REALIZZAZIONE DI MULTILAYER PER LA RADIAZIONE NELL EUV TRAMITE MAGNETRON SPUTTERING DEPOSITION

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1 LABORATORI NAZIONALI DI LEGNARO ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE LABORATORIO DI FISICA DEI MATERIALI REALIZZAZIONE DI MULTILAYER PER LA RADIAZIONE NELL EUV TRAMITE MAGNETRON SPUTTERING DEPOSITION STAGISTI: GRAZIOTTI STEFANO POLLAZZON IVAN LUGLIO 2002

2 Utilizzo dei multilayer per la riflessione nell estremo ultravioletto La riflettività della radiazione dell estremo ultravioletto ad angoli di incidenza normali ha valori molto bassi, dell ordine di 10-4 per quasi tutti i materiali. Con i dispositivi ottici attuali che sono in grado di lavorare in questa regione dello spettro, cioè tra i 2 ed i 40 nm, riusciamo ad ottenere un vantaggio solamente quando si lavora con angoli di incidenza radenti, per cui si verifica la riflessione totale. Per questo in questo laboratorio si cerca di fabbricare ottiche caratterizzate da un elevata riflettività per angoli di incidenza quasi normali nell EUV. I vantaggi derivati dall utilizzo di queste ottiche sono molteplici: - si possono ottenere strumenti per la spettroscopia ottica migliori; - sono utilizzate nell utilizzo di strumenti per la litografia nell EUV; - permetterebbero di lavorare nel range spettrale chiamato water window, che va dai 3 ai 4 nm. Inoltre bisogna ricordare che specchi di questo tipo sono già stati impiegati in un attività di rivelazione della radiazione cosmica, o per ottenere immagini della corona solare ( partecipando all interno del progetto della sonda SOHO ). Tecnica di deposizione magnetron sputtering Durante il periodo di stage presso il laboratorio di fisica dei materiali abbiamo assistito alla realizzazione di film multistrato di Si/Mo tramite una tecnica di deposizione denominata magnetron sputtering. Con il termine sputtering si indica un fenomeno fisico di erosione di un materiale di partenza, che viene chiamato target, in seguito ad un bombardamento di particelle energetiche, nella maggior parte dei casi ioni. Le particelle emesse

3 in seguito a questo processo sono state utilizzate per ricoprire substrati in Si per depositare film sottili, i quali potevano essere dello spessore e della composizione desiderati. I gas ionizzati per la deposizione sono stati Ar e Xe. Abbiamo potuto apprendere che il bombardamento del target da parte degli ioni può innescare i seguenti processi: - Emissione di atomi del target, cioè lo sputtering; - Il fenomeno dei reflected neutrals, cioè la riflessione degli ioni incidenti e la loro neutralizzazione; - Emissione di elettroni secondari, in seguito all impatto degli ioni; - Lo ione incidente si impianta nel target, senza dare emissione di atomi. Gli atomi che vengono emessi dal target in seguito al bombardamento ionico possono raggiungere il substrato di silicio e depositarsi. Tramite questo otteniamo film multilayer sottili.

4 Il percorso che porta all erosione del target consiste in collisioni tra particelle. Affinché un atomo possa essere emesso dal bersaglio, il suo vettore momento deve essere diretto nella direzione opposta a quella degli ioni incidenti. Per questo motivo è necessario che l energia dello ione incidente venga trasmessa agli atomi del target attraverso molte collisioni, le quali si estendono in uno strato di materiale compreso tra i 50A ed i 100Α. Perciò l energia dell atomo emesso è minore di quella degli ioni incidenti. Struttura della camera di deposizione Per produrre i multilayer Si/Mo abbiamo utilizzato un apparato di sputtering che è costituito dalla camera di deposizione in acciaio inox, la quale è collegata a due pompe: quella rotativa è la prima ad entrare in funzione e permette di raggiungere una pressione dell ordine di 10-3 mbar; in seguito si attiva la turbomolecolare che è in grado di raggiungere pressioni dell ordine di 10-7 mbar. Infine per raggiungere pressioni di base di un ordine di grandezza inferiore abbiamo effettuato per alcuni minuti lo sputtering al Ti, nella parte sinistra della camera. Infatti la camera di deposizione è divisa in due parti da uno schermo. Nella parte sinistra sono montate due sorgenti comandate in alimentazione continua (DC magnetron sputtering), con target di Ti, e una trappola di azoto liquido: questo equipaggiamento permette appunto di migliorare ulteriormente le condizioni di vuoto nell intera camera. Le deposizione avvengono nella parte destra della camera,dove sono montati due target circolari, del diametro di 5 cm, di Si e Mo. Queste sorgenti vengono alimentate in potenza alternata (RF magnetron sputtering) tramite due generatori indipendenti.

