深紫外大口徑非球面反射膜的均勻性研究

2022-09-07 06:54:30潘永剛林兆文付秀華

中國光學 2022年4期

潘永剛，林兆文*，王奔,3，付秀華,2

（1. 長春理工大學中山研究院, 廣東中山 528437；2. 長春理工大學光電工程學院, 吉林長春 130022；3. 中山吉聯光電科技有限公司, 廣東中山 528437）

1 引言

光刻技術推動著現代微電子技術的發展，光刻曝光光學系統以摩爾定律的速度不斷刷新分辨率記錄，而深紫外光刻機技術的瓶頸極大地限制了其發展[1-6]。深紫外光刻機的投影物鏡通常包含20～30 套超高精度的非球面鏡片，每套鏡片的透過率或反射率降低0.1%，就會嚴重影響光刻機的整體性能[7-9]。特別是如果反射鏡均勻性不好，導致不同位置反射率不同，就會急劇增加光刻誤差，因此沉積高均勻性、高質量的大口徑非球面反射膜成為了研究熱點。膜厚均勻性是膜層厚度在基板表面位置變化的分布，主要受蒸發源和基板的距離以及蒸發源蒸汽特性的影響，如果膜厚不均勻，則對薄膜特性有嚴重的影響[10-12]。

電子束蒸發沉積（Electron Beam evaporation，EB）系統是當前應用最廣的大尺寸高反膜沉積方法[13]。文獻[14-15] 對膜厚均勻性進行了研究，旋轉工件盤或公自轉行星系統能增強膜厚的均勻性，但是制備大面積高要求的光學薄膜時，則需要輔助修正擋板來改善膜厚均勻性。大多數做法是將現有公式輸入計算機中進行計算，得出的數值都是近似理論值，能夠模擬規律，但是無法量化。大多修正擋板都是依據經驗設計的，在優化過程中費時費力，且精度不高。本文針對公自轉行星蒸發沉積設備，研究了蒸發源的發射特性和設備的機械結構。利用Mathcad 建立高精度的數學及物理模型，提出了一種新的擋板設計方法，極大地提高了薄膜制備均勻性的修正效率與準確性。本文設計的自動修正薄膜均勻性程序，不僅能夠準確地計算不同設備的薄膜均勻性分布，還創新性地添加了自動優化擋板功能。該程序能夠根據不同的設備、材料、工藝條件、基板形狀自動生成擋板輪廓圖，對提高大尺寸鏡片膜厚均勻性的修正效率和精度具有指導性意義。

2 膜厚分布

對于EB 沉積系統，蒸發源主要分為3 種：向各個方向均勻分布點源、遵循余弦分布的小面源和擴展源[16]。實際上，不存在理想點蒸發源。當源面積相對距離較小或蒸發距離較遠時，源的尺寸可以忽略不計，將蒸發源等同于服從余弦分布的點源。當源面積相對距離較大，或蒸發距離較近時，應考慮到蒸發源的表面積，等同于擴展源。

對于小面源，基板上某點的膜厚分布ts可以表示為[17]：

式中m是材料的總質量，r是蒸發距離， φ是蒸發角， θ 投影角， μ 是材料密度，n表示蒸發特性參數，n與蒸發材料、蒸發速率、坩堝形狀、蒸發設備的機械結構有關。

對于擴展源，需要對蒸發源的面積進行積分，膜厚分布te為：

式中P(x,y) 為蒸發源表面積。

3 程序模擬

本文所研究的薄膜沉積設備為公自轉行星結構，如圖1 所示。

圖1 公自轉行星機構示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the rotational planetary mechanism

行星旋轉機構的膜厚更均勻的原因在于其各點的運動軌跡基本相同，如圖1 所示，蒸發源平面為XOY面，公轉旋轉軸是z軸，創建三維坐標系。蒸發源距離原點的位置是L，蒸發距離是r，自轉轉盤高度是H，蒸發角是 φ，投影角是θ，基板上任一點P與自中心軸的距離是ρ，t是轉動時間，主輪公轉角速度為 ω1，行星軸自轉角速度為ω2，自轉軸到公轉主軸的距為D。

3.1 運動軌跡確定

流程圖如圖2 所示，已知蒸發源坐標為（0,L,0），基板任一點P的運動軌跡與時間t和轉速ω有關。按照其幾何函數關系可以計算出蒸發距離，蒸發角和投影角，如表1 所示。

