提高深紫外大口徑球面光學(xué)元件膜系一致性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及深紫外薄膜制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高深紫外大口徑球面光學(xué)元件膜系一致性的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展為光刻技術(shù)提出了更高的要求，為了提高光刻系統(tǒng)的分辨率，曝光光源的波長不斷減小，同時投影物鏡的數(shù)值孔徑(NA)不斷增大，曝光光源從436nm、365nm進入到248nm、193nm的深紫外波段，以目前主流的193nmArF準(zhǔn)分子激光光刻為例，已經(jīng)連續(xù)突破90nm、65nm和45nm節(jié)點，使用二次曝光技術(shù)，可以實現(xiàn)32nm的分辨率。為了提高投影物鏡的數(shù)值孔徑(NA)，必須使用較多大口徑、大口徑/曲率半徑的球面和非球面透射元件和少量的反射元件。在高數(shù)值孔徑系統(tǒng)中，光學(xué)元件口徑可能達到300_，口徑/曲率半徑比值也可能高于1.5，對于透射元件，其表面光線入射角甚至超過60°，為保障光刻系統(tǒng)的性能指標(biāo)，透射元件表面必須鍍制高可靠性及高一致性的減反膜系，同時對光線大角度入射時的偏振分離進行抑制。在深紫外波段，光子能量已大于多數(shù)材料的禁帶寬度，能夠用于鍍膜的材料只有少數(shù)幾種氟化物和氧化物，由于氟化物材料具有更低的消光系數(shù)，成為深紫外波段光學(xué)薄膜的最好選擇。常用的氟化物高折射率材料有LaF3和GdF3，低折射率材料有A1F3和MgF2。從膜系設(shè)計角度，由于折射率的差別較小，LaF3與GdF3、A1F3與MgF2是可以相互替換的。
[0003]熱蒸發(fā)(包括熱舟蒸鍍和電子束蒸發(fā))是深紫外波段光學(xué)薄膜常用的制備方法，沉積的薄膜相比于濺射和離子輔助等其他方法具有更低的吸收系數(shù)，但由于熱蒸發(fā)方法沉積粒子能量較小，僅為0.1?0.3eV，制備的薄膜填充密度較低。
[0004]為實現(xiàn)大口徑、大口徑/曲率半徑球面光學(xué)元件表面膜系的一致性，首先要對其膜厚分布進行控制，采用合理的膜厚修正擋板設(shè)計能夠很容易實現(xiàn)優(yōu)于98%的膜厚均勻性，同時對于球面光學(xué)元件徑向方向上隨著沉積粒子入射角的增加產(chǎn)生的折射率變化也必須加以控制，尤其對于口徑/曲率半徑比值大于1.0的球面光學(xué)元件，鍍膜后其中心位置和元件邊緣光學(xué)性能可能存在較大差異。Zaczek等人實驗發(fā)現(xiàn)對于沉積溫度300°C制備的lOOnmLaF3薄膜，沉積粒子入射角為70°時薄膜的折射率比入射角為0°時低9% (High-Performance Optical Coatings for VUV Lithography Applicat1n，0SA/0IC,2007)。與固定沉積角下制備薄膜的光學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)變化趨勢不同(Microstructure-relatedproperties of magnesium fluoride films at 193nm by oblique—angle deposit1n,Optics Express，2013)，在具有行星轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的鍍膜機中，球面光學(xué)元件表面不同位置的沉積角是隨時間變化的函數(shù)，因此表現(xiàn)出的微觀及光學(xué)特性也可能存在差異。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決在采用熱蒸發(fā)方法為大口徑、大口徑/曲率半徑球面光學(xué)元件鍍制深紫外減反膜系時，由于元件表面不同位置沉積速率和沉積角不同，導(dǎo)致元件表面各處厚度及填充密度的差異，從而產(chǎn)生的膜系不一致性的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種提高深紫外大口徑球面光學(xué)元件膜系一致性的方法。
