（机械工程专业论文）亚微米投影光刻物镜制作的几项关键技术研究.pdf

华中科技失学硕士学位论交 = = = = = = _ = = 。# = _ = _ = = # = = _ _ _ 擒要 徽电子工业发藤韵关键之是超大观模集成电路的翩造设备，而投影光到物镜蹙 微电予专用光学设备中一分步投影光刻机的核心部件，葵技术水平缀大稷度上决定了 微电子技术髂水平。本文研究深自中国电予科技集团第龋十五研究所颁军工颈目，主 要内安涉及离髓度光刻镜头豹磺露。 由于投影光刻物镜属衍射极限物镳，为实现光学系统设计的技术参数要求，其制 作懿关键在于合理懿缝擒设诗，巍学零、帮薛懿瘸工及箕装校鞲疫，懿及稳关瓣器饕测 试技术的保证。本文论述了亚微米( g 线或i 线) 5 倍投影光刻物镜制作中的几项关键 技岽。 文中分撰计鼙了因该光刻物镜的大数值孔径要求褥带来的系统组件多、重爨大，从 丽弓 起交形大的蠲逶，在此纂磷上给出了对摄影光刻杨镜结构静改进设计方案及相应材 料的选择方法，并奔缓了其技术实现敬关键措惩，即透镜与镜摄款玉座力糖接一定心一 校装技术。 针对本文绘爨的镜片与镜攥一体纯设诗裁俸酌鳝魏方寨，讨谂了鞠应豹裔精寝要求 的透镜中心厚度的测嚣方法，并分析了在透镜中心厚度测试仪。匕进行透镜中心厚度测试 辩鬻冕麴死辞误差弱影韵。 在介缓胶合对心仪原理的蜷础土，本文着耋介绍了大口径离精度无变形定心胶合技 术，包括鞭接黢麓选择、零箨辩清洁、胶台及宠心穗蔽、应力酶退火消豫及检验等。 结合e m 一9 5 0 0 光刻物镜装配、调熬系统在本文研究工作中的应用，分绍了投影党 猁物镜的装配精加工工艺过程及精度保证措施，同时给出了投影光剿物镜静捻测与 实撼结繁。测试结果表嬲奁本谖题鲍磅宠中联运覆黪爨耱技术秘方法帮楚畿砖懿。 本文上述研究工作为研制商精度投影光刻物镜探索出可行的途径并积累了经验，同 时迄蔻今焉进步开菠研制大数蘧戛经、离势辩零投影光袤麓镜葵定了嶷好豹技术基礁。 关毽逶；豫擞i ；| 乏授影竞翔耪镱 数馥毳橙无交形羧台无应力稚接象璇评价 华中科技走学硕士学位论文 a b s t r a c t t 1 1 ee q u i p m e n ta n dp r o c e s s 把c h n i q u e sa r et h ef o u h d a t i o n0 fd e v e l o p m e n tv l s i 讯 m i c o e l o c t r o 癍e si n d 疆s 枉y ，幽ep 粒| e c 墩撒l 。魅担搬ee o f ep 撞蛀s s t o p p e ri 建m i e e l o c t r 。珏i e s d e v i c e sm a n u f a c t u r e ，a n di t st e d m i cl e v e li so v e r l yd e c i d i n gt l l el e v e lo fm i c r o e l e c t m n i c s 髓矗s 嚣娃i e l e o t 建鑫蠢o mo f 瓴e4 5 氆鬏霉s e 磊托轰i n 鞋i 撼艳，氇em 鑫浊e o n 托髓遗镪。髓u 由o f m a n u f 她t u r et h op r o j e c t i o nl e n sw 潍毯曲e c i s i o 糕d e m a n d a s 氇op f e e t i 溅l 娃si s 蟪l ed i f 酝c t i 雌l i 黻建o 。e t i w ，幻a e h i 宰张獭e 持。蕊o l o 黟 p a r 锄e t e rr e q u o s to f t b eo p t i c ss y s t e md e s i g n ，t h ok e yo fi t sm a n u f a c t u r ei st h er e a s o n a b l e e 醴磊g 黻a l i o 建d o s 逗娶，t 歉e 鞋a b i 菇h 堰。fo p t i e sp 甜吨鞠矗p 袅难s ，蠢s r e e i s i o n 。f 蠢e t e e o 珏盎n d a s s e m b l y ，a n dt h ep l e d g oo f m u l t i f a r i o u sc o r r c l a t i v e e 蚓n gt e c h n i e 袖ec r j t i c a it e c 城译so f s u b 峨i 糯e t e g l i 辩瓣i l i n e ) 嘲e 娃i o nl e 矗sw 融5 x 璜潲矗e 永i o np 贽d 般蛀o at e 穗鞋i 举e si s d e s c r i b e di nt h 诲p 印e r ， 臻e 鼬坟e 撒主s 熊鑫l y 臻d 鞠建e e 蠢越翻b 洲s e 。ft 酶a 瓢咎l e l l to fl 铋s sk a ，建氆疲e s t h eo p t i c ss y s t o ms u b a s s e m b l ym a l l i f o l d ，t h cl 棼n sw e 堍h ta u g m e 啡，s ob r i n g 确o u tt h e 辨b l e mo f 锄舯e 珏to fd i 蜘蛀随。