光學(xué)表面離子束加工的材料去除機理及表面演變機制研究.pdf

1、193nm深紫外光刻機和下一代的13.5nm極紫外光刻機是我國半導(dǎo)體行業(yè)和超大規(guī)模集成電路戰(zhàn)略的核心裝備，光刻投影物鏡是其中尤為關(guān)鍵的部件，鏡面低空間頻段的面形誤差和中、高空間頻段的粗糙度誤差均有著亞納米量級的超高精度的加工要求。離子束加工憑借其原子級別的去除能力、非接觸式的加工方式和溫和的束面相互作用機制，已應(yīng)用于光刻物鏡鏡面的修形加工中。本文以投影光刻物鏡所需的大口徑(≥100mm)超精度光學(xué)元件為對象，對離子束加工過程中的材料去除

2、機理，表面形貌和粗糙度、表面元素組成等演變機制和原子行為，以及基本加工工藝等關(guān)鍵問題進行了研究，論文主要工作主要有以下四個方面:
　　其一，從載能離子與材料原子的相互作用出發(fā)，基于連續(xù)介質(zhì)建立了一個包含離子濺射相關(guān)機理（初次濺射、二次濺射、表面反射、幾何遮蔽效應(yīng)、再沉積等）與表面擴散相關(guān)機理（熱激發(fā)的自擴散、離子引發(fā)的有效擴散、離子增強的粘滯流、彈道位移和Ehrlich-Schwoebel效應(yīng)等）的離子束去除速率模型，并以此研究了

3、諸多原子機理對表面中、高頻粗糙度的粗化特性和平滑特性。
　　其二，基于晶格動力學(xué)和蒙特卡羅概率思想，建立了離子束作用過程的隨機數(shù)學(xué)模型。從表面原子及其在離子束作用下的諸多原子行為來體現(xiàn)復(fù)雜的材料濺射和擴散機理，進而表征表面形貌和表面粗糙度的中、高空間頻段的演變過程。研究發(fā)現(xiàn)表面原子的行為模式和作用程度以及它們各自的粗化和平滑特性，強烈地受表面形貌特征和束流工藝參數(shù)等支配。從垂直入射到大傾斜角的掠射，表面均呈現(xiàn)出先平滑、后粗化的時間

4、演變規(guī)律，并且其表面粗糙度的增長均符合冪律規(guī)律。
　　其三，針對廣泛應(yīng)用于光學(xué)鏡面的多組分材料在離子束加工中的擇優(yōu)濺射現(xiàn)象，建立了離子束作用過程的多元介質(zhì)雙場耦合模型，并與晶格動力學(xué)蒙特卡羅模型和熔融石英實驗比較分析，研究了擇優(yōu)濺射對光學(xué)元件表面的‘改組'特性以及表面組分的演變:對于石英材料，其表面硅元素含量經(jīng)離子束加工后由濺射前的33％中增長至40％-42％，并通過表面光學(xué)性能的檢測，其折射率比濺射前高出約35％，表明擇優(yōu)濺射所

5、引起的材料表面層改組直接影響了表面的光學(xué)性能。
　　其四，針對大口徑鏡面的離子束加工，基于CCOS工藝對離子束加工過程進行了連續(xù)介質(zhì)方程建模。根據(jù)通過實驗、晶格動力學(xué)模型與連續(xù)介質(zhì)模型三種方法獲得的離子束去除函數(shù)，本文對其在濺射時間、離子能量和入射角度等方面的特性進行了研究，結(jié)果表明離子束的去除速率函數(shù)具有良好的時間穩(wěn)定性和小陡度穩(wěn)定性，這為離子束的低頻面形加工提供了基礎(chǔ)。因此，對離子束加工方程展開并做離散矩陣轉(zhuǎn)化后，以逆濾波去卷