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)
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。
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。
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。
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。
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。
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
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
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
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
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。