i 1 氇挺b 3 s i c ，曲e t t o 黼e 毪t 搭两峨o f e s 酶黼d 穗# s e j e c t i n gm e t h o do fi t sm a t e r i a la r eg a v ei nt h j sp 印e r t h ek e yn l e a s u r et oc o m et r u et 1 1 i g 耙c 殛。酶g yi si n 拄o d 戳e d 重o o 弛越s a p e b 矬霹磁e 移搬es 重r e s s 一羝e 蠢轴s i 油，c e 弱秘n 辫 d e t e c t i o na n da s s e m b l yt e c h n i q u eo fl e n sw i t hf r a m e + a i m i 鞋塞戳镶露s l 搿e 钕愆p 嘲e e to fd 譬s i g 挂强d 掰鑫翦毽绻c t 醢辩稻fl e n sa 藏d 螽鑫氆ew l l i e h 弧 m 厢t i o n e di nm i sp a p e r ，t h ef n e a s l l r o m e n to fl e n sc e n t e rt h i c k n e s sw i t l lh i 曲p r e c i s i o n & m 张硅i s 越s o 出s 锄s s d ，瑟ds e v e 豫 e 矬o f si 矬曩暖鞋c oo f 鞠e 鑫s w 遮go fl e 淞c 譬n 塘r 氧 a n a l y z e d b 鹪蠢疆ee l $ 翔联取。拄捷嚣o d 疆c i 茑蠛ee 髓l f i 耀蠲df e l 囊鹅a 转嘲s ，l 蹦如嚣s i s 黼 i n 仃o d u c et 量l ed i s t o n i o 小f 始ec e n t “n g 百u i n gt e c h n i q u e 惭t hl a 毽ed i 啪e t e ra n dh 谵hp r c c i s i o n ， i n e l 蟋i 鞋g 专b 辩l e 蕊珏g 辕d h e s i v e ，e l 。曩珏i 热g 摄op 曼魄e e n 拄遮罄涎舞。娃。珏鑫羲da s s 鼢b 跨，f e 重娃魏舀 a n n e a lt h es t r e s sa n dt e s te t c a c e o 嬲派gt ol 培8 p p l 矗臻t i o 娃o fe 涯擎5 0 0i 菇s t 鞋母i 拄gd e t e o i o 拄曩n 痘曩s s e i 牡壤yt 羚l e 鞋s ，i t i n 打o d e st h ea 8 s e m b l ya i l de x a c t i t u d ep r o c e s st e c h n 0 1 0 9 yc o u r s eo fp r o j e c t i o nl e n s 挂i l dt h e i l 华中科技大学硕士学位论文 m e a s 毽f e 热rp l o 堪g e 氇e r e e s i o n 。s i f m l l t a 热e o u si 砉si n s p e c t 掰l 硅i m 鑫舀n g 豫s 瀵t 主s 窑i v e 珏。 h e t e s tr e s u l ti n d i c 扭t e st h a ta ho fm et e c h n i q u e sa n dm e t h o d su s e di nt h 谂t o p i ca r es u c c e e d e d 1 i h i s 幻p i c 曩c 翻獭u 1 8 t e s 攮ee x p c f i e 靶e ea n 娃鼹疼。羚s 强ea p p hf 。rs t u 鸯i n g m a n u 妇c t u r i n gt h eh i 曲p r e c j s i o np r o j e c t i o nl e n s a to n et i m e ，i te s t 曲l i s h e saw e l lt e c h n i 唾u e 酶s i e 瓤e v e l 婶i 鳟凌。龋g m 蹦lo fl 髓幽n a 皴d 疆持醚受e e 殛。珏p 嘲。娃i 。琏l e n s k e 拶o r d s ：s 曲一畦e 燃e 燃p 嘲e c 蛀。致l e 娃sn 嘲蘸蕊a p 戳娃怒 d i s t o r t i o m 靠e eg l u i n gs i r e s s 一矗e ea d h e s i o l l l m 鞋g i n ge v 毹u a t e 一_ _ * _ h _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ m m _ 一 l i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位沦文足我个人稚：导j j i | i 的搬导l 、进行的 | j l ：宄，l ： 1 i 及墩 得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论义一i 包含化何e 他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。