極紫外光刻系統(tǒng)物鏡光學(xué)元件的支撐與分析

王 輝

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林長(zhǎng)春 130033)

1 引 言

集成電路制造技術(shù)一直按照“摩爾定律”不斷向前發(fā)展,2010年已進(jìn)入 45 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)。隨著光刻技術(shù)進(jìn)入 32 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn),極紫外光刻(EUVL)技術(shù)作為極大規(guī)模集成電路光刻工藝主流技術(shù)的地位日益顯現(xiàn)[1]。EUVL技術(shù)是193 nm深紫外光刻 (DUVL)技術(shù)向 13.5 nm EUV更短波段的合理延伸,其最大限度地集成了傳統(tǒng)光刻技術(shù)的發(fā)展成果。但是由于工作于波長(zhǎng)更短的EUV波段,EUVL對(duì)非球面加工、面形檢測(cè)、極紫外多層膜、物鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)波像差檢測(cè)等技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[2,3]。

EUVL系統(tǒng)必須達(dá)到衍射極限分辨率的要求,根據(jù) Marechal判據(jù),系統(tǒng)波前偏差應(yīng)小于λ/14,即小于 1 nm(RMS),對(duì)應(yīng)于四鏡系統(tǒng),單個(gè)反射面面形要求為 0.25 nm(RMS),對(duì)應(yīng)于六鏡系統(tǒng)則更為嚴(yán)格,單個(gè)反射面面形要求為0.20 nm(RMS)[4〗。上述多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)中,物鏡支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和支撐方案選擇與最終能否實(shí)現(xiàn)該面形要求直接相關(guān)。

國(guó)外方面,荷蘭 AS ML公司于 2005年研制出世界首臺(tái)產(chǎn)業(yè)化原型樣機(jī)ADT,并于 2010年研制出產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)級(jí)系統(tǒng) NXE3100。日本 Nikon和Canon也緊隨其后,相繼進(jìn)入了 EUVL產(chǎn)業(yè)化評(píng)估階段[5,6]。由于起步較晚,我國(guó)目前還處于關(guān)鍵技術(shù)積累階段。

在 EUVL物鏡支撐結(jié)構(gòu)領(lǐng)域,尤其是到了0.20 nm(RMS)面形量級(jí)水平,國(guó)內(nèi)的研究工作非常有限,而國(guó)外的文獻(xiàn)中多數(shù)也僅涉及到支撐方案選擇以及所能達(dá)到的效果,很少涉及到具體的支撐結(jié)構(gòu)性能分析和支撐方案中關(guān)鍵問(wèn)題的處理。為了滿足極紫外光刻系統(tǒng)對(duì)物鏡機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)的要求,本文針對(duì)于上述兩個(gè)方面的問(wèn)題進(jìn)行了具體的研究,以期能夠?yàn)闃O紫外光刻系統(tǒng)物鏡光學(xué)元件支撐的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供一定參考。

2 物鏡支撐原理與支撐方案

2.1 實(shí)際應(yīng)用支撐設(shè)計(jì)

對(duì)于物鏡系統(tǒng)而言,機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)極為重要,它直接決定著投影物鏡的光學(xué)性能。支撐方法應(yīng)盡可能少地引入不可預(yù)測(cè)的面形變化[7],對(duì)于環(huán)境變化尤其是溫度和振動(dòng)不能過(guò)于敏感[8],并且光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)于整體坐標(biāo)系能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位。另外,支撐方法還要滿足短期和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性要求,由于工作在真空環(huán)境中,要求系統(tǒng)不能放氣,且允許鏡體與支撐結(jié)構(gòu)安裝與分離。

運(yùn)動(dòng)學(xué)支撐方案能夠很好地滿足物鏡系統(tǒng)對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)的苛刻要求[9]。如圖1所示,運(yùn)動(dòng)學(xué)支撐中鏡體采用三點(diǎn)支撐,每點(diǎn)限制軸向和切向2個(gè)自由度,系統(tǒng)整體約束 6個(gè)自由度,實(shí)現(xiàn)了精確約束;由于其三切向約束力臂最長(zhǎng)且相等,保證了設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和平衡性。對(duì)于局部單個(gè)支撐點(diǎn)來(lái)說(shuō),理想情況下每點(diǎn)都具有 4個(gè)自由度,可以實(shí)現(xiàn)局部無(wú)應(yīng)力支撐的要求。理想情況下,在約束方向上具有完全的剛性,非約束方向上完全不存在摩擦阻力等因素影響,因此該結(jié)構(gòu)具有完全的重復(fù)性。

