提高深紫外大口径球面光学元件膜系一致性的方法技术

提高深紫外大口径球面光学元件膜系一致性的方法，涉及深紫外薄膜制备领域，解决了在采用热蒸发方法为大口径、大口径/曲率半径球面光学元件镀制深紫外减反膜系时，由于元件表面不同位置沉积速率和沉积角不同，导致元件表面各处厚度及填充密度的差异，从而产生的膜系不一致性的技术问题。该方法为：首先设计膜厚修正挡板将大口径球面光学元件表面物理厚度调整至接近100％，然后适当选用提高沉积温度、使用折射率不均匀性更低的GdF3代替LaF3和在膜系设计中降低高折射率材料的厚度等方法中的一种或者组合，获得满足使用要求的一致性良好的膜系。本发明专利技术通过材料和工艺的优选以及膜系优化，获得大口径、大口径/曲率半径球面元件良好一致性的膜系。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及深紫外薄膜制备
，具体涉及一种。
技术介绍
半导体工业的发展为光刻技术提出了更高的要求，为了提高光刻系统的分辨率，曝光光源的波长不断减小，同时投影物镜的数值孔径(NA)不断增大，曝光光源从436nm、365nm进入到248nm、193nm的深紫外波段，以目前主流的193nmArF准分子激光光刻为例，已经连续突破90nm、65nm和45nm节点，使用二次曝光技术，可以实现32nm的分辨率。为了提高投影物镜的数值孔径(NA)，必须使用较多大口径、大口径/曲率半径的球面和非球面透射元件和少量的反射元件。在高数值孔径系统中，光学元件口径可能达到300_，口径/曲率半径比值也可能高于1.5，对于透射元件，其表面光线入射角甚至超过60°，为保障光刻系统的性能指标，透射元件表面必须镀制高可靠性及高一致性的减反膜系，同时对光线大角度入射时的偏振分离进行抑制。在深紫外波段，光子能量已大于多数材料的禁带宽度，能够用于镀膜的材料只有少数几种氟化物和氧化物，由于氟化物材料具有更低的消光系数，成为深紫外波段光学薄膜的最好选择。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。从膜系设计角度，由于折射率的差别较小，LaF3与GdF3、A1F3与MgF2是可以相互替换的。热蒸发(包括热舟蒸镀和电子束蒸发)是深紫外波段光学薄膜常用的制备方法，沉积的薄膜相比于溅射和离子辅助等其他方法具有更低的吸收系数，但由于热蒸发方法沉积粒子能量较小，仅为0.1?0.3eV，制备的薄膜填充密度较低。为实现大口径、大口径/曲率半径球面光学元件表面膜系的一致性，首先要对其膜厚分布进行控制，采用合理的膜厚修正挡板设计能够很容易实现优于98%的膜厚均匀性，同时对于球面光学元件径向方向上随着沉积粒子入射角的增加产生的折射率变化也必须加以控制，尤其对于口径/曲率半径比值大于1.0的球面光学元件，镀膜后其中心位置和元件边缘光学性能可能存在较大差异。Zaczek等人实验发现对于沉积温度300°C制备的lOOnmLaF3薄膜，沉积粒子入射角为70°时薄膜的折射率比入射角为0°时低9% (High-Performance Optical Coatings for VUV Lithography Applicat1n，0SA/0IC,2007)。与固定沉积角下制备薄膜的光学、微观结构变化趋势不同(Microstructure-relatedproperties of magnesium fluoride films at 193nm by oblique—angle deposit1n,Optics Express，2013)，在具有行星转动系统的镀膜机中，球面光学元件表面不同位置的沉积角是随时间变化的函数，因此表现出的微观及光学特性也可能存在差异。
技术实现思路
为了解决在采用热蒸发方法为大口径、大口径/曲率半径球面光学元件镀制深紫外减反膜系时，由于元件表面不同位置沉积速率和沉积角不同，导致元件表面各处厚度及填充密度的差异，从而产生的膜系不一致性的技术问题，本专利技术提出一种。本专利技术为解决技术问题所采用的技术方案如下:本专利技术的，包括以下步骤:步骤一、针对镀膜机内部几何参数以及大口径球面光学元件尺寸，理论计算行星转动系统中将该大口径球面光学元件表面薄膜物理厚度均匀性调整至100%时所需的膜厚修正挡板形状；步骤二、采用步骤一设计的膜厚修正挡板，使用与大口径球面光学元件曲率半径和口径都相同的夹具，夹具沿径向方向上分布若干个圆孔，在每个圆孔处放置测试片，在沉积温度为300?400°C、沉积速率为0.2?0.6nm/s的工艺窗口下，通过热蒸发方法在测试片上分别镀制LaF3、GdF3、MgF2和A1F3四种单层膜，采用光度法或椭圆偏振法测量单层膜的厚度和光学常数，从而验证膜厚修正挡板的有效性；步骤三、根据步骤二获得的单层膜的光学常数，首先选择LaF3和MgF2材料设计193nm大角度减反膜系，根据相应的膜系设计，更换夹具的每个圆孔处的测试片，通过热蒸发方法在测试片上镀制193nm LaF3/MgF2大角度减反膜系并采用光度法测试其光学性能，初始沉积温度为300°C，沉积速率为0.2?0.6nm/s;若制备的膜系一致性不满足要求，则在300?400°C的温度区间内逐渐提高温度直至获得膜系一致性满足要求；步骤四、若步骤三中制备的膜系一致性仍不能满足要求，则使用GdF3代替LaF3设计193nm大角度减反膜系，根据相应的膜系设计，更换夹具的每个圆孔处的测试片，通过热蒸发方法在测试片上镀制193nm