剥本文的研究做贡献的个人和艇休， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声州们法律纳来小人承抓。 学位论文作栉签名：瘤撇 川j ：o 嘶年争jj “l l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位沧文的规定，即：学校有 权傺磐并向国家有关部f j 残机构送交论文豹复印俘和电予叛，允许论文被蓬阕和 借阙。本人授权华中葶； 技大学可以将本学挝论文纳全郝或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密n ，在 营年解密后适用本授权书。 本论文属于 文作攀揪瀚摊名穆 日期：如年争月彤曰 曰期：加彳年 f i ；i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的来源、目的、意义 l 绪论 光刻设备是大规模集成电路( i c ，i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 生产中用量最大、最为关 键的设备之。据统计，光刻设备约占i c 微细加工设备的3 0 ，是当前超大规模集成 ( u l s i 、u l t r as c a l ei n t e g r a t i 。n ) 制造中最为复杂的尖端设备：1 。可以说，光刻设 备的水平是衡量大规模集成电路生产水平的一个重要标志。因此，闩、美落生产先进国 家都倾注大量的资金和人力扶植光刻设备技术的发展，以巩固其在生产上的领先地位。 投影光刻物镜是光亥l 枫的核心部件，是实臻集成电路高分辨率亥漆9 的关键。光亥l 技 术从g 线( 曝光波长4 3 5 。8 n m ) 、i 线( 曝光波长3 6 5 n m ) 发嶷裂今天的涤紫步 ( d u v ) 准分 子激光光刻，特征尺寸从3um 生产水平发展到今天的6 5n m 2 3 。可以说，光学光刻技 术始终保持了在动态随机存取存储器( d r a m ，d y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ) 、专用 集成电路( a s i c ，a d v a n c o ds p e c i a li n t e g r a t e dc i r c u i t ) 和军用硅集成电路( s i i c ， s n i c o ni n t e g r a t e dc i r c u i t ) 、砷化镓( g a a s ，g a l n u ma r s e n i d e ) 生产的统治地位， 其中，投影光刻物镜的按术发展起到了保证作用。 投影光刻妨镜铡造技术是一f 1 综合的高新技术。迄今为止，在世界光学技术范围肉， 除了大型光学天文望远镜因体积大两具有的特殊技术难度终，还很难想象出有哪一种光 学组件的制造技术比高性能投影光刻物镜更为复杂和困难的。投影光刻物镜从设计、材 料、加工、检测、装校各方面都存在一些十分困难的技术难题，就连一些著名的光学生 产厂家考虑到技术困难因素和经济投资因素，而不愿涉足此领域，目前世界上只有嗣、 德、荚、荷兰、俄等少数国家可以生产此类镜头 “ 。由于光刻橇的国防应用背景，西 方髫家对我国一直实行严格的技术封锁，仪当我霾静半导体隶途设备研究有了薪的突破 时，国钋才允许固一档次的制造设备进入中国，丽军用设鍪则卡得更死 6 7 。 为缩小我时光刻物镜制作技术与国外的差距，打破鹾方技术封锁和禁运，使我国光 刻投影镜头技术和光刻机艇机技术上个新台阶，促进军用电子元器件进步与发展，提 高国防技术现代化，中国人民解放军总装备部给中国电子科技集团第四十五研究所( 以 1 华中科技大学硕士学位论文 下简称四十五研究所) 下达了一项军工研究项目。浚项目涉及从俄罗斯引进光刻投影镜 头制造技术并在国内配套实施，以形成o 8 微米光刻镜头小批遗生产能力，同时研制出 o 5 微米光刻镜头，从而满足我围超大规模集成电路的研刷开发对光刻投影镜头的需求。 项目要求研制的光刻镜头，即g 线和i 线投影光刻物镜的技术指标如表l l 所示。本学 位论文煞研究涉及该矮蠡的部分工传。 表l - l g 线和i 线投影光刻物镜的技术揆标 指标值 指标顼弱 g 线光刻物镜 i 线光刻物镜 数值孔径n a o 4 50 5 倍率1 5 l 5 线视场( m ) 1 4 1 415 1 5 谱线( n m )唾3 5 8 3 6 5 0 共轭距( 勰) 6 0 0 28 0 0 2 实用线宽( 岫) o 8 o 5 1 2 国内外研究现状、水平和发装趋势 1 2 1 国外发展状况 光学光刻是目前制造i c 芯片的最关键工艺之，作为光学光刻关键设备的分步投 影光刻机已经成为i c 行业的主要制造设备之一。投影光刻物镜又是分步投影光刻机的 最核心部件，可以说没有高性能的投影光刻物镜就没有更高档次的分步投影光剡机【：8 。 