圖2 膜厚模擬程序流程圖Fig. 2 The flow chart of film thickness simulation

表1 公自轉行星結構運動軌跡Tab.1 The orbit of revolution of a planetary structure

蒸發源坐標是Ps，根據圖2 和表1 可以得到該機構的相對膜厚分布。

3.2 修正擋板設計

不同的擋板形狀對蒸發區域遮擋的面積不同，使膜厚相對較薄的部分少遮擋，膜厚相對較厚的部分多遮擋，進而優化膜厚均勻性。設定函數Rate，如果該區域未被擋板遮擋則Rate=1，否則Rate=0。考慮到擋板非水平放置的情況，常規算法無法判定，本文通過進行坐標變換建立模型來解決該難題，如圖3 所示。

圖3 坐標轉換示意圖Fig. 3 The plot of coordinate transformation

將原坐標系平面變換為擋板平面，則基板任一點P的坐標和蒸發源Ps的坐標在擋板平面坐標變換后對應的Pnew和Psnew，可表示為：

坐標變換后，X′O′Z′即是擋板所在平面，這樣更容易判斷Pnew與Psnew兩點的連線是否穿過新變換后的X′O′Z′。

其中ytop、xbox和xtop分別表示在擋板平面坐標內擋板在y和x方向上的邊界坐標值。

對時間t疊加求和得到膜厚表達式：

時間間隔取0.000 01 s/次。

3.3 蒸發特性確定

該實驗使用的設備為光馳OTFC1300，蒸發系統配有雙電子槍、真空系統使用低溫泵、干泵組成無油系統，輔助系統配有射頻離子源，膜厚控制系統配Inficon 晶控系統，設備真空室布局及尺寸如圖4 所示。

圖4 OTFC-1300 公自轉行星設備示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the OTFC-1300 revolution planetary instrument

首先在無擋板狀態下分別沉積一層700 nm的HfO2和SiO2薄膜，利用Macleod 模擬材料的蒸發特性n。厚度用相對膜厚表示，相對膜厚是指基板上任意一點的厚度與旋轉子軸中心點膜厚的比值。如圖5 所示，HfO2最佳的n值為n=2.37，SiO2最佳的值為n=1.7。（工藝條件與制備鏡片相同）

圖5 （a）HfO2 和（b）SiO2 的相對膜厚分布Fig. 5 The relative film thickness distributions of (a) HfO2 and (b) SiO2

4 反射鏡的制備及驗證

深紫外大口徑非球面反射鏡的技術參數如表2 所示。大口徑反射鏡不只對反射率要求較高，對膜厚均勻性同樣有著極高的要求，光刻機使用的紫外大口徑非球面反射鏡要求膜厚均勻性優于0.5%。

表2 大尺寸非球面反射鏡技術參數Tab.2 The technical parameters of the large asphericalmirror

4.1 均勻性修正

鏡片裝夾方式如圖6（a）所示，由于大尺寸非球面鏡片很難直接測量鏡片上各個區域的反射率，需要利用陪鍍片測量，然而加工非球面夾具難度太大，該鏡片旋轉對稱，所以加工符合非球面截面方程的長方條夾持陪鍍片即可驗證均勻性，如圖6（b）所示，裝夾10 個陪鍍片，驗證其均勻性。

圖6 裝夾示意圖Fig. 6 The clip diagram

鏡片的非球面方程為

式中：c=-0.000 788 369 96 ，k=-0.995 5±0.001。

將非球面方程(7) 代入表1 進行聯合求解，利用程序模擬出擋板形狀，如圖7 所示。

圖7 擋板形狀示意圖Fig. 7 The sketch of the baffle shape

4.2 薄膜制備

根據反射鏡的指標要求，金屬膜達不到反射率要求，所以選介質材料HfO2和SiO2作為高低折射率材料制備薄膜，膜系設計如圖8 所示。

圖8 薄膜厚度分布Fig. 8 The film thickness distribution

由于HfO2材料受熱后晶體方向會發生變化，致使應力較大并且蒸發過程中容易噴濺，因而在未全部融化的情況下沉積薄膜，會產生節瘤，而用Hf 充O2鍍制的HfO2薄膜，具備節瘤少、應力小的優點[13]，所以實驗采用99.95% 純度的金屬Hf 作為原材料沉積HfO2薄膜，具體工藝參數如表3 所示。

表3 薄膜制備工藝參數Tab.3 The process parameters of thin film preparation

最終制備的薄膜使用Cary7000 分光光度計測試絕對反射率，光譜曲線如圖9（彩圖見期刊電子版）所示，230～300 nm 平均反射率為98.3%，測量不同位置的10 個陪鍍片，均勻性誤差為0.37%，滿足技術參數要求。均勻性誤差定義為對應點的漂移變化量除以對應點的波長，計算時采用波長243 nm 處波峰漂移數據計算。