5 Per produrre gli specchi multilayer si possono adottare due diverse configurazioni: - Geometria confocale; - Geometria perpendicolare. Nel primo caso vengono utilizzati due target inclinati e si può effettuare una sola deposizione per volta (durante la nostra permanenza al Laboratorio di Fisica dei Materiali abbiamo assistito solamente a deposizioni che utilizzavano la geometria confocale ). Il sistema a geometria perpendicolare è caratterizzato da due target piani ed il portacampioni può ruotare attorno al proprio asse; in questo modo possiamo ottimizzare i tempi, perché per ogni deposizione si riescono a produrre due specchi. In questa configurazione è previsto l ausilio di un computer per sincronizzare l apertura e la chiusura degli shutter con la rotazione dell albero dei portacampioni. La movimentazione è garantita da tre stepping-motor. L albero di rotazione è realizzato in alluminio ed è imperniato in una piastra di supporto, anch essa in alluminio, tramite un cuscinetto a sfera. L estremità inferiore dell albero è collegata con un giunto ad un passante di rotazione, montato su un apposita flangia, che trasmette il moto impartito dallo stepping-motor. L albero di trasmissione entrando in azione muove un braccio che supporta due portacampioni circolari in rame, che vengono isolati elettricamente. Inoltre gli shutter sono comandati da due mortori di tipo RS gamma HSX. Tutti i motori vengono controllati da due schede elettroniche programmabili. Queste schede assicurano la totale automazione del processo di deposizione, poiché sono interfacciate con un computer che gestisce i tempi di apertura e chiusura degli shutter e le rotazioni dell albero i rotazione La camera di deposizione è provvista di un sistema di raffreddamento ad acqua che viene acceso nel corso delle deposizioni. Infatti le sorgenti magnetron devono essere mantenute ad una bassa temperatura per evitare che si smagnetizzino.

6 Il plasma come sorgente di ioni nei processi di sputtering Il plasma è un gas parzialmente o totalmente ionizzato, che nell insieme si presenta neutro. Il numero di ioni diviso per il numero totale di atomi ci permette di conoscere il grado di ionizzazione del plasma, mentre il numero di ioni per unità di volume rappresenta la sua densità. Nei processi di sputtering a cui abbiamo assistito sono stati impiegati plasmi debolmente ionizzati, detti scariche a bagliore, poiché emettono una radiazione luminosa. Questi plasmi sono caratterizzati da un grado di ionizzazione compreso tra 10-3 e 10-6 densità che variano tra 10 8 e ioni/cm 3. Il modo più semplice per innescare una scarica a bagliore è quello di applicare un determinato potenziale V tra due elettrodi piani, affacciati, in presenza di un gas rarefatto. Successivamente all innesco, il plasma tende a raggiungere uno stato stazionario attraverso un processo di autosostenimento della scarica, permesso dall emissione di elettroni secondari. Questi elettroni secondari, che sono emessi in seguito agli urti tra le cariche libere e le superfici degli

