深紫外大口径非球面反射膜的均匀性研究

潘永刚，林兆文*，王 奔,3，付秀华,2

（1. 长春理工大学中山研究院, 广东 中山 528437；2. 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022；3. 中山吉联光电科技有限公司, 广东 中山 528437）

1 引 言

光刻技术推动着现代微电子技术的发展，光刻曝光光学系统以摩尔定律的速度不断刷新分辨率记录，而深紫外光刻机技术的瓶颈极大地限制了其发展[1-6]。深紫外光刻机的投影物镜通常包含20～30 套超高精度的非球面镜片，每套镜片的透过率或反射率降低0.1%，就会严重影响光刻机的整体性能[7-9]。特别是如果反射镜均匀性不好，导致不同位置反射率不同，就会急剧增加光刻误差，因此沉积高均匀性、高质量的大口径非球面反射膜成为了研究热点。膜厚均匀性是膜层厚度在基板表面位置变化的分布，主要受蒸发源和基板的距离以及蒸发源蒸汽特性的影响，如果膜厚不均匀，则对薄膜特性有严重的影响[10-12]。

电子束蒸发沉积（Electron Beam evaporation，EB）系统是当前应用最广的大尺寸高反膜沉积方法[13]。文献[14-15] 对膜厚均匀性进行了研究，旋转工件盘或公自转行星系统能增强膜厚的均匀性，但是制备大面积高要求的光学薄膜时，则需要辅助修正挡板来改善膜厚均匀性。大多数做法是将现有公式输入计算机中进行计算，得出的数值都是近似理论值，能够模拟规律，但是无法量化。大多修正挡板都是依据经验设计的，在优化过程中费时费力，且精度不高。本文针对公自转行星蒸发沉积设备，研究了蒸发源的发射特性和设备的机械结构。利用Mathcad 建立高精度的数学及物理模型，提出了一种新的挡板设计方法，极大地提高了薄膜制备均匀性的修正效率与准确性。本文设计的自动修正薄膜均匀性程序，不仅能够准确地计算不同设备的薄膜均匀性分布，还创新性地添加了自动优化挡板功能。该程序能够根据不同的设备、材料、工艺条件、基板形状自动生成挡板轮廓图，对提高大尺寸镜片膜厚均匀性的修正效率和精度具有指导性意义。

2 膜厚分布

对于EB 沉积系统，蒸发源主要分为3 种：向各个方向均匀分布点源、遵循余弦分布的小面源和扩展源[16]。实际上，不存在理想点蒸发源。当源面积相对距离较小或蒸发距离较远时，源的尺寸可以忽略不计，将蒸发源等同于服从余弦分布的点源。当源面积相对距离较大，或蒸发距离较近时，应考虑到蒸发源的表面积，等同于扩展源。

对于小面源，基板上某点的膜厚分布ts可以表示为[17]：

式中m是材料的总质量，r是蒸发距离， φ是蒸发角， θ 投 影角， μ 是 材料密度，n表示蒸发特性参数，n与蒸发材料、蒸发速率、坩埚形状、蒸发设备的机械结构有关。

对于扩展源，需要对蒸发源的面积进行积分，膜厚分布te为：

式中P(x,y) 为蒸发源表面积。

3 程序模拟

本文所研究的薄膜沉积设备为公自转行星结构，如图1 所示。

图1 公自转行星机构示意图Fig. 1 Schematic diagram of the rotational planetary mechanism

行星旋转机构的膜厚更均匀的原因在于其各点的运动轨迹基本相同，如图1 所示，蒸发源平面为XOY面，公转旋转轴是z轴，创建三维坐标系。蒸发源距离原点的位置是L，蒸发距离是r，自转转盘高度是H，蒸发角是 φ，投影角是θ，基板上任一点P与自中心轴的距离是ρ，t是转动时间，主轮公转角速度为 ω1，行星轴自转角速度为ω2，自转轴到公转主轴的距为D。

3.1 运动轨迹确定

流程图如图2 所示，已知蒸发源坐标为（0,L,0），基板任一点P的运动轨迹与时间t和转速ω有关。按照其几何函数关系可以计算出蒸发距离，蒸发角和投影角，如表1 所示。

图2 膜厚模拟程序流程图Fig. 2 The flow chart of film thickness simulation

表1 公自转行星结构运动轨迹Tab.1 The orbit of revolution of a planetary structure

蒸发源坐标是Ps，根据图2 和表1 可以得到该机构的相对膜厚分布。

3.2 修正挡板设计

不同的挡板形状对蒸发区域遮挡的面积不同，使膜厚相对较薄的部分少遮挡，膜厚相对较厚的部分多遮挡，进而优化膜厚均匀性。设定函数Rate，如果该区域未被挡板遮挡则Rate=1，否则Rate=0。考虑到挡板非水平放置的情况，常规算法无法判定，本文通过进行坐标变换建立模型来解决该难题，如图3 所示。

