深紫外大口徑非球面反射膜的均勻性研究

潘永剛，林兆文*，王 奔,3，付秀華,2

（1. 長(zhǎng)春理工大學(xué)中山研究院, 廣東 中山 528437；2. 長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130022；3. 中山吉聯(lián)光電科技有限公司, 廣東 中山 528437）

1 引 言

光刻技術(shù)推動(dòng)著現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展，光刻曝光光學(xué)系統(tǒng)以摩爾定律的速度不斷刷新分辨率記錄，而深紫外光刻機(jī)技術(shù)的瓶頸極大地限制了其發(fā)展[1-6]。深紫外光刻機(jī)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(guò)率或反射率降低0.1%，就會(huì)嚴(yán)重影響光刻機(jī)的整體性能[7-9]。特別是如果反射鏡均勻性不好，導(dǎo)致不同位置反射率不同，就會(huì)急劇增加光刻誤差，因此沉積高均勻性、高質(zhì)量的大口徑非球面反射膜成為了研究熱點(diǎn)。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(fā)源和基板的距離以及蒸發(fā)源蒸汽特性的影響，如果膜厚不均勻，則對(duì)薄膜特性有嚴(yán)重的影響[10-12]。

電子束蒸發(fā)沉積（Electron Beam evaporation，EB）系統(tǒng)是當(dāng)前應(yīng)用最廣的大尺寸高反膜沉積方法[13]。文獻(xiàn)[14-15] 對(duì)膜厚均勻性進(jìn)行了研究，旋轉(zhuǎn)工件盤或公自轉(zhuǎn)行星系統(tǒng)能增強(qiáng)膜厚的均勻性，但是制備大面積高要求的光學(xué)薄膜時(shí)，則需要輔助修正擋板來(lái)改善膜厚均勻性。大多數(shù)做法是將現(xiàn)有公式輸入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行計(jì)算，得出的數(shù)值都是近似理論值，能夠模擬規(guī)律，但是無(wú)法量化。大多修正擋板都是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的，在優(yōu)化過(guò)程中費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且精度不高。本文針對(duì)公自轉(zhuǎn)行星蒸發(fā)沉積設(shè)備，研究了蒸發(fā)源的發(fā)射特性和設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)。利用Mathcad 建立高精度的數(shù)學(xué)及物理模型，提出了一種新的擋板設(shè)計(jì)方法，極大地提高了薄膜制備均勻性的修正效率與準(zhǔn)確性。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)修正薄膜均勻性程序，不僅能夠準(zhǔn)確地計(jì)算不同設(shè)備的薄膜均勻性分布，還創(chuàng)新性地添加了自動(dòng)優(yōu)化擋板功能。該程序能夠根據(jù)不同的設(shè)備、材料、工藝條件、基板形狀自動(dòng)生成擋板輪廓圖，對(duì)提高大尺寸鏡片膜厚均勻性的修正效率和精度具有指導(dǎo)性意義。

2 膜厚分布

對(duì)于EB 沉積系統(tǒng)，蒸發(fā)源主要分為3 種：向各個(gè)方向均勻分布點(diǎn)源、遵循余弦分布的小面源和擴(kuò)展源[16]。實(shí)際上，不存在理想點(diǎn)蒸發(fā)源。當(dāng)源面積相對(duì)距離較小或蒸發(fā)距離較遠(yuǎn)時(shí)，源的尺寸可以忽略不計(jì)，將蒸發(fā)源等同于服從余弦分布的點(diǎn)源。當(dāng)源面積相對(duì)距離較大，或蒸發(fā)距離較近時(shí)，應(yīng)考慮到蒸發(fā)源的表面積，等同于擴(kuò)展源。

對(duì)于小面源，基板上某點(diǎn)的膜厚分布ts可以表示為[17]：

式中m是材料的總質(zhì)量，r是蒸發(fā)距離， φ是蒸發(fā)角， θ 投 影角， μ 是 材料密度，n表示蒸發(fā)特性參數(shù)，n與蒸發(fā)材料、蒸發(fā)速率、坩堝形狀、蒸發(fā)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)有關(guān)。

對(duì)于擴(kuò)展源，需要對(duì)蒸發(fā)源的面積進(jìn)行積分，膜厚分布te為：

式中P(x,y) 為蒸發(fā)源表面積。

3 程序模擬

本文所研究的薄膜沉積設(shè)備為公自轉(zhuǎn)行星結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 公自轉(zhuǎn)行星機(jī)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the rotational planetary mechanism

行星旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的膜厚更均勻的原因在于其各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡基本相同，如圖1 所示，蒸發(fā)源平面為XOY面，公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸是z軸，創(chuàng)建三維坐標(biāo)系。蒸發(fā)源距離原點(diǎn)的位置是L，蒸發(fā)距離是r，自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤高度是H，蒸發(fā)角是 φ，投影角是θ，基板上任一點(diǎn)P與自中心軸的距離是ρ，t是轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，主輪公轉(zhuǎn)角速度為 ω1，行星軸自轉(zhuǎn)角速度為ω2，自轉(zhuǎn)軸到公轉(zhuǎn)主軸的距為D。

3.1 運(yùn)動(dòng)軌跡確定

流程圖如圖2 所示，已知蒸發(fā)源坐標(biāo)為（0,L,0），基板任一點(diǎn)P的運(yùn)動(dòng)軌跡與時(shí)間t和轉(zhuǎn)速ω有關(guān)。按照其幾何函數(shù)關(guān)系可以計(jì)算出蒸發(fā)距離，蒸發(fā)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(zhuǎn)行星結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡Tab.1 The orbit of revolution of a planetary structure

