優(yōu)選,獲得寬光譜euv多層膜的魯棒性膜系設計。
附圖說明
圖1為本發(fā)明具體實施方式基于四層模型的euv多層膜的膜系示意圖。
圖2為本發(fā)明寬光譜euv多層膜的魯棒性膜系設計方法的流程圖。
圖3為基于nsga-ii算法,以寬光譜mo/si多層膜膜系的光學性能和膜系的魯棒性系數(shù)為雙目標的非支配解集前沿的演進。圖3(a)和圖3(b)分別為膜層的隨機厚度誤差以標準差為δ=0.075nm和δ=0.15nm的正態(tài)分布下的結(jié)果。
圖4中,(a)基于單目標遺傳算法和nsga-ii算法(膜厚隨機誤差以標準差δ=0.075nm分布)進化3000代獲得的優(yōu)化膜系模擬的寬光譜反射譜;(b)當多層膜膜厚隨機厚度誤差以標準差為δ=0.075nm正態(tài)分布時,相應膜系的寬光譜反射譜期望和反射譜。
圖5中,(a)基于單目標遺傳算法和nsga-ii算法(膜厚隨機誤差以標準差δ=0.15nm分布)進化3000代獲得的優(yōu)化膜系模擬的寬光譜反射譜;(b)當多層膜膜厚隨機厚度誤差以標準差為δ=0.15nm的正態(tài)分布時,相應膜系的寬光譜反射譜期望及和射譜包絡。
圖6中,(a1)和(a2)分別為基于單目標遺傳算法獲得的寬光譜mo/si多層膜的膜系結(jié)構;(b1)和(b2)分別為膜厚隨機厚度誤差以標準差為δ=0.075nm的正態(tài)分布下,基于nsga-ii算法優(yōu)化獲得的接近pareto前沿的非支配解集中寬光譜光學性能最優(yōu)膜系的結(jié)構和魯棒性最優(yōu)膜系的結(jié)構;(c1)和(c2)分別為膜厚隨機厚度誤差以標準差為δ=0.15nm的正態(tài)分布下,基于nsga-ii算法優(yōu)化所獲得的接近pareto前沿的非支配解集中寬光譜光學性能最優(yōu)的膜系結(jié)構和魯棒性最優(yōu)的膜系結(jié)構。
圖1中,1、鍍膜基底,2、mo膜層在si膜層上擴散形成的mosi2膜層,3、mo膜層,4、si膜層在mo膜層上擴散形成的mosi2膜層,5、si膜層,6、表層si膜層氧化形成的sio2膜層。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖1-6對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
本發(fā)明將nsga-ii算法應用于寬光譜euv多層膜的設計之中,將多層膜膜系的寬光譜光學性能和膜系對膜層厚度誤差的魯棒性作為膜系優(yōu)化的兩個目標,通過種群的進化同時對兩個目標進行優(yōu)化,并獲得接近雙目標pareto前沿的非支配解集。接近pareto前沿的非支配解集可以非常清晰的反映優(yōu)化設計的雙目標之間的制約關系,同時,非支配解集提供了一系列可供選擇的寬光譜euv多層膜的膜系,這些膜系對應寬光譜光學性能和魯棒性的多種不同的組合。綜合依據(jù)實際所需的寬光譜光學性能和鍍膜過程中的膜厚控制精度,在非支配解集中選擇適當?shù)哪は翟O計,進而實現(xiàn)寬光譜euv多層膜膜系的魯棒性設計。
在本實施方式中中,為了使理論模擬的euv多層膜的寬光譜反射譜更符合實驗結(jié)果,在計算中采用考慮包括不同材料相互擴散所形成的擴散層的四層模型。如mo/si多層膜、rh/si多層膜、ni/c多層膜或者ru/c多層膜。