由于投影光刻物镜的研铷技术国外直对我国实行技术封锁，因此无法了解到其体的研 涮技术，下面只能就投影光刻物镜豹发鼹状况及发艘趋势说明一下。 决定投影光刻物镜最关键的技术摆标，一是光学刻制的分辫率，二是高分辨率下 的刻蚀深度。 影响投影光刻物镜分辨率的因索很多。根据瑞和公式，刻制分辨率 r = k - n a ( 1 1 ) 2 华中科技大学硕士学位论文 式中，k 。为工艺系数，n a 为投影物镜的数值孔径， 为曝光波长 9 。 影响刻蚀深度的主要因素之一是光学系统的刻蚀曝光成像的焦深( d o p ，d e p t ho f f o c u s ) d o f = = k 。x n a 2 ( 1 2 ) 式中，k ：为工艺系数 1 0 。 由式卜l 河见，要提高分辨率以刻制更为精细的图案，需要增大镜头的数值孔径 和缩短曝光波长；但由式卜2 ，要加大焦深以刻制线条更为陡点图案，则需减小数值孔 径和增加曝光波长。因此，要获得既精细、线条又陡直的刻蚀图案，尚需在刻蚀工艺的 其他方面采取措施，以降低系数k 或加大系数k 。事实上，围绕着这几方面的影响因索， 投影光刻物镜的翎造水平和光刻技术的提高经历了逐步发展的过程： ( 1 ) 在缩短瀑光波长方西 曝光波长已经经历了g 线( 入= 4 3 5 。8 n m ) 一i 线( = 3 6 5 n m ) 一远紫外线 ( 入= 2 4 8 n m k r f 准分子激光光源) 一深紫外线( 凡= 1 9 3 n m a r f 准分予激光光源) 四个阶 段，更短波长 = 1 5 7 n f 2 准分子激光光源正在开发中。目前g 线光刻技术在微电子机 械系统( m e m s ，m i c r 。e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) 、多芯片模块( m c m ，m u 】t i c h i p m o d u l e ) 等大焦深特种光刻领域正在发挥潜能，i 线光刻技术和 = 2 4 8 n md u v 光刻技 术仍是主流光裁技术，而x = i 9 3 n m 稻1 5 7 n l i l d u v 光刻技术仍在迸一步完善之中。现在 1 9 3 n m 光刻技术已经可以达到线宽6 5 n m 的量产阶段，4 5 n 瓣正在研剩实验阶段1 1 1 1 3 。 ( 2 ) 在增大镜头的数僮孔径方面 随蓿技术的进步，数值孔径由小到大的增加过程为：o 2 8 一o 3 5 0 4 2 一o 4 8 一o ，5 0 0 6 0 o 6 5 一o 6 8 0 7 0 o 7 5 一o 7 8 一o 8 0 o 8 2 ，现 最新推出的1 9 3 n n l a r f 光刻机数值孔径最高已达1 2 ，比最初的o 2 8 增大了4 0 0 1 4 一1 6 。 由予传统的光学光刻机的工作环境为空气( 折射率n = 1 ，n a = n s i i l9 = s i n o ， 不可能实蕊n a l 豹设计。若采用浚没( i 潮e r s i o n ) 式光刻技术，即在成像系统透镜与 硅片之间充满液体羼进行曝光，因在液体中光的拆慰率比大气中高，可使曝光设各的数 值孔径( n a ) 得到飞跃的提高，从瓶能够大大提高光学光刻的分辨率。若液体为水，相 当于有效曝光波长( 名嚼= 缸，其中加姗代表浸液的折射率) 缩小l 4 3 债，也戟 华中科技大学硕士学位论文 是曝光波长为1 9 3 n i i l a r f 光刻机所能保证： 艺可行的焦深要求 】6 。 ( 3 ) 在降低工艺系数k 。方面 降低k 的途径包括改善照明条件、提高抗蚀剂性能、光学邻遁效应校正以及采用 移捅淹模等几个方面。只有当掩模设计、照明条件和抗蚀帮工装问时达到最往化才能实 璎越k 。馕成缘。工艺系数k ；从过去的o 7 0 降低至0 5 01 1 8 ，进_ 纛降 氛到了0 。3 5 。对予 大生产环境，通常的k 。因子多为o 7 左右；对于实验环境，k 。因子则可到o 5 左右预测 能接近o 2 5 ，而当k = 0 2 5 时，便接近光学光刻的物理极限而无法成像。 ( 4 ) 在光学光刻中，由于硅片图形存在大的台阶高度和其他误差，一般要求焦深 d o p 至少为0 5 u m 1 9 。如前所述，蓿仅从数值孔径及光波波长的角度来考虑加大焦深， 势必以牺鞋分辨率作为代价，所以必须寻找新的工艺方法提高工艺系数k ：，使在提高分 辨率的同时，又能 果证工艺可 予的焦深要求。近些年采用的光学光刻波蓊工程，如：移 相掩模技术( p s p ，p h a s e s h l f tp h 。t o m a s k ) 、离辜喹照明技术( o a l ，o f a x i s i 1 1 u i n i n a t i o n ) 、光学邻近效应校正( o p c ，o p t i c a lp r o x m i t y ( e f f e c t ) c 。r r e c t i o n ) 等方法既能提高光刻刻制的分辨率，又能保证焦深的要求 2 0 。 对于光学光刻技术的前景，尽管电子学界早在1 9 7 9 年就曾预言它即将消亡，并说： “从现在起就应当埋葬这种占统治地位的芯片制造工艺，而让电子柬唐写系统来占领集 成电路光猁阵魏。”