光学表面离子束加工的材料去除机理及表面演变机制研究

摘要

193nm深紫外光刻机和下一代的13.5nm极紫外光刻机是我国半导体行业和超大规模集成电路战略的核心装备，光刻投影物镜是其中尤为关键的部件，镜面低空间频段的面形误差和中、高空间频段的粗糙度误差均有着亚纳米量级的超高精度的加工要求。离子束加工凭借其原子级别的去除能力、非接触式的加工方式和温和的束面相互作用机制，已应用于光刻物镜镜面的修形加工中。本文以投影光刻物镜所需的大口径(≥100mm)超精度光学元件为对象，对离子束加工过程中的材料去除机理，表面形貌和粗糙度、表面元素组成等演变机制和原子行为，以及基本加工工艺等关键问题进行了研究，论文主要工作主要有以下四个方面:
　　其一，从载能离子与材料原子的相互作用出发，基于连续介质建立了一个包含离子溅射相关机理（初次溅射、二次溅射、表面反射、几何遮蔽效应、再沉积等）与表面扩散相关机理（热激发的自扩散、离子引发的有效扩散、离子增强的粘滞流、弹道位移和Ehrlich-Schwoebel效应等）的离子束去除速率模型，并以此研究了诸多原子机理对表面中、高频粗糙度的粗化特性和平滑特性。
　　其二，基于晶格动力学和蒙特卡罗概率思想，建立了离子束作用过程的随机数学模型。从表面原子及其在离子束作用下的诸多原子行为来体现复杂的材料溅射和扩散机理，进而表征表面形貌和表面粗糙度的中、高空间频段的演变过程。研究发现表面原子的行为模式和作用程度以及它们各自的粗化和平滑特性，强烈地受表面形貌特征和束流工艺参数等支配。从垂直入射到大倾斜角的掠射，表面均呈现出先平滑、后粗化的时间演变规律，并且其表面粗糙度的增长均符合幂律规律。
　　其三，针对广泛应用于光学镜面的多组分材料在离子束加工中的择优溅射现象，建立了离子束作用过程的多元介质双场耦合模型，并与晶格动力学蒙特卡罗模型和熔融石英实验比较分析，研究了择优溅射对光学元件表面的‘改组'特性以及表面组分的演变:对于石英材料，其表面硅元素含量经离子束加工后由溅射前的33％中增长至40％-42％，并通过表面光学性能的检测，其折射率比溅射前高出约35％，表明择优溅射所引起的材料表面层改组直接影响了表面的光学性能。
　　其四，针对大口径镜面的离子束加工，基于CCOS工艺对离子束加工过程进行了连续介质方程建模。根据通过实验、晶格动力学模型与连续介质模型三种方法获得的离子束去除函数，本文对其在溅射时间、离子能量和入射角度等方面的特性进行了研究，结果表明离子束的去除速率函数具有良好的时间稳定性和小陡度稳定性，这为离子束的低频面形加工提供了基础。因此，对离子束加工方程展开并做离散矩阵转化后，以逆滤波去卷积算法求解驻留时间，最终获得了面形精度为1.175nm RMS、表面粗糙度Rq值为0.56nm RMS的170mm口径的平面镜，和面形精度为1.08nm RMS、中心区域的表面粗糙度为0.4nm RMS、边缘区域表面粗糙度为0.6-0.7nm RMS的130mm口径的凹球面镜。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 离子束加工技术综述

1．3 离子束加工的中高频误差综述

1．4 本文主要研究内容

第2章 离子束加工的连续介质材料去除机理

2．1 载能离子与材料原子的相互作用

2．2 离子束作用过程中的原子行为

2．2．1 溅射族：原子的初次溅射行为

2．2．2 溅射族：遮蔽效应、表面反射和原子的二次溅射行为

2．2．3 溅射族：溅射原子的再沉积行为

2．2．4 扩散族：热激发的表面自扩散行为

2．2．5 扩散族：离子引发的有效扩散行为

2．2．6 扩散族：离子增强的表面粘滞流效应

2．2．7 扩散族：离子引发的弹道扩散行为

2．2．8 扩散族：Ehrlich-Schwoebel台阶沿效应

2．2．9 连续介质的表面法向去除速率的迭代模型

2．3 本章小结

第3章 表面粗糙度与形貌的演变机理

3．1 离子束去除过程的晶格动力学蒙特卡罗数学模型

3．1．1 基于事件的蒙特卡罗算法

3．1．2 晶格动力学的材料模型

3．1．3 跃迁事件

3．1．4 抽样算法

3．1．5 边界处理

3．1．6 模拟尺度与真实尺度

3．2 表面粗糙度与形貌演变的KMC分析与对比实验

3．2．1 离子束垂直入射情况

3．2．2 离子束倾斜入射情况

3．2．3 离子束掠入射情况

3．3 表面粗糙度演变中的原子行为分析

3．3．1 离子束垂直入射时的原子行为分析

3．3．2 离子束倾斜入射时的原子行为分析

3．3．3 离子束掠入射时的原子行为分析

3．4 本章小结

第4章 多组分材料的离子束去除机理

4．1 择优溅射

4．2 多组分材料的溅射产额

4．3 择优溅射的连续介质双场耦合模型

4．4 择优溅射的晶格动力学模型

4．5 择优溅射的双场耦合模型、动力学模型与实验研究

4．5．1 择优去除特性的KMC与实验研究

4．5．2 择优溅射因子的一般性规律

4．5．3 表面组分演变特性的双场耦合模型、KMC与实验研究

4．6 择优溅射对表面光学性质的影响

4．7 本章小结

第5章 离子束面形修正

5．1 离子束加工表面的CCOS展开

5．2 驻留时间的求解

5．3 边界处理

5．4 离子束去除函数

5．4．1 去除函数获取

5．5 离子束加工实验

5．5．1 170mm平面面形修正实验

5．5．2 130mm球面面形修正实验

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 本文的贡献及创新

6．2 未来展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果