如1所示,以mo/si多層膜為例,mo/si多層膜共49個周期,多層膜的膜系為sub[mosi2/mo/mosi2/si]49sio2。即在考慮mo膜層和si膜層之外,計算過程中還模擬兩膜層之間的擴散層—mosi2膜層。同時,本發(fā)明還模擬了多層膜表面的si層由于環(huán)境的氧化而形成sio2膜層。在理論計算過程中,si、mo和o原子的原子散射因子參數(shù)來源于lawrenceberkeleynationallaboratory數(shù)據(jù)庫,并采用下式計算材料的復折射率n=(1-δ)-iβ,其中,
其中,re、na、m和ρ分別為電子經(jīng)典半徑、阿佛加德羅常數(shù)、材料相對原子質(zhì)量和材料密度(相關材料的密度均采用體密度數(shù)值),同時xi為相應原子比例,而f′和f″為數(shù)據(jù)庫中提供的原子散射因子。
如圖2所示,本發(fā)明的寬光譜euv多層膜的魯棒性設計方法,步驟如下:
步驟一:輸入基于nsga-ii算法,適用于寬光譜mo/si多層膜設計的初始參數(shù)值,包括種群規(guī)模n、變異概率pm、交叉概率pc、交叉算子ηc、變異算子ηp、進化代數(shù)j、優(yōu)化設計的膜層數(shù)2p,以及膜厚的優(yōu)化搜索范圍。在本實施方式中,種群規(guī)模n為50-200,優(yōu)選的種群規(guī)模為100;變異概率pm為0.1-1.0,優(yōu)選的變異概率為0.1;交叉概率pc為0.1-1.0,優(yōu)選的交叉概率為0.9;交叉算子ηc為1-50,優(yōu)選的交叉算子為2;變異算子ηp為1-50,優(yōu)選的變異算子為2;進化代數(shù)j為1000-3000,優(yōu)選的代數(shù)為3000。
步驟二:生成基于nsga-ii算法,初始化表征寬光譜mo/si多層膜膜系的種群,以種群規(guī)模為n=100為例,初始化父代種群q表示為:
q=[a1,a2,a3,…,ai,…,a99,a100](2)
以周期p=49的mo/si多層膜為例,搜索優(yōu)化的膜層數(shù)2p=98,即任意個體ai的基因參數(shù)為98個,可表示為:
ai=[d1,d2,d3,…,di,…,d97,d98](3)
為保證mo/si多層膜中各周期內(nèi)mo膜層和si膜層的物理和化學性質(zhì)不變,mo膜層和si膜層的搜索優(yōu)化區(qū)間為[1.5nm,4.5nm]。
步驟三:計算表征寬光譜mo/si多層膜膜系的父代種群中每個個體的雙目標適應度,雙目標適應度的評價函數(shù)為:
其中,函數(shù)f1為評估膜系的寬光譜光學性能的評價函數(shù),r(λ)為膜系計算反演的理論反射率,
評價函數(shù)f2為膜系的膜層厚度d經(jīng)膜厚誤差δdk擾動后評價函數(shù)f1的統(tǒng)計平均值,其中符號e(·)表示數(shù)學期望的運算。當鍍膜中膜厚誤差δd相對膜厚參數(shù)d為小量時,評價函數(shù)f2可用膜系的評價函數(shù)f1的二階taylor展開式高精度近似為:
其中,δd,i為第i膜層的幾何厚度誤差的標準差。在本發(fā)明中,應用nsga-ii算法,以(4)式中的評價函數(shù)f1和(5)式中f2表示的膜系主動魯棒膜系設計評價函數(shù)為雙目標進行膜系優(yōu)化。對于寬角度mo/si多層膜時,(4)式中的自變量λ的范圍為[13nm,15nm],即λmin=13nm和λmax=15nm。
在本發(fā)明中,應用特征矩陣法計算(4)式中的反射率r(λ)。對于共有m個膜層的多層膜,其特征矩陣為:
其中tj和rj分別為:
而系數(shù)為
因此,m個膜層的mo/si多層膜的反射振幅rm為:
則多層膜的反射率為r=|rm|2。在多層膜反射率的計算過程中,由于mosi2擴散層較薄,所以在膜系設計過程中,近似認為擴散層的物理和化學性質(zhì)是不變的,僅對四層模型中的mo膜層和si膜層的幾何厚度進行優(yōu)化搜索。