此后还怀疑i 线曝光设备能否成功，以及光学光弱应让位于x 射线 光刻等群矛孛说法。可是，历史著没有按上述预言那样发震。事实上，i 曩过人们豹不断努 力，研究出了各种分辨率增强技术，使光学光刻技术达到了一个又一个新的极限。如今， 全球光刻设备制造的领航者一a s m i 。公司生产的t w i n s c a nx t ：1 4 0 01 9 3 n m 扫描光 刻机，数值孔径为0 9 3 ，已经达到了6 5 n m 的量产水平，4 5 n m 正在实验阶段。如果采用 浸入式光刻方法，1 9 3 n m 预计可延伸到3 2 n m ，如果浸入液体的折射率增加( 到1 7 或更 高) 1 9 3 n m 可延伸到2 2 n m 。1 5 7 n m 光刻只有结合浸没式技术才有可能存在，而且是作为 一秘l 可能性较小的选择 2 l 一2 4 。 1 。2 2 国内发展状况 自1 9 7 8 年美国g c a 公司的第一台投影光刻机问世后，我国于1 9 7 9 年就开始了跟 4 华中科技大学硕士学位论文 踪研究并着手进行研制。至今，尽管我国投影光刻机镜头的研制工作已有二十多年历史 了，但与世界先进水平相比，我国投影光刻机( 包括投影物镜) 的制造技术仍落后十到 十五年。目前，国内虽已有四十五研究所、浙江大学、中翻科学院光电技术研究所等单 位先后研制出几个技术指标相当于圈外9 0 年代初期水平的g 线和i 线的光刻物镜 2 5 _ 2 7 j ，位无论是设计开发还是制造、检测技术帮手段都还魄较落后。 四十五磅究赝正在与上海微电予公司合作研制的0 。l 耻m 分步投影光刻机，是以四 十五研究所o 5 m 分步投影光刻机为原始技术基础，以荷兰a s m l 5 5 0 0 扫描投影光刻机 为技术目标，具有o 5 岬的自动对准、妇动调焦调平、自动上下片、高速工作台等已 成熟技术。消化吸收改进了荷兰a s m l 5 5 0 0 分步投影光刻机的高速高精度控制技术、环 境控制技术、工艺软件技术等，使我舀的分步投影光捌机上了一个新的台阶，屠国内领 先水平。 1 3 本课题的主要研究工作 投影光刻物镜是投影光刻枞的心脏，较集中体现了光学设计、机械设计、加工、检 测、装配、工艺等多方面的设计制造水平，技术难度很大。本文主要研究g 线和i 线投 影光刻物镜制作过程中的几项关键技术及其解决方法，包括如下涉及到投影光刻物镜的 机械设计、光学装校和光学检测等方面的内容： 1 ) g 线( 或i 线) 投影光刻物镜结构设计及其制作； 2 1 在透镜拥工过程中，完成透镜中心厚度的测试； 3 ) 完成镜片高糖度无变形胶合及透镜与镜框的无应力糕接技术； 4 ) 完成投影光刻物镜的装配及检测。 5 华中科技大学硕士学位论丈 2 投影光刻物镜的机械结构设计及其实现 塞于投影光刻物镜要求在大数值孔径、袁分辨率和宽焦深的情况下，使整卜视场范 围内形成赢质量的刻蚀图像，这给镜头组件及其组合结构的设计提出了严格的要求。如： 在整个视场范围内要求较高的传递函数值，畸变小于o 1 m ；透镜间的空气间隔误差 小于5 岬，其对主光轴的偏心角小于5 角秒；透镜面形精度要求小于“2 0 ( x 为检测 光波长) 等。同时，为了满足 二述技术要求，g 线物镜中透镜片数多达十九片，i 线物镜 中透镜片数多这二十三片，且透镜最大口径为1 2 5 m m 、厚度最簿约2 5 m m ，从丽导致物 镜的整体熏量很重，掰以缭构毒孝料要求材质轻虽变形小。 考虑上述因素，物镜的极械结构设计险主要保证各光学元件都保持在精确的空间位 置上外，同时还应合理选择结构材料以保证每组透镜的面形精度，使光刻物镜能发挥出 最佳的光学设计水平。 2 1 物镜橇械结构分析及物镜的机械结构设计和制作 2 1 1 原有物镜结构分析 四十五研究所原生产投影光刻物镜 的机械结构形式如图2 1 所示。由于本课 题投影光刻机有更离的精度要求，须对该 透镜 物镜的机械结构进行改进设计，因而有必 要对原机械结构进行必要的分析。 由图2 1 霹鞋看到，原物镜的所有透 镜都在同一镜简内，依次由隔圈分隔并用 压圈进行轴向压紧固定。这种物镜结构的 最大优点在于设计、制作和安装简便，很 容易实现。通常，在物镜分辨率要求不高、 图2 1 原物镜结构简图 筒 隔圈 6 华中科技大学硕士学位论文 镜片数目不多的情况下，一般多采用这种结构形式，其透镜问沿光轴方向的空气间隔和 镜片的偏心主要靠镜筒、隔圈、压圈以及透镜外圆的加工精度来保证。 由于本课题g 线投影光刻物镜由十九片透镜组成，且要求两镜片间的车由向空气间隔 误差小于5 叫1 ，偏心角小于5 角移，透镜面形精度小于 2 0 ，继续采用琢有结构及加 工、装配方法是难以满足这些要求的。主要原因可归结始下： 第一，镜衡、隔圈秘压圈有关尺寸的加工精度一般在几十微米的数量级，本身就难 以保证上述要求；且即便是提高制造精度，由于下述问题的存在，仍旧会在装配中影响 制造精度。 第二，图2 1 所示结构中，所有透镜、隔圈在镜筒内串接，并由压圈轴向固定。由 于十九个透镜的重力及压圈的轴向压力将造成各隔圈不同程度的变形，同时透镜与镜筒 问存在配合间隙，从而造成装配磊各透镜在镜筒内的轴向及径淘位置会偏离设计要求， 以及透镜光轴榴对主光轴可能发生偏斜。