[0006]本發(fā)明為解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:
[0007]本發(fā)明的提高深紫外大口徑球面光學(xué)元件膜系一致性的方法，包括以下步驟:
[0008]步驟一、針對鍍膜機內(nèi)部幾何參數(shù)以及大口徑球面光學(xué)元件尺寸，理論計算行星轉(zhuǎn)動系統(tǒng)中將該大口徑球面光學(xué)元件表面薄膜物理厚度均勻性調(diào)整至100%時所需的膜厚修正擋板形狀；
[0009]步驟二、采用步驟一設(shè)計的膜厚修正擋板，使用與大口徑球面光學(xué)元件曲率半徑和口徑都相同的夾具，夾具沿徑向方向上分布若干個圓孔，在每個圓孔處放置測試片，在沉積溫度為300?400°C、沉積速率為0.2?0.6nm/s的工藝窗口下，通過熱蒸發(fā)方法在測試片上分別鍍制LaF3、GdF3、MgF2和A1F3四種單層膜，采用光度法或橢圓偏振法測量單層膜的厚度和光學(xué)常數(shù)，從而驗證膜厚修正擋板的有效性；
[0010]步驟三、根據(jù)步驟二獲得的單層膜的光學(xué)常數(shù)，首先選擇LaF3和MgF2材料設(shè)計193nm大角度減反膜系，根據(jù)相應(yīng)的膜系設(shè)計，更換夾具的每個圓孔處的測試片，通過熱蒸發(fā)方法在測試片上鍍制193nm LaF3/MgF2大角度減反膜系并采用光度法測試其光學(xué)性能，初始沉積溫度為300°C，沉積速率為0.2?0.6nm/s;若制備的膜系一致性不滿足要求，則在300?400°C的溫度區(qū)間內(nèi)逐漸提高溫度直至獲得膜系一致性滿足要求；
[0011]步驟四、若步驟三中制備的膜系一致性仍不能滿足要求，則使用GdF3代替LaF3設(shè)計193nm大角度減反膜系，根據(jù)相應(yīng)的膜系設(shè)計，更換夾具的每個圓孔處的測試片，通過熱蒸發(fā)方法在測試片上鍍制193nm GdF3/MgF2大角度減反膜系并采用光度法測試其光學(xué)性能，初始沉積溫度為300°C，沉積速率為0.2?0.6nm/s;若制備的膜系一致性不滿足要求，則在300?400°C的溫度區(qū)間內(nèi)逐漸提高溫度直至獲得膜系一致性滿足要求；
[0012]步驟五、若步驟四中制備的膜系一致性仍不能滿足要求，則在保障膜系高透過率和偏振分離抑制兩個限制因素前提下，通過增加膜層數(shù)量降低每層高折射率材料的厚度，對LaF3/MgF2和GdF3/MgF2兩種材料組合的193nm大角度減反膜系進行優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)優(yōu)化的膜系設(shè)計，制備相應(yīng)的減反膜系并采用光度法測試其光學(xué)性能，初始沉積溫度為300°C，沉積速率為0.2?0.6nm/s;若制備的膜系一致性不滿足要求，則在300?400°C的溫度區(qū)間內(nèi)逐漸提高溫度直至獲得膜系一致性滿足要求;最終得到不同口徑/曲率半徑比值下的滿足膜系一致性要求的膜系設(shè)計及材料組合。
[0013]進一步的，所述測試片選用融石英或硅片。
[0014]進一步的，膜系設(shè)計的軟件為Essential Macleod或Optilayer。
[0015]進一步的，光度法中采用PE lambdal050分光光度計進行測量。
[0016]進一步的，橢圓偏振法中采用Woollam VASE橢偏儀進行測量。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供一種提高深紫外大口徑球面光學(xué)元件膜系一致性的方法，采用具有行星轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的熱蒸發(fā)鍍膜機為大口徑、大口徑/曲率半徑球面元件鍍制深紫外減反膜系時，元件表面沿徑向方向薄膜沉積速率和填充密度逐漸降低，導(dǎo)致了元件中心和邊緣位置膜系的光學(xué)特性差異。