步驟四:對表征寬光譜mo/si多層膜膜系的父代種群中的個體基于(4)式和(5)式中的評價函數(shù)f1和f2進行非支配排序,以此得到每個個體的非支配排序,而對同序列的非支配的個體采用擁擠度進一步排序。
步驟五:基于個體的非支配排序,采用輪賽選擇機制,對種群中個體進行交叉操作,生成表征寬光譜mo/si多層膜膜系的子代種群。在本發(fā)明中,交叉操作要求對個體的全部基因進行操作。
步驟六:對子代種群中的個體進行變異操作,以此進一步對子代種群進行更新,進而生成表征寬光譜mo/si多層膜膜系的子代種群。在本發(fā)明中,變異操作要求對個體進行單基因變異操作。
步驟七:將表征寬光譜mo/si多層膜膜系的父代種群和子代種群進行合并。為保持種群的多樣性,避免進化的早熟,在本步驟中,采用對比操作對合并種群中的個體進行逐一對比,對于完全相同的兩個個體,保留其一,而對另一個個體的基因參數(shù)再次進行隨機賦值,若不相同的兩個個體,都保留。所以,本步驟既采用了精英保留策略,又保持了種群的多樣性。
步驟八:對合并種群中的個體基于(4)式和(5)式中的評價函數(shù)f1和f2進行個體的雙目標適應度計算。
步驟九:對合并種群的個體基于雙目標評價函數(shù)f1和f2進行非支配排序,并對非支配個體進行擁擠度排序。依據(jù)個體的非支配排序和擁擠度在合并種群中篩選新的父代種群。返回步驟三,直到進化到要求的代數(shù)。
步驟十:獲得以euv多層膜的寬光譜光學性能和膜系的魯棒性為雙優(yōu)化目標的接近pareto前沿的非支配解集。在接近pareto前沿的非支配解集中,依據(jù)膜系光學性能的需求和鍍膜系統(tǒng)的膜厚控制精度進行選擇適宜的多層膜膜系,進而實現(xiàn)魯棒性膜系設計。
為驗證本發(fā)明在寬光譜euv多層膜膜系設計中的可行性,基于mo/si多層膜的理論參數(shù),在mo膜和si膜的幾何厚度的隨機誤差分別以標準差為δ=0.075nm和δ=0.15nm正態(tài)分布下,應用nsga-ii算法進行寬光譜多層膜的膜系優(yōu)化。圖3給出了以膜系的寬光譜光學性能以及膜層幾何厚度存在隨機誤差時膜系的魯棒性為雙目標的非支配解前沿與進化代數(shù)的關系,其中圖3(a)和圖3(b)分別對應mo膜層和si膜層的膜厚隨機誤差以標準差為δ=0.075nm和δ=0.15nm的正態(tài)分布的結(jié)果。在圖3中,表征多層膜膜系的非支配解集前沿隨著進化的進行而不斷演進,即雙目標的評價系數(shù)均同時不斷減小,特別是在對應膜厚隨機誤差較小的圖3(a)中,遺傳算法進化3000代后,非支配解集前沿仍有明顯的演進,其原因在于膜厚誤差較小,雙目標的進化主要以多層膜的寬光譜反射譜性能的優(yōu)化為主。在圖3(b)中,由于膜厚的隨機誤差較大,多層膜膜系的魯棒性對膜系的寬光譜光學性能進化的制約比較明顯,當進化3000代時,非支配解集前沿的優(yōu)化已不十分明顯,即其已接近雙目標的pareto前沿。另一方面,圖3中的非支配解集反映出多層膜膜系的寬光譜性能和膜系魯棒性之間的制約關系,即在非支配解集前沿中,魯棒性較優(yōu)的膜系的寬光譜反射譜性能一般較差,而光學性能好的膜系的魯棒性較差。
為進一步分析膜厚的隨機誤差對mo/si多層膜得寬光譜反射譜的影響,本發(fā)明采用下式模擬膜層的幾何厚度的隨機誤差為正態(tài)分布時,膜系的反射譜與無膜厚誤差的理論值的偏差的期望值δr和標準差s,即