阁时，因透镜承受压力，英原有的露形耩发垮 受到影响。 第三，由于所有透镜串接安装，各层透镜的重量及轴向压紧力依次累积作用于下层 透镜，因而各透镜分别承受不同大小的轴向力，且越到下层的透镜受力越大。因玻璃在 没有应力时是备向同性的，如果受到外力作用时将破坏其各向同性，导致光线通过时出 现双折射现象，这是投影光刻物镜所不熊允许的。 第醒，因图2 一l 所示结构采用韵是封闭式窜接安装结构，旦装配完成则将无法对 啦现的上述装配引起的误差进行调整 偿。 由于原结构的投影物镜存在上述问题，须对其进l 亍必要的改进才能满足高性能投影 光刻物镜的技术要求。 2 1 2 物镜结构及其制作的关键工艺 2 1 2 1 物镜的总体机械结构方案及实物 经过 l 藿述分专厅及反复多次的实验研究，对于本课题的鑫性能投影光刻物镜，采用了 如图2 2 所示的结构方案。该物镜由多个独立镜框分别支撑各透镜，然后用螺栓将备镜 7 华中科技走学磁士学位论文 框串联联接为一体，最后蒋在备镜 摇努藤套装镶麓形威一令整体物 镜。 整2 3 绘滋羧上述缍秘方案裁 镜缓 作出的物镜实物图片。其中图2 3 a 所示为一个支撑透镜的独立镜框的 实物照片；匿2 3 b 艨示为各独立 镜框串联安装焉的图片；淘2 3c 为实际援影光戴耪镶豹照冀。 a 牯拔荆联结螺栓 圈2 2 物镜结构简圈 套蓠 图2 3 物镳隧 8 华中科技大学颈士学位论文 2 。l 。2 。2 物镜蠲揍兹冗矮荚键王葚 为保证亚微米( g 线和i 线) 投影光刻物镜的麓糕度要求，在实现上述结构方案的 制作过程中采阁了下述关键工艺。 ( i ) 透镜与镜攥无应力粒接 为了尽量减小各种装配力对各透镜精度的影响，将每个镜片都安装在一个单独的镜 捱逡，且镜片每镜捱袋用燕墨2 2 爨示翁无建力蓬接髫定结褥。出予瘸蘸应力终擒黢熬 镜片与镜框糕接为一体，对透镜本身舆有的西影精度没有影响；同时备透镜串联维合成 物铙辩，臻自攥拴逶过镜框鼗缓安装，透镜重力及安装压紧力均出镳缓承受，鼠蠢最大 限度地减小了备透镜的装配变形。 为了傈证镜片与镜框韵无变形装校定位，主要从三个方面采取措施：一是孝蠡接胶的 选择；二是粘接方法：三是牯按定心。 糕缓胶酶选择 对予镜片与镜框弱无应力精接匿定，胶匏选择缀爨簧。镜冀与镜槎之阕酾线膨灏系 数n 棚羞很大，一般光学玻璃枣才料a 为5 5 8 5 l 酽，镄食金专才糕q 为2 2 2 4 o 弩。因瑟辫溢凄变 乏戆，胶瑟薅缓巍学零件产生浚丈静应力，阻致影豌光学系绞箴 像质擞，甚至将光学零件拉裂域脱胶，导致粘按的失败。对粘接胶的要求是在不产生嘲 纯应力的前提下其有葭好的稿猿佳能，这建穰雅调和的矛藉。秘蓠国内尚无厂家生产满 足这静蒙求的胶，国外镜头制造厂家都是岛己研究配制并对配方严加保密( 2 8 。 为绦诞镜片与镜框的低应力糟接，本谍题选翔秸按综合性畿好的环氧树脂胶为基础， 并在壤l 有工艺鏊础上对糖接胶进行了激进。其体措施为改变环氧树鼹固谗物鹣交联密 度，降低胶层撙性模濑，使胶朦富有类似橡胶的弹性行为。当这种胶躅在线膨胀系数麓 勇较大豹毯冀与镶框秘糕接辩，溪产生静应力露簌富餐弹拣数浚震中“捡蔻”簿。这一 改进凰然对粘按强度有所降低，但可以减少应力对光学零件的影响。具体试验是先分别 选弱丁腈共聚裙、曹漓环氡糖精、聚醚环氧糖精、含奢聚丙二薛的二环氧纯物作改谴帮 对胶进行改性试验，然后使用这种改髓胶将镜椴与透镜进行糙接，并分别在激光球面干 涉纹上检溅透镜面形的变纯，发瑷爝含有聚嚣二簿豹二环氧化物作改缝荆改性的胶稳定 性妊，对镜片产生的虚力小，且糙接强度可以满足耷1 3 0 氆鼓以下的光学镜片与镜框鲍戆 9 华中科技大学硕士学位论文 接使用。其它几种改性的胶对镜片产生的应力相对大些， l 有的胶的强度有所降低。图 2 4 为其它几种改性胶粘按镜片后透镜的而形检测图中应力最小的一种，表2 1 为枪测 数据；图2 6 为用含有聚阿：二醇的二环氧化物作改性剂改性的胶粘接镜片后透镜的面形 检测窝，表2 3 为检测数据。 表2 1 透镜面形精度检测结果 被测件编号：g 0 6 飘期：0 3 5 l s时闻：1 5 ：2 5 ：2 8 名义半径r o实测半径r半径误差r光圈数 1 3 7 6 2 3 0 n u n1 3 7 6 2 1 0 m mo 0 0 2 0 h u n 一0 1 2 9 4 偏离标准最大值偏离标准最小值偏离标准峰谷值偏离标准均方根值 0 o 哇3 一o 0 4 5 o 0 8 8 九o 0 2 2 二维平面面形检测湖 三维立体西形检测图 图2 4 镜框与透镜粘接后透镜面形检溺图 由表2 一l 给出的检测结果可以看到，该镜片的西形误差为o 0 8 8x ，大予x 2 0 ，用 这种胶粘接透镜显然不能满足光学设计要求，因此最后选用含有聚丙二醇的二环氧化物 作改性剂改性的胶来进行镜框与镜片的粘接。 粘接方法 1 0 华中手手技大学硕士学位论文 透镜与镜框的粘接固定方法通常有两种：点粘接和面粘接两种方法。如图2 5 所示。 点粘接方法中，因粘接面积小， 其造成的应力相应较小，但粘接点的 多少及其分布将影响糕接对镜片产 生的应力，因焉需要控制糕接点的数 量；厦粘接方法中，尽管粘接面比较 大、粘接强度高，但对镜片产生的应 力也大，因而对胶的性能要求比点粘 接要求高。