GdF3/MgF2大角度减反膜系并采用光度法测试其光学性能，初始沉积温度为300°C，沉积速率为0.2?0.6nm/s;若制备的膜系一致性不满足要求，则在300?400°C的温度区间内逐渐提高温度直至获得膜系一致性满足要求；步骤五、若步骤四中制备的膜系一致性仍不能满足要求，则在保障膜系高透过率和偏振分离抑制两个限制因素前提下，通过增加膜层数量降低每层高折射率材料的厚度，对LaF3/MgF2和GdF3/MgF2两种材料组合的193nm大角度减反膜系进行优化设计，根据优化的膜系设计，制备相应的减反膜系并采用光度法测试其光学性能，初始沉积温度为300°C，沉积速率为0.2?0.6nm/s;若制备的膜系一致性不满足要求，则在300?400°C的温度区间内逐渐提高温度直至获得膜系一致性满足要求;最终得到不同口径/曲率半径比值下的满足膜系一致性要求的膜系设计及材料组合。进一步的，所述测试片选用融石英或硅片。进一步的，膜系设计的软件为Essential Macleod或Optilayer。进一步的，光度法中采用PE lambdal050分光光度计进行测量。进一步的，椭圆偏振法中采用Woollam VASE椭偏仪进行测量。本专利技术的有益效果是:本专利技术提供一种，采用具有行星转动系统的热蒸发镀膜机为大口径、大口径/曲率半径球面元件镀制深紫外减反膜系时，元件表面沿径向方向薄膜沉积速率和填充密度逐渐降低，导致了元件中心和边缘位置膜系的光学特性差异。因此，本专利技术首先通过设计均匀性挡板，将元件表面不同位置膜厚调整至近似100%，排除由膜厚差异导致的膜系不均匀性;然后制备LaF3、GdF3、MgF2和A1F3四种氟化物材料的单层膜，通过建立合适的色散模型，分析它们的光学常数及折射率不均匀性，得到在行星转动系统中折射率不均匀性主存在于高折射率材料中的结论。由于相同实验条件下制备的LaF3薄膜折射率不均匀性高于GdF3薄膜，而MgF2和A1F3没有明显差异，考虑成本因素优先选择MgF2作为低折射率材料，从成本及性能平衡角度考虑，需针对不同的口径/曲率半径比值的元件选择满足使用要求的LaF3和GdF3中的一种。通过材料和工艺的优选，以及膜系的优化等方法，即适当增加膜层数量来减小每层高折射率材料的厚度，获得大口径、大口径/曲率半径球面元件良好一致性的膜系。首先设计膜厚挡板将大口径元件表面物理厚度调整至接近100%，然后适当选用提高沉积温度、使用折射率不均匀性更低的GdF3代替LaF3和在膜系设计中降低高折射率材料的厚度等方法中的一种或者组合，获得满足大口径、大口径/曲本文档来自技高网...

【技术保护点】
提高深紫外大口径球面光学元件膜系一致性的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、针对镀膜机内部几何参数以及大口径球面光学元件尺寸，理论计算行星转动系统中将该大口径球面光学元件表面薄膜物理厚度均匀性调整至100％时所需的膜厚修正挡板形状；步骤二、采用步骤一设计的膜厚修正挡板，使用与大口径球面光学元件曲率半径和口径都相同的夹具，夹具沿径向方向上分布若干个圆孔，在每个圆孔处放置测试片，在沉积温度为300～400℃、沉积速率为0.2～0.6nm/s的工艺窗口下，通过热蒸发方法在测试片上分别镀制LaF3、GdF3、MgF2和AlF3四种单层膜，采用光度法或椭圆偏振法测量单层膜的厚度和光学常数，从而验证膜厚修正挡板的有效性；步骤三、根据步骤二获得的单层膜的光学常数，首先选择LaF3和MgF2材料设计193nm大角度减反膜系，根据相应的膜系设计，更换夹具的每个圆孔处的测试片，通过热蒸发方法在测试片上镀制193nm LaF3/MgF2大角度减反膜系并采用光度法测试其光学性能，初始沉积温度为300℃，沉积速率为0.2～0.6nm/s；若制备的膜系一致性不满足要求，则在300～400℃的温度区间内逐渐提高温度直至获得膜系一致性满足要求；步骤四、若步骤三中制备的膜系一致性仍不能满足要求，则使用GdF3代替LaF3设计193nm大角度减反膜系，根据相应的膜系设计，更换夹具的每个圆孔处的测试片，通过热蒸发方法在测试片上镀制193nm GdF3/MgF2大角度减反膜系并采用光度法测试其光学性能，初始沉积温度为300℃，沉积速率为0.2～0.6nm/s；若制备的膜系一致性不满足要求，则在300～400℃的温度区间内逐渐提高温度直至获得膜系一致性满足要求；步骤五、若步骤四中制备的膜系一致性仍不能满足要求，则在保障膜系高透过率和偏振分离抑制两个限制因素前提下，通过增加膜层数量降低每层高折射率材料的厚度，对LaF3/MgF2和GdF3/MgF2两种材料组合的193nm大角度减反膜系进行优化设计，根据优化的膜系设计，制备相应的减反膜系并采用光度法测试其光学性能，初始沉积温度为300℃，沉积速率为0.2～0.6nm/s；若制备的膜系一致性不满足要求，则在300～400℃的温度区间内逐渐提高温度直至获得膜系一致性满足要求；最终得到不同口径/曲率半径比值下的满足膜系一致性要求的膜系设计及材料组合。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：才玺坤，武潇野，时光，张立超，隋永新，杨怀江，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22