圖1 理想運(yùn)動(dòng)學(xué)支撐示意圖Fig.1 Schematic map of ideal kinematic mount

運(yùn)動(dòng)學(xué)支撐具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,各向自由度功能依靠各種形式的片體結(jié)構(gòu)和柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn),元件定位功能依靠總體串并聯(lián)結(jié)構(gòu)整體剛度實(shí)現(xiàn),如圖2(a)所示的雙腳架支撐結(jié)構(gòu),圖2(b)所示的片體支撐結(jié)構(gòu)以及圖2(c)所示的組合支撐結(jié)構(gòu)。在實(shí)現(xiàn)前述極紫外光刻系統(tǒng)對(duì)物鏡機(jī)械支撐的要求方面,這些結(jié)構(gòu)各具特色[10,11]。

圖2 實(shí)際運(yùn)動(dòng)學(xué)支撐結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Kinematic mount structures used in lithographic camera

2.2 檢測(cè)加工支撐設(shè)計(jì)

極紫外光刻系統(tǒng)對(duì)實(shí)際支撐條件下面形要求極端苛刻,重力環(huán)境等因素對(duì)面形影響非常嚴(yán)重,常用的解決方案是對(duì)帶實(shí)際支撐的光學(xué)元件進(jìn)行原位面形檢測(cè),為面形加工提供參考數(shù)據(jù),加工檢測(cè)不斷迭代收斂直至滿足面形要求,以此來(lái)消除重力等因素的影響。

該過(guò)程中被檢測(cè)元件需要不斷與支撐設(shè)備分離,所以由接觸、摩擦等因素引起的面形不確定性成為影響干涉儀檢測(cè)重復(fù)性的一個(gè)重要因素,特別是到了 0.25 nm(RMS)的面形量級(jí),這些因素的影響不可忽略。因此在面形檢測(cè)過(guò)程中,需要有特殊設(shè)計(jì)的檢測(cè)支撐結(jié)構(gòu),且特別要保證支撐結(jié)構(gòu)具有高重復(fù)性[12]。

如圖3所示的高重復(fù)性檢測(cè)支撐,由于采用了高精度滾動(dòng)軸承運(yùn)動(dòng)學(xué)支撐結(jié)構(gòu),檢測(cè)過(guò)程中接觸及隨機(jī)摩擦力將比實(shí)際支撐小一個(gè)數(shù)量級(jí),使得該結(jié)構(gòu)在檢測(cè)加工過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)好于0.1 nm(RMS)的面形重復(fù)性。

圖3 高重復(fù)性檢測(cè)支撐結(jié)構(gòu)圖Fig.3 High repeatability mount used in optic measurement

3 支撐方案關(guān)鍵問(wèn)題對(duì)面形的影響

對(duì)于物鏡系統(tǒng)而言,支撐結(jié)構(gòu)性能和支撐方案實(shí)現(xiàn)過(guò)程對(duì)最終面形實(shí)現(xiàn)均有直接影響。因此需要考慮支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),同時(shí)控制光學(xué)元件和支撐結(jié)構(gòu)的裝配過(guò)程,使影響面形的干擾因素盡量少地引入到系統(tǒng)中,以實(shí)現(xiàn)裝配后鏡面符合 0.25 nm(RMS)的面形要求,同時(shí)能夠精確定位面形相對(duì)于裝配基準(zhǔn)的空間位置關(guān)系。

3.1 支撐結(jié)構(gòu)定位對(duì)面形影響的分析

由于元件加工周期等原因,鏡體往往采用支撐凸臺(tái)和光學(xué)元件相粘接的形式,這可能引起接觸球位置的不確定性,同時(shí)機(jī)械和光學(xué)元件也有一定的加工公差范圍[13]。這些因素均會(huì)對(duì)光學(xué)元件和支撐結(jié)構(gòu)的裝配定位精度產(chǎn)生影響。表1為運(yùn)用有限元分析方法得到的支撐裝置加工裝配關(guān)鍵參數(shù)對(duì)面形影響的靈敏度分析。