本课题采用点粘接法，并 针对不同大小镜片所需的簇本粘接 强度绘出了相应的糕接点数。 为了控毒4 积了解粘接力及粘接点 窜牢 点粘接法面粘接法 图2 ，5 透镜粘接方法 的均匀性对透镜产生的应力，在粘接过程中以及粘接前、后，均采用在激光球颟干涉仪 上测量透镜的面形精度方法，米检查粘接对镜片产生应力的大小。通过多次试验定性得 到粘接点数量与镜片大小的关系如表2 2 。 表2 2粘接点与镜片大小的关系 i 镜片大小( m m ) 1 0 0 1 2 57 5 1 0 05 0 7 5 5 0 以下 l 糕接点数量( n )1 61 4l o6 由于各个镜片的厚度不同，粘接点的数量就会存在一然变化，故表2 。2 只作参考。 对于蘩求这么高的投影光刻物镜来说，镜框与透镜粘接时必须做大量试验才能决定粘接 点的数量。 糕接定心 为了保证镜片光学轴与镜框几何轴耋台，当镜片与镜框牯接时，在糙接胶圈亿熬过 程中要以镜框的几何轴为基准轴来调整镜片光轴的位置，使二者同轴。镜片与镜框的定 心粘接在自制的对心仪上进行监测，该仪器可达到的定心精度为3 0 角秒，能满足光刻 物镜的要求。 1 1 华中科技大学硕士学位论文 由于采取上述三项措施，擦制了镜片与镜框粘接所引起的应力对镜片光学性能的影 响。经激光球面干涉仪测试，镜片粘接前、后面形刁；变，如图2 ，6 所示某一镜片粘按后 的透镜面形检测图，表2 弓为镜片的检测结果。 表2 3 透镜磷形精度检测结采 被溪9 件编号：g o l嚣期：0 3 0 2 l o时间：1 6 ：2 0 ：2 1 名义半径 实测半径r半径误差r 光圈数 1 3 7 6 2 3 0m m1 3 7 6 2 1 0m m0 0 0 2 0 m mo 7 3 0 0 偏离标准最大值偏离标准最小值偏离标准峰谷值偏离标准均方根值 o 0 1 6 一o 0 2 5 o 0 4 l o 0 0 7 维平蠢颓形检测图 三维立体面形检测图 鹭2 - 6 糕接后的透镜磊形检测匿 由表2 3 给出的检测结果看出，该镜片的面形误差为o 0 4 1 九，小于九2 0 ，达到投 影光刻物镜的设计要求。 ( 2 ) 以透镜为基准精加工镜框 镜框糙翻工是在投影光刻物镜装配专用系统e 卜9 5 0 0 上完成，关于该系统的介绍见 后续章节5 1 。 j 2 华中科技天学硕士学位论文 装绞参数 装校参数是指在装校光剡镜 头过程中蕊嚣静已熟测量参数、过 程测爨参数秘瑾论计算参数 2 鄂 ( 冤麓2 7 ) 。强2 - 7 中每个镜禳瞄 左边为镜框上表露。 已知测鬣参数是指透镜的厚 度d 、透镜熬鼹率半较楚、熟。 过程测量参数怒指镜框在精 魏l 工遭翟中溺鬟靛参数。过程溺量 参数包括加工盾的镜嘏薄度r 、镜 框上袭嚣与透镜中心焱高点戆离凄 差趣、镱蠖外蹋直径o 。这些参数 翻2 7 装校参数示意图 是在下一片镜梃加工时要用的渗数，也就是说它是传递参数。 程论诗算鼗跫攮在镜摇趣工遭程中惩鬟题参数，是遥过已龆测豢参数荨曩遭程溺豢 参数计算所得到的。理论计算参数包括精加工籍镜框下表面与遄镜中心最低点的高度麓 自，、透镜斓懿褒论空气藏黼f 。鹚、甄诗髯方法翔下： 鸭= r 一琏一d ( 2 一1 ) 岛= 一自2 ( 2 2 ) 瓣诧镜框上表瑟鲍壹霹二量按燕熬王。 镜梃糖加工装调原理 鹜2 8 为镜挺精翔工装谖阕。癌予精接曩透镜与镜壤魏旯露中心不可避惫存在褊心， 同时逡镜的主光轴与镜框的定能端面存在撼直度误差，因此对黻接莳机加工镜框的直镪 和厚度均瞽有o 8 毫米左右的修配加工余量。因透镜与镜框粘接后成为一个整体，装酝 薅以透镜光轴为基准对镜框避嚣精加工，鼹的是为了保证镜梃几俺皴和透镜瓣光学辘 的偏麓在光学设计允许范丽内，二是保证两透镱间的空气间隔在光学设计允差之内。 3 华中科技大学硕士学位论文 对镜框进行精加工时，首先 把粘好透镜的镜框装在投影光刻 物镜装配系统e 舻9 5 0 0 的镜框加 工座上( 如图2 8 ) ，并把透镜的 有关数据资料蜍入装配系统的计 算机。分别以镜框外圆及端面为 基准，手动打袭调节平移调整板 和倾斜调整板，将镜框几何轴与 物镜装配系统主轴大致调同轴 后，装配系统进行自动对心。自 动对心完残后，装配系统按输入 图2 8 镜框精加工装调图 的数据对镜框遴行精加工。翻一9 5 0 0 装配系统采用金因石刀具车削加工，镜框加工嚣的 粗糙度达到r a 为o 2 e m ，平面度达到o 5 p m ，尺寸精度达到l 址m 。 镜框精加工工艺过程 镜框精加工实际上就是以物镜装配系统的主轴为基准，修切镜框的上下表面和外 圆。镜框加工：序为：先加工镜框的e 表丽，辩加工镜框的下表面，最后加工镜框的侧 面。 a ) 加工镜框上波面 按光学设计要求将镜框装调对心后，首先将其上表露加工光滑，罔物镜装配系绞上 的高度测景仪测量透镜中心与镜框上表面的高度差h 。，然后减去计算好的理论值确定上 表面加工余量。 车削上表谢分若干次进行，每次吃刀量约2 0 岬。在加工余量大约还剩3 0 儿m 时， 再次溺量h i 值，保证最后一刀的吃刀量在1 0 h m 左右。加工完毕后，测量并记录h l 。 ( b ) 加工镜框下表面 加工镜框下表面时不需要计算尺寸，由于镜框厚度船工余量为o 。8 翻，豳梵加工下 表面时大致去掉o 4 m m 即可。注意吃刀量不能超过2 0 岬，最后一刀吃刀量在l o 扯m 左 右。加工完毕用e m 一9 5 0 0 装配系统上的厚度测量仪测量镜框的厚度t ，并记录下来。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 ( c ) 加工镜框的外圆 先将镜框外圆加工光滑，然后测量镜框直径，并计算测量值与理论值的差值得到加 工余量。镜框的外圆尺寸极限偏差为o 0 5 m m ，按吃刀量2 0 h m 分若干次进行车削。车 削完毕再次测量镜框的真径d ，并记录下来。 第一个镜框加工完毕层，取下放在大理石平扳上，装卡第二块透镜。按照装校参数 中介绍的公式计算出下一片透镜的h 3 ，重复以过程依次加工第二块、第三块。 表2 4 为g 线投影光刻物镜中部分镜框糙加工后的测试结果。其中h 1 为镜框上表面与 透镜中心最高点的高度差、h 为根据测量使计算出镜框f 表面与透镜中心最低点的高度 差( 见图2 7 ) 。表2 4 中h 1 一列内的两行数据分别为所计算的理论值和加工后的实际值。 表2 4g 线投影光刻物镜中部分镜框精加工后的测试结果单位：i n 【1 1 圈 透镜曲 理论空 空气阈透镜厚度 b 1 镜框厚度镜框直径 h 2 号率半径气间隔隔误蔫 ( d )( t )( d ) 0 1 2 2 7 3 3 5 2 l0 7 0 5 9 8 2 7 l2 3 。4 0 3 3 1 31 7 1 8 5 58 3 1 6 0 2 一1 3 9 ，7 2 8 0 0 9 6o o o l 3 i 。2 1 3 7 6 2 08 2 2 0 0 2 2 4 5 5 84 4 5 8 1 2 0 61 7 1 8 3 52 8 2 4 4 5 0 4 3 2 0 5 s 8 2 2 1 3 3 1 3 5 6o 0 0 0 s 【0 3 9 4 9 4 3一2 6 8 8 8 5 4 8 6 2 l5 0 2 4 3 6 8 8 1 7 l ，8 6 7 6 8 + 5 1 3 1 8 8 2 6 8 8 8 0 2 昏1 2 1 3 5 5 9 1 9o 0 0 0 7 3 3 8 7 3 21 2 5 9 4 1 9 3 3 6 0 3 5 9 91 7 1 8 4 54 0 5 3 0 4 3 0 0 4 5 6 6 8 一1 2 5 9 4 8 96 4 2 1 3 1 4 5 5 1o 0 0 0 5 6 5 0 0 6 02 5 9 7 9 4 0 0 5 5 8 2 8 2 5 9 7 8 9 3 3 5 1 3 0 1 8 71 7 1 8 3 75 5 2 8 l l l 7 1 4 9 h 4 6 1 4 7 4o 0 0 0 5 3 5 8 4 3 2 46 1 9 2 8 8 3 5 5 2 0 7 0 81 7 1 8 2 48 + 4 3 9 2 9 8 0 6 2 0 。8 8 8 6 1 9 3 4 11 0 2 3 3 2 1 6 2 3 3 o 0 0 0 3 7 一7 3 6 9 8 97 7 9 3 7 0 o ?1 4 + 7 9 l3 5 0 0 3 3 1 21 7 1 8 2 61 2 4 1 8 9 8 5 2 9 2 2 7 47 7 9 3 3 3 2 2 物镜机械结构材料的选用 因物镜是通过所有透镜的镜框串联联接的，所以镜框材料的选择将妻接影响至i 貔镜 的整体重摄、镜框串接安装的轴向变形、物镜工作时的热稳定性，以及镜框的切削性能 5 华中科技大学硕士学位论文 等，从而影响到物镜的性能。综合考虑这四方面的因素，最终选择经过适当热处理的锻 造铝合金作为制作本课题投影光刻物镜镜框的材料。下述内容将介绍锻造铝合金镜框在 上述网方面的影响。 ( 1 ) 物镜的整体重量 一般两言，制作镶框大都使用铡台愈材料。对于大数健孔径的高分辫率投影光刻物 镜来说，通常组成物镜的透镜片数都在二十片左右、甚至三十多片 3 0 ，同时由于每片 透镜的直径与厚度较大，导致物镜镜片加镜框的整体重量可达5 0 蚝左右。 本课题采用锻造铝合金作为镜框材料，大大减轻了物镜的熬体重量。表2 5 给出了 按课题的结构方案，分别用铜和锻造铝合金制作物镜镜框的重量对比数据。由该表可见 嗣锻造铝合金作镜框，物镜整体重2 0 2 地，比用铜制作减少2 3 4k g 。 表2 5 不同镜框橙料的g 线投影光刻物镜重量对比 镜框材料 密度( g 怒m 3 ) 镜框数鬻镜框总重( 连) 物镜慧重( 迤) 铜合金 8 8 51 93 4 84 3 6 锻造铝合金 2 8 91 91 1 42 0 2 ( 2 ) 联接引起的镜框轴向变形 物镜结构采用独立镜框串联式联接，镜框与 镜框之间靠三个螺钌连接紧固。若螺钉的紧国 力小，则整个镜组的定位不牢，镜框与镜框之 间容易产生相对移动，从而导致各透镜的光轴 不同轴，影响成像质量。若螺钉的紧固力大， 虽然定位牢靠，但镜框受到的挤压力大，镜框 的轴向变形也会增大，从而导致两镜片闻的空 图2 9 镜框联接图 气闻隔鹣变化；特别是若三个连接螺钉的紧匿力不