Development and metrology of extreme ultraviolet and soft x-ray multilayer mirrors

Sertsu, Mewael Giday; Juschkin, Larissa; Nicolosi, Piergiorgio

doi:HT019621755

Development and metrology of extreme ultraviolet and soft x-ray multilayer mirrors = Entwicklung und Charakterisierung von Multilayer-Spiegeln für den extrem ultravioletten Spektralbereich und weiche Röntgenstrahlung

Sertsu, Mewael Giday

2016 & 2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science in Photonics (Ghent University, Belgium) Mewael Giday Sertsu

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (IX, 105 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016. - Dissertation, Padova University, 2016

Cotutelle-Dissertation. - Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Nicolosi, Piergiorgio (Thesis advisor) ; Juschkin, Larissa (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-04-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-056803
DOI: 10.18154/RWTH-2016-05680
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/660953/files/660953.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
EUV and soft X-rays (frei) ; EUV scattering (frei) ; multilayers (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Diese Dissertation befasst sich mit Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Entwicklung und Charakterisierung von Multilayer-Schichtsystemen für extrem ultraviolette Strahlung und weicher Röntgenstrahlung. Im Entwicklungsteil dieser Arbeit werden reflektierende Multilayer für eine Wellenlänge von 6.x nm ausgelegt und realisiert, die Charakterisierung wird jedoch in einem breiteren Spektralbereich durchgeführt. Diese Arbeiten können im Bereich der EUV-Lithografie der nächsten Generation genutzt werden, mit dem Ziel sub-10nm Strukturgrößen herzustellen. Mittels der entwickelten Multilayer-Beschichtungen kann eine spektrale Filterung erzielt werden und somit Strahlung unterhalb von 10 nm nutzbar gemacht werden. Nebenaktivitäten innerhalb dieses Forschungsbereichs befassen sich mit der Ermittlung von neuen Materialkombinationen für Multilayer, die numerische Simulation dieser und die Effizienzmessung bei der betrachteten Arbeitswellenlänge. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf die umfassende Charakterisierung von Multilayern mittels innovativer Ansätze. Herausfordernde Charakterisierungsaufgaben von Multilayer-Beschichtungen finden sich in der Charakterisierung von verborgenen Grenzflächen, Bestimmung von Schicht- und Zwischenschichtdicken und die Ermittlung von bisher unbekannten optischen Konstanten nahe der Absorbtionskanten im betrachteten Wellenlängenbereich. Synchrotron-basierte Reflektometrie unter streifendem Strahlungseinfall nahe der Absorptionskanten dient derzeitig als Hauptmessverfahren um die benötigte Charakterisierung durchzuführen. Hauptvorteile dieses Messverfahrens liegen in der gleichzeitigen Empfindlichkeit in Bezug auf optische und strukturelle Parameter der zu untersuchenden Probe. Die vorgeschlagene EUV Messtechnik ist auch in der Lage, eine durch hochenergetische Photonen verursachten Schaden des Multilayers, hinsichtlich seiner nun reduzierten Effizienz, zu bewerten. Dieses Messverfahren ermöglicht, in Kombination mit traditionellen Messverfahren, das Wachstum von Multilayerschichten hinsichtlich der Zwischenschicht-Diffusion zu charakterisieren. Eine Analyse der chemischen Zusammensetzung und der entsprechenden optischen Eigenschaften des Inter-Diffusion Layer wird in der Nähe der Si LIII-Absorptionskante für Mo/Si und in der Nähe von elementarem Bor (B) für einen B4C/CeO2 Multilayer zum Nachweis der Robustheit der vorgeschlagenen Methode genutzt. Des Weiteren wird innerhalb dieser Arbeit ein laborbasiertes Streulichtmessverfahren für eine Wellenlänge von 13,5nm entwickelt, dass plasmabasierte Gasentladungsquellen nutzt. EUV Streulichtmessverfahren stellen eine robuste Methode zur Bestimmung von Oberflächenrauheiten im mittleren räumlichen Frequenzbereich dar. Oberflächenstrukturen in diesem Frequenzbereich lassen sich aus dem Streulichtsignal von Multilayern extrahieren.

This thesis addresses research works on the development and metrology of multilayer thin-film coatings designed for Extreme Ultraviolet (EUV) and soft X-ray spectral regions. While the development part is limited to reflective multilayers at 6.x nm wavelength, significant part of the thesis is devoted to the metrology of multilayers (MLs) in broader spectral range. The development part focuses on the design and fabrication of MLs of high reflectivity around 6.x nm wavelengths to support below 10 nm half-pitch (HP) patterning of the next generation EUV lithography and tabletop reflectometer for below 10 nm EUV sources. Specific activities under this topic include searching of new candidate materials, numerical design, deposition of the MLs, and performance testing at wavelengths below 10 nm. The second major topic of the thesis focuses on the comprehensive characterization of MLs using innovative approaches. Most challenging questions in ML coatings such as characterization of buried interfaces, determination of layer and interlayer thicknesses, uncertainties of optical constants near EUV and soft X-ray absorption edges are pressing issues. Synchrotron based Grazing-Incidence EUV Reflectometry (GI-EUVR) near absorption edges of one of the component elements in the ML structure is proposed as a major technique to achieve the metrology demands. The strength of GI-EUVR analysis of MLs lies on its simultaneous sensitivity to optical and structural parameters. The proposed EUV metrology method is also capable of evaluating damage analysis of high intensity photons and/or energetic particles on ML performances. In combination with traditional ML characterization techniques, the GI-EUVR enabled characterization of the most challenging buried-interface diffusion processes during multilayer growth. Analysis of chemical composition and corresponding optical properties of inter-diffusion layers is performed near Si LIII - edge for Mo/Si and near elemental boron (B) edge for B4C/CeO2 MLs to demonstrate the robustness of the proposed method. Changes of structural and optical parameters of MLs for applications in astronomical telescopes due to the bombardment of helium particles (4 keV He++ ) that are dominant in the solar corona can be analyzed using the current techniques. Lastly, the thesis deals with the development of tabletop scatterometer experiment around 13.5 nm EUV wavelength based on Xenon gas discharge produced plasma source. EUV scattering measurements at 13.5 nm central wavelength and 2% bandwidth can be simple and fast surface roughness analysis in the mid-spatial frequency range. Surface patterns in the mid-spatial frequency ranges are resolved in the scattered signals from multilayer surfaces.

OpenAccess:
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