7 elettrodi, vanno incontro ad un meccanismo di moltiplicazione a catena degli eventi di ionizzazione; ciò accade in seguito ad urti anelastici che si verificano tra le specie costituenti il plasma. Inoltre affinché si riesca a mantenere attiva la scarica, i processi di ionizzazione avvengono con la stessa frequenza delle perdite di specie ionizzate. Sorgenti magnetron Durante lo studio di questi processi di deposizione abbiamo potuto apprendere che se le sorgenti per lo sputtering utilizzano l effetto confinante che un campo magnetico esercita sulle cariche libere, la densità del plasma può aumentare. Le sorgenti di questo tipo sono dette Magnetron, da cui deriva il nome della tecnica di deposizione: Magnetron Sputtering. Per riuscire a confinare il plasma nelle regioni vicine ai target di Si e Mo vengono creati campi magnetici dell ordine delle centinaia di Gauss. Per fare ciò si dispone di un array di magneti che riescono così a condizionare le linee di campo parallelamente alla superficie del catodo. Un vantaggio che deriva dall utilizzo di sorgenti magnetron è che tra una sorgente di questo tipo e una di tipo tradizionale (diodo), si può notare che a parità di voltaggio applicato, la corrente di sputtering è maggiore per le sorgenti magnetron; questo va tutto a vantaggio dello sputtering rate, cioè la velocità di bombardamento ionico. Tuttavia l utilizzo di questo tipo di sorgenti presenta anche degli svantaggi: il principale problema è che si nota una disomogeneità delle tracce di erosione dei target, a causa del sconfinamento del plasma lungo le linee di campo magnetico. Inoltre in alcune circostanze, ad esempio quando la distanza tra il target ed il substrato è minima, queste disomogeneità si possono trasferire al multilayer che stiamo creando. Per ovviare a ciò è necessario porre il substrato su cui stiamo lavorando ad una distanza adeguata.

8 Percorso di un campione di Si I due substrati vengono ricavati dall intaglio di un wafer di silicio tramite una punta di diamante. I due specchi vengono poi posti sui due portacampioni e, chiusa la camera e arrivati ad un vuoto dell ordine di 10-8 mbar, si inizia la deposizione. Una tipica struttura multistrato Si/Mo è costituita da circa 50 periodi e per incidenza normale ha una riflettività teorica di circa 73%. Durante lo stage abbiamo però assistito ad alcune deposizioni da 80 strati e 40 periodi. Abbiamo potuto controllare i depositino rate aggiustando la potenza fornita alle sorgenti, la distanza target- substrato e la pressione di lavoro in camera. Come gas abbiamo impiegato generalmente l Ar, che consente un buon compromesso tra pressione di lavoro e i costi. Inoltre è molto importante che il multistrato, se sottoposto a riscaldamento, rimanga stabile. Infatti uno specchio al lavoro è investito tipicamente da una radiazione EUV, che può dare luogo a gradienti termici elevati. In alcuni casi abbiamo effettuato il trattamento termico a temperature di 400 C-500 C, per comprendere il fenomeno dell interdiffusione tra gli strati ad alte temperature.. Inoltre abbiamo potuto apprendere che precedentemente erano stati effettuati dei trattamenti termici su multilayer Si/Mo di due tipi: il primo di tipo rapido, il secondo di tipo prolungato, in atmosfera controllata. Nel caso di riscaldamento rapido, i multilayer non hanno presentato trasformazioni all interfaccia, dopo un annealing di 30 secondi a 400 C; mentre riscaldamenti di 30 secondi a 450 C e a 500 C hanno attivato fenomeni di cristallizzazione delle interfaccie amorfe. In entrambi i casi è stato appurato che la fase cristallina che si forma è MoSi 2. Infine dopo queste procedure i campioni vengono posti in appositi contenitori, i quali sono messi a loro volta all interno di ampolle di vetro messe sotto vuoto per evitare che aria ed altre sostanze rovinino i multistrati e quindi ne compromettano il successivo funzionamento.

9 Programma SRIM Per comprendere meglio cosa accade all interno del target durante un bombardamento ionico e per vedere le direzioni seguite dagli Sputtered Atoms ci siamo serviti di un programma chiamato SRIM che ci ha permesso di osservare in ogni momento la situazione virtuale che si presterebbe durante una deposizione tramite magnetron sputteing. I grafici che seguono sono i risultati di una simulazione utilizzando come gas ionizzante Ar, come layer Si, con un numero totale di ioni incidenti pari a aventi energia 500 ev, e utilizzando un target dell ordine dei 100 A. fig.1: visione longitudinale lungo gli assi XY

10 fig.2: visione dall alto del bombardamento ionico sul target fig.3: visione della traiettoria degli ioni all interno del target

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14 RINGRAZIAMENTI Durante questo stage abbiamo potuto capire alcune attività che si svolgono in un Istituto di Fisica Nucleare e tutto quello che ora sappiamo lo dobbiamo a chi ci ha seguito costantemente giorno per giorno ed è stato disponibile con noi, per questo dobbiamo ringraziare: il Dott.Valentino Rigato, Salmaso Guido, Enrico Negro,Alberto Vomiero,Valentina, Jacopo Ravagnan,Gianluigi, Simone.