由表1可以看出,在支撐結(jié)構(gòu)的加工和裝配過(guò)程中,接觸副位置偏差和片體厚度偏差對(duì)最終面形的影響最為嚴(yán)重?？紤]到接觸副位置偏差可以通過(guò) CMM進(jìn)行在線檢測(cè)修正,該支撐方案中面形最敏感的部分為片體厚度偏差,因此需要在支撐結(jié)構(gòu)公差分配中予以考慮,同時(shí)采用電火花線切割技術(shù)實(shí)現(xiàn)片體厚度和加工精度。這些措施的實(shí)施可確保由于運(yùn)動(dòng)學(xué)支撐條件改變而引起的面形變化在允許范圍內(nèi)。

表1 加工裝配參數(shù)對(duì)面形影響的分析及誤差分配Tab.1 Analysis on effect of parameters on optic figure and error distribution

3.2 接觸副殘余摩擦力對(duì)面形影響的分析

支撐裝配方案包含球錐接觸過(guò)程,該過(guò)程產(chǎn)生的摩擦力會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)計(jì)的隨機(jī)面形變化,因此最終面形是不確定的量,不確定范圍 (重復(fù)性)受殘余摩擦力影響,同時(shí)也受裝配方法的影響。有限元仿真分析結(jié)果顯示,面形應(yīng)達(dá)到0.25 nm(RMS)的量級(jí)水平,裝配過(guò)程接觸面所產(chǎn)生的干擾扭矩應(yīng)好于 1×10-3N·m量級(jí)。實(shí)現(xiàn)上述苛刻的面形要求必須采取措施減少接觸過(guò)程中摩擦力對(duì)面形的影響。一方面,考慮對(duì)接觸面做表面處理,通過(guò)減小摩擦系數(shù)的方法減小殘余摩擦力。由于到物鏡系統(tǒng)要求在真空環(huán)境下工作,接觸副不能采用潤(rùn)滑劑,因此采用在接觸表面鍍二硫化鉬的方法使摩擦系數(shù)減低 0.1左右。另一方面,從裝配方案的角度來(lái)減小摩擦力的影響。傳統(tǒng)的裝配方案中,鏡體直接放置于柔性雙腳架之上,兩者通過(guò)球錐副發(fā)生接觸。接觸過(guò)程中伴隨有鏡體面形變化和支腿狀態(tài)變化,面形穩(wěn)定后鏡體處于近似運(yùn)動(dòng)學(xué)約束狀態(tài),此時(shí)鏡體中含有的殘余摩擦力等干擾因素對(duì)面形的影響可以表示為:

其中,Mf1表示傳統(tǒng)裝配過(guò)程中鏡體中所引入的干擾扭矩,Kmirror表示鏡體剛度。

對(duì)傳統(tǒng)裝配方案進(jìn)行優(yōu)化,鏡體安裝過(guò)程分成兩個(gè)階段,第一階段結(jié)合工裝措施實(shí)現(xiàn)柔性支架剛性化,該支撐形式穩(wěn)定后處于非運(yùn)動(dòng)學(xué)約束狀態(tài),其面形中含有由于過(guò)約束而造成的面形變化,同時(shí)也含有殘余摩擦力等干擾因素所引起的面形變化,此時(shí)殘余摩擦力造成的影響與式 (1)基本相同;第二階段去除工裝,支腿恢復(fù)各向柔性,上述由于過(guò)約束和殘余摩擦力而造成的鏡體局部應(yīng)力共同有很大一部分傳遞至柔性支腿中,此時(shí)仍作用于鏡體的殘余摩擦力與支腿局部剛度相關(guān),如式 (2)所示,穩(wěn)定后鏡體處于近似運(yùn)動(dòng)學(xué)約束狀態(tài),殘余摩擦力造成的影響變?yōu)槭?(3)的形式。

其中,Mf2表示優(yōu)化裝配過(guò)程中鏡體中所引入的干擾扭矩,Kmirror表示鏡體剛度,Kleg表示支鏈剛度。

經(jīng)過(guò)特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),支腿各向剛度遠(yuǎn)小于鏡體剛度,顯然由式 (3)可知優(yōu)化方案通過(guò)將鏡體安裝分為兩個(gè)階段,殘余摩擦扭矩對(duì)面形的影響進(jìn)一步減小,使得摩擦力和其他不可控的干擾因素對(duì)面形的影響進(jìn)一步降低。

另外,還可以對(duì)裝配后的系統(tǒng)整體施加高頻微幅振動(dòng),使得接觸面靜摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦,通過(guò)減小摩擦力來(lái)減小摩擦對(duì)面形的影響。