為了反映本發(fā)明在膜系魯棒性設計方面的優(yōu)勢,分別針對單目標優(yōu)化的最優(yōu)膜系(基于遺傳算法優(yōu)化得到的寬光譜mo/si多層膜膜系,與nsga-ii算法相同,遺傳算法進化3000代)、優(yōu)化的非支配解集中光學性能最優(yōu)的膜系以及解集中魯棒性最優(yōu)膜系,對其寬光譜反射性能以及膜厚隨機誤差對反射譜的影響進行對比分析,圖4和圖5分別對應膜層幾何厚度的隨機誤差分別以標準差為δ=0.075nm和δ=0.15nm的正態(tài)分布時的結(jié)果。在4(a)和圖5(a)中,基于單目標優(yōu)化的最優(yōu)膜系和非支配前沿中膜系的反射光譜平臺在設計的光譜范圍內(nèi)(13nm-15nm)均接近接近理論設計目標,特別是非支配解集中的膜系的反射平臺更加平坦,這說明基于nsga-ii算法的雙目標優(yōu)化算法在膜系的光學性能優(yōu)化方面并不遜色于基于單目標(寬光譜的光學性能)的優(yōu)化算法。但當考慮多層膜膜層厚度的隨機誤差時,魯棒性最優(yōu)的膜系的優(yōu)勢則較為明顯,見圖4(b)和圖5(b)。在圖4(b)中,當多層膜膜厚的隨機誤差以標準差為δ=0.075nm正態(tài)分布時,魯棒性最優(yōu)膜系的寬光譜反射譜反射譜包絡的反射率波動范圍明顯小于基于單目標優(yōu)化的最優(yōu)膜系,這說明基于nsga-ii算法優(yōu)化的多層膜膜系相比基于單目標優(yōu)化的膜系對于膜層誤差的靈敏度均較低,具有較好的魯棒性,這說明采用魯棒性最優(yōu)的多層膜膜系進行鍍膜可以降低由于膜厚控制誤差造成的反射率過低帶來的鍍膜失敗的風險,提高鍍膜的成品率。在圖5(b)中,由于多層膜膜厚的隨機誤差較大(以標準差為δ=0.15nm的正態(tài)分布),所以魯棒性最優(yōu)膜系的上述優(yōu)勢則更加明顯,其反射率的波動范圍明顯優(yōu)于單目標優(yōu)化的膜系。
本發(fā)明所采用基于nsga-ii算法的雙目標優(yōu)化的膜系設計方法完全不同于以往的單目標優(yōu)化的膜系設計方法,一方面,本發(fā)明的膜系設計方法可以同時實現(xiàn)兩個設計目標的同時優(yōu)化,并且在優(yōu)化過程中,目標之間不會互相影響;另一方面,本發(fā)明的膜系設計方法優(yōu)化獲得的非支配解集中含有一系列可供選擇的膜系設計,研發(fā)人員可以結(jié)合自身的鍍膜條件和指標需求選擇適宜的膜系進行鍍制。圖6給出了上述討論所涉及的三種mo/si多層膜的膜系結(jié)構,(a1)和(a2)分別為基于單目標遺傳算法獲得的寬光譜mo/si多層膜的膜系結(jié)構;(b1)和(b2)分別為膜厚隨機厚度誤差以標準差為δ=0.075nm的正態(tài)分布下,基于nsga-ii算法優(yōu)化獲得的接近pareto前沿的非支配解集中寬光譜光學性能最優(yōu)膜系的結(jié)構和魯棒性最優(yōu)膜系的結(jié)構;(c1)和(c2)分別為膜厚隨機厚度誤差以標準差為δ=0.15nm的正態(tài)分布下,基于nsga-ii算法優(yōu)化所獲得的接近pareto前沿的非支配解集中寬光譜光學性能最優(yōu)的膜系結(jié)構和魯棒性最優(yōu)的膜系結(jié)構。對比表明,在非支配解集中的多層膜膜系與單目標優(yōu)化的多層膜膜系存在巨大差別,而非支配解集中的多層膜膜系結(jié)構比較接近。相比之下,當膜厚的隨機誤差較小時,非支配接近中的魯棒性最優(yōu)膜系和光學性能最優(yōu)膜系的結(jié)構非常接近((b1)和(b2));而當膜厚的隨機誤差較大時,魯棒性最優(yōu)膜系和光學性能最優(yōu)膜系的結(jié)構差別較大((c1)和(c2)),反映出膜厚控制誤差對膜系設計的影響。