因此，本發(fā)明首先通過設(shè)計均勻性擋板，將元件表面不同位置膜厚調(diào)整至近似100%，排除由膜厚差異導(dǎo)致的膜系不均勻性;然后制備LaF3、GdF3、MgF2和A1F3四種氟化物材料的單層膜，通過建立合適的色散模型，分析它們的光學(xué)常數(shù)及折射率不均勻性，得到在行星轉(zhuǎn)動系統(tǒng)中折射率不均勻性主存在于高折射率材料中的結(jié)論。由于相同實驗條件下制備的LaF3薄膜折射率不均勻性高于GdF3薄膜，而MgF2和A1F3沒有明顯差異，考慮成本因素優(yōu)先選擇MgF2作為低折射率材料，從成本及性能平衡角度考慮，需針對不同的口徑/曲率半徑比值的元件選擇滿足使用要求的LaF3和GdF3中的一種。通過材料和工藝的優(yōu)選，以及膜系的優(yōu)化等方法，即適當(dāng)增加膜層數(shù)量來減小每層高折射率材料的厚度，獲得大口徑、大口徑/曲率半徑球面元件良好一致性的膜系。
[0018]首先設(shè)計膜厚擋板將大口徑元件表面物理厚度調(diào)整至接近100%，然后適當(dāng)選用提高沉積溫度、使用折射率不均勻性更低的GdF3代替LaF3和在膜系設(shè)計中降低高折射率材料的厚度等方法中的一種或者組合，獲得滿足大口徑、大口徑/曲率半徑元件使用要求的一致性良好的膜系。
[0019]本發(fā)明的提高深紫外大口徑球面光學(xué)元件膜系一致性的方法適用于大口徑、大口徑/曲率半徑球面和非球面光學(xué)元件。
【附圖說明】
[0020]圖1為口徑280mm、曲率半徑200mm的典型凸面光學(xué)元件不同位置入射角分布圖。[0021 ]圖2為采用與口徑280mm、曲率半徑200mm的典型凸面元件形狀相同的夾具，使用膜厚修正擋板前后不同位置膜厚分布實測數(shù)據(jù)。
[0022]圖3為常規(guī)設(shè)計的5層LaF3/MgF250°AR膜系6°入射角下不同波長反射率，沉積溫度為 300°C。
[0023]圖4為優(yōu)化設(shè)計后制備的7層LaF3/MgF250°AR膜系6°入射角下不同波長反射率，沉積溫度為350°C。
[0024]圖5為優(yōu)化設(shè)計后制備的7層GdF3/MgF250°AR膜系6°入射角下不同波長反射率，沉積溫度為350°C。
[0025]圖6為優(yōu)化設(shè)計后制備的7層GdF3/MgF250°AR膜系193nm不同角度反射率。
【具體實施方式】
[0026]本發(fā)明的一種提高深紫外大口徑球面光學(xué)元件膜系一致性的方法，主要包括以下步驟:
[0027]步驟一、針對鍍膜機內(nèi)部幾何參數(shù)以及選定的典型的大口徑球面光學(xué)元件尺寸，理論計算行星轉(zhuǎn)動系統(tǒng)中將該大口徑球面光學(xué)元件表面薄膜物理厚度均勻性調(diào)整至接近100%時所需的膜厚修正擋板形狀，并制造出膜厚修正擋板。
[0028]步驟二、采用步驟一設(shè)計的膜厚修正擋板，針對選定的典型的大口徑球面光學(xué)元件，使用與大口徑球面光學(xué)元件曲率半徑和口徑相同的夾具，夾具徑向方向上開孔，即在夾具沿徑向方向上分布若干個直徑為25.4mm的圓孔，在夾具上的每個圓孔處都放置一個測試片，測試片選用融石英或硅片，在特定的工藝窗口下，即沉積溫度為300?400°C，沉積速率為0.2?0.6nm/s，通過熱蒸發(fā)方法在測試片上分別鍍制LaF3、GdF3、MgF2和A1F3四種折射率材料的單層膜，采用光度法或橢圓偏振法測量單層膜的厚度和光學(xué)常數(shù)，同時驗證膜厚修正擋板的有效性。結(jié)果表明MgF2和A1F3沒有折射率不均勻性，GdF3折射率不均勻性優(yōu)于LaF3，考慮成本因素優(yōu)先選擇MgF2作為低折射率材料。
[0029]步驟三、根據(jù)步驟二獲得的單層膜的光學(xué)常數(shù)，針對LaF3/MgF2材料組合設(shè)計193nm大角度減反膜系，根據(jù)相應(yīng)的膜系設(shè)計，更換夾具的每個圓孔處的測試片，通過熱蒸發(fā)方法在測試片上鍍制193nm LaF3/MgF2大角度減反膜系并通過光度法測試其光學(xué)性能，沉積溫度為300?400°C，初始試驗溫度可以為300°C，若制備的膜系一致性不滿足要求，則在此溫度區(qū)間300?400°C內(nèi)逐漸提高溫度直至獲得良好的膜系一致性，沉積速率為0.2?0.6nm/s。
[0030]步驟四、若步驟三中制