4 物鏡支撐結(jié)構(gòu)性能分析

4.1 建立支撐結(jié)構(gòu)有限元模型

在支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和方案分析過(guò)程中,隨著面形要求達(dá)到深亞納米量級(jí)的水平,光學(xué)元件中由支撐結(jié)構(gòu)引入的機(jī)械應(yīng)力和細(xì)微溫度變化引入的熱應(yīng)力均需予以考慮。有限元方法能夠?qū)@些細(xì)微影響進(jìn)行有效的量化分析,為支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和支撐方案選擇提供參考依據(jù),下面針對(duì)圖2(a)所示支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模與分析。

建模過(guò)程中對(duì)次要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理想化構(gòu)建,模型中相應(yīng)結(jié)構(gòu)分別賦予了微晶玻璃,超銦鋼和環(huán)氧樹脂 3種材料屬性,如圖4所示,為了更好地模擬環(huán)氧樹脂的性質(zhì),在膠層厚度方向上細(xì)劃了4層網(wǎng)格,其它支撐結(jié)構(gòu)模型建立過(guò)程相似。

圖4 光學(xué)元件支撐結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.4 Finite element model for mount of optical element

4.2 重力場(chǎng)下支撐結(jié)構(gòu)性能分析結(jié)果

如前所述,為了消除重力環(huán)境對(duì)面形的影響,需要特殊設(shè)計(jì)高重復(fù)性檢測(cè)用支撐結(jié)構(gòu),其性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)是重力場(chǎng)下與實(shí)際支撐結(jié)構(gòu)面形的接近程度。因此,對(duì)圖2(a)和圖3所對(duì)應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析評(píng)估,如圖5所示。結(jié)果顯示兩支撐結(jié)構(gòu)在重力環(huán)境下支撐出的元件面形基本相同,面形相差 0.002 6 nm(RMS),說(shuō)明忽略摩擦情況下檢測(cè)支撐與實(shí)際支撐均滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)支撐條件,符合物鏡系統(tǒng)對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的要求。

圖5 重力場(chǎng)下支撐結(jié)構(gòu)性能分析結(jié)果Fig.5 Performance ofmounts in gravitational field

4.3 常規(guī)溫控條件下結(jié)構(gòu)熱性能分析結(jié)果

為了達(dá)到衍射極限分辨率,物鏡系統(tǒng)對(duì)工作環(huán)境尤其是溫控環(huán)境有著嚴(yán)格的要求。對(duì)于物鏡系統(tǒng)而言,要求首先在溫控條件下鏡體自身變形很小,同時(shí)要求支撐結(jié)構(gòu)由于溫度變化產(chǎn)生的變形而引起的鏡體變形也要足夠小。圖6所示的系統(tǒng)熱變形分析結(jié)果表明,系統(tǒng)溫度變化0.05℃與鏡體單獨(dú)變化 0.05℃面形變化基本相同,由機(jī)械結(jié)構(gòu)熱變形引起的鏡體面形變化為 0.001 nm(RMS)量級(jí)水平。說(shuō)明通過(guò)支撐裝置選用銦鋼或超銦鋼材料,采用運(yùn)動(dòng)學(xué)支撐結(jié)構(gòu),同時(shí)配合環(huán)氧樹脂粘接層結(jié)構(gòu),支撐裝置在溫度變化過(guò)程中對(duì)鏡體的影響很小,滿足物鏡系統(tǒng)對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的要求。

圖6 常規(guī)溫控條件下結(jié)構(gòu)熱性能分析結(jié)果Fig.6 Performance ofmounts in conventional temperature conditions

5 結(jié) 論

本文分析了符合運(yùn)動(dòng)學(xué)支撐要求的物鏡實(shí)際支撐結(jié)構(gòu)和面形檢測(cè)用支撐結(jié)構(gòu)。針對(duì)支撐結(jié)構(gòu)性能分析和支撐方案中兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的處理進(jìn)行了深入研究,并提出了相應(yīng)解決方案,為極紫外光刻系統(tǒng)物鏡光學(xué)元件支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)評(píng)估提供了有價(jià)值的參考。各支撐結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果顯示,通過(guò)對(duì)支撐方案總關(guān)鍵問(wèn)題的合理處理,運(yùn)動(dòng)學(xué)支撐結(jié)構(gòu)熱力性能和力學(xué)性能良好,能夠滿足極紫外光刻系統(tǒng)對(duì)于物鏡機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)的要求。

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