蒸發(fā)源坐標(biāo)是Ps，根據(jù)圖2 和表1 可以得到該機(jī)構(gòu)的相對(duì)膜厚分布。

3.2 修正擋板設(shè)計(jì)

不同的擋板形狀對(duì)蒸發(fā)區(qū)域遮擋的面積不同，使膜厚相對(duì)較薄的部分少遮擋，膜厚相對(duì)較厚的部分多遮擋，進(jìn)而優(yōu)化膜厚均勻性。設(shè)定函數(shù)Rate，如果該區(qū)域未被擋板遮擋則Rate=1，否則Rate=0?？紤]到擋板非水平放置的情況，常規(guī)算法無(wú)法判定，本文通過(guò)進(jìn)行坐標(biāo)變換建立模型來(lái)解決該難題，如圖3 所示。

圖3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖Fig. 3 The plot of coordinate transformation

將原坐標(biāo)系平面變換為擋板平面，則基板任一點(diǎn)P的坐標(biāo)和蒸發(fā)源Ps的坐標(biāo)在擋板平面坐標(biāo)變換后對(duì)應(yīng)的Pnew和Psnew，可表示為：

坐標(biāo)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(diǎn)的連線是否穿過(guò)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(biāo)內(nèi)擋板在y和x方向上的邊界坐標(biāo)值。

對(duì)時(shí)間t疊加求和得到膜厚表達(dá)式：

時(shí)間間隔取0.000 01 s/次。

3.3 蒸發(fā)特性確定

該實(shí)驗(yàn)使用的設(shè)備為光馳OTFC1300，蒸發(fā)系統(tǒng)配有雙電子槍、真空系統(tǒng)使用低溫泵、干泵組成無(wú)油系統(tǒng)，輔助系統(tǒng)配有射頻離子源，膜厚控制系統(tǒng)配Inficon 晶控系統(tǒng)，設(shè)備真空室布局及尺寸如圖4 所示。

圖4 OTFC-1300 公自轉(zhuǎn)行星設(shè)備示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the OTFC-1300 revolution planetary instrument

首先在無(wú)擋板狀態(tài)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(fā)特性n。厚度用相對(duì)膜厚表示，相對(duì)膜厚是指基板上任意一點(diǎn)的厚度與旋轉(zhuǎn)子軸中心點(diǎn)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(duì)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(yàn)證

深紫外大口徑非球面反射鏡的技術(shù)參數(shù)如表2 所示。大口徑反射鏡不只對(duì)反射率要求較高，對(duì)膜厚均勻性同樣有著極高的要求，光刻機(jī)使用的紫外大口徑非球面反射鏡要求膜厚均勻性優(yōu)于0.5%。

表2 大尺寸非球面反射鏡技術(shù)參數(shù)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(cè)量鏡片上各個(gè)區(qū)域的反射率，需要利用陪鍍片測(cè)量，然而加工非球面夾具難度太大，該鏡片旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，所以加工符合非球面截面方程的長(zhǎng)方條夾持陪鍍片即可驗(yàn)證均勻性，如圖6（b）所示，裝夾10 個(gè)陪鍍片，驗(yàn)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(jìn)行聯(lián)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(jù)反射鏡的指標(biāo)要求，金屬膜達(dá)不到反射率要求，所以選介質(zhì)材料HfO2和SiO2作為高低折射率材料制備薄膜，膜系設(shè)計(jì)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(huì)發(fā)生變化，致使應(yīng)力較大并且蒸發(fā)過(guò)程中容易噴濺，因而在未全部融化的情況下沉積薄膜，會(huì)產(chǎn)生節(jié)瘤，而用Hf 充O2鍍制的HfO2薄膜，具備節(jié)瘤少、應(yīng)力小的優(yōu)點(diǎn)[13]，所以實(shí)驗(yàn)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(shù)如表3 所示。

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

最終制備的薄膜使用Cary7000 分光光度計(jì)測(cè)試絕對(duì)反射率，光譜曲線如圖9（彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示，230～300 nm 平均反射率為98.3%，測(cè)量不同位置的10 個(gè)陪鍍片，均勻性誤差為0.37%，滿足技術(shù)參數(shù)要求。均勻性誤差定義為對(duì)應(yīng)點(diǎn)的漂移變化量除以對(duì)應(yīng)點(diǎn)的波長(zhǎng)，計(jì)算時(shí)采用波長(zhǎng)243 nm 處波峰漂移數(shù)據(jù)計(jì)算。

圖9 實(shí)際測(cè)試光譜曲線Fig. 9 Actual tested spectral curves

制備的深紫外大口徑非球面反射鏡面型如圖10（彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示，Pv為0.344 λ，RMS 為0.046 λ，測(cè)試波長(zhǎng)為632.8 nm，滿足技術(shù)參數(shù)要求。

圖10 反射鏡表面面型數(shù)據(jù)圖Fig. 10 The surface topography date of the mirror

5 結(jié) 論

本文利用MathCad 編寫自動(dòng)模擬擋板形狀的程序，提高了大尺寸非球面薄膜均勻性修正的效率與精準(zhǔn)度，將深紫外大口徑非球面反射膜的均勻性提高到0.5%，制備了高精度的大尺寸反射鏡，接下來(lái)需要繼續(xù)增加程序的功能性，將薄膜折射率的非均質(zhì)性與薄膜的厚度均勻性相結(jié)合進(jìn)行研究。