图3 坐标转换示意图Fig. 3 The plot of coordinate transformation

将原坐标系平面变换为挡板平面，则基板任一点P的坐标和蒸发源Ps的坐标在挡板平面坐标变换后对应的Pnew和Psnew，可表示为：

坐标变换后，X′O′Z′即是挡板所在平面，这样更容易判断Pnew与Psnew两点的连线是否穿过新变换后的X′O′Z′。

其中ytop、xbox和xtop分别表示在挡板平面坐标内挡板在y和x方向上的边界坐标值。

对时间t叠加求和得到膜厚表达式：

时间间隔取0.000 01 s/次。

3.3 蒸发特性确定

该实验使用的设备为光驰OTFC1300，蒸发系统配有双电子枪、真空系统使用低温泵、干泵组成无油系统，辅助系统配有射频离子源，膜厚控制系统配Inficon 晶控系统，设备真空室布局及尺寸如图4 所示。

图4 OTFC-1300 公自转行星设备示意图Fig. 4 Schematic diagram of the OTFC-1300 revolution planetary instrument

首先在无挡板状态下分别沉积一层700 nm的HfO2和SiO2薄膜，利用Macleod 模拟材料的蒸发特性n。厚度用相对膜厚表示，相对膜厚是指基板上任意一点的厚度与旋转子轴中心点膜厚的比值。如图5 所示，HfO2最佳的n值为n=2.37，SiO2最佳的值为n=1.7。（工艺条件与制备镜片相同）

图5 （a）HfO2 和（b）SiO2 的相对膜厚分布Fig. 5 The relative film thickness distributions of (a) HfO2 and (b) SiO2

4 反射镜的制备及验证

深紫外大口径非球面反射镜的技术参数如表2 所示。大口径反射镜不只对反射率要求较高，对膜厚均匀性同样有着极高的要求，光刻机使用的紫外大口径非球面反射镜要求膜厚均匀性优于0.5%。

表2 大尺寸非球面反射镜技术参数Tab.2 The technical parameters of the large asphericalmirror

4.1 均匀性修正

镜片装夹方式如图6（a）所示，由于大尺寸非球面镜片很难直接测量镜片上各个区域的反射率，需要利用陪镀片测量，然而加工非球面夹具难度太大，该镜片旋转对称，所以加工符合非球面截面方程的长方条夹持陪镀片即可验证均匀性，如图6（b）所示，装夹10 个陪镀片，验证其均匀性。

图6 装夹示意图Fig. 6 The clip diagram

镜片的非球面方程为

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

将非球面方程(7) 代入表1 进行联合求解，利用程序模拟出挡板形状，如图7 所示。

图7 挡板形状示意图Fig. 7 The sketch of the baffle shape

4.2 薄膜制备

根据反射镜的指标要求，金属膜达不到反射率要求，所以选介质材料HfO2和SiO2作为高低折射率材料制备薄膜，膜系设计如图8 所示。

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

由于HfO2材料受热后晶体方向会发生变化，致使应力较大并且蒸发过程中容易喷溅，因而在未全部融化的情况下沉积薄膜，会产生节瘤，而用Hf 充O2镀制的HfO2薄膜，具备节瘤少、应力小的优点[13]，所以实验采用99.95% 纯度的金属Hf 作为原材料沉积HfO2薄膜，具体工艺参数如表3 所示。

表3 薄膜制备工艺参数Tab.3 The process parameters of thin film preparation

最终制备的薄膜使用Cary7000 分光光度计测试绝对反射率，光谱曲线如图9（彩图见期刊电子版）所示，230～300 nm 平均反射率为98.3%，测量不同位置的10 个陪镀片，均匀性误差为0.37%，满足技术参数要求。均匀性误差定义为对应点的漂移变化量除以对应点的波长，计算时采用波长243 nm 处波峰漂移数据计算。

图9 实际测试光谱曲线Fig. 9 Actual tested spectral curves

制备的深紫外大口径非球面反射镜面型如图10（彩图见期刊电子版）所示，Pv为0.344 λ，RMS 为0.046 λ，测试波长为632.8 nm，满足技术参数要求。

图10 反射镜表面面型数据图Fig. 10 The surface topography date of the mirror

5 结 论

本文利用MathCad 编写自动模拟挡板形状的程序，提高了大尺寸非球面薄膜均匀性修正的效率与精准度，将深紫外大口径非球面反射膜的均匀性提高到0.5%，制备了高精度的大尺寸反射镜，接下来需要继续增加程序的功能性，将薄膜折射率的非均质性与薄膜的厚度均匀性相结合进行研究。