全頻段亞納米精度氟化鈣材料加工

張春雷，徐 樂，劉 健，馬占龍，王 飛，谷永強(qiáng)，代 雷，彭石軍

(中國科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 超精密光學(xué)工程研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130033)

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全頻段亞納米精度氟化鈣材料加工

張春雷*，徐 樂，劉 健，馬占龍，王 飛，谷永強(qiáng)，代 雷，彭石軍

(中國科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 超精密光學(xué)工程研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130033)

考慮用CaF2材料制作投影光刻物鏡可以明顯提高其性能指標(biāo)，本文研究了CaF2材料加工工藝的全流程， 以實(shí)現(xiàn)CaF2材料的全頻段高精度加工。首先，利用瀝青拋光膜和金剛石微粉使CaF2元件有較好的面形和表面質(zhì)量。然后，優(yōu)化轉(zhuǎn)速、拋光盤移動(dòng)范圍、壓力等加工工藝參數(shù)，并使用硅溶膠溶液拋光進(jìn)一步降低CaF2元件的高頻誤差，逐漸去除加工中產(chǎn)生的劃痕并且獲得極小中頻誤差(Zernike殘差)和高頻粗糙度。 最后，在不改變CaF2元件高頻誤差的同時(shí)利用離子束加工精修元件面形。對(duì)100 mm口徑氟化鈣材料平面進(jìn)行了加工和測(cè)試。結(jié)果表明：其Zernike 37項(xiàng)擬合面形誤差RMS值可達(dá)0.39 nm，Zernike殘差RMS值為0.43 nm，高頻粗糙度均值為0.31 nm，實(shí)現(xiàn)了對(duì)CaF2元件的亞納米精度加工，為研發(fā)高性能深紫外投影光刻物鏡奠定了良好基礎(chǔ)。

氟化鈣；投影光刻物鏡；精密光學(xué)加工；亞納米精度加工；離子束修形(IBF)

1 引 言

深紫外光刻物鏡是深紫外投影光刻機(jī)的核心部件，具有衍射極限的成像質(zhì)量，所以在光學(xué)材料、設(shè)計(jì)、加工、鍍膜和裝調(diào)等方面有著極高的要求[1]。單一材料的深紫外光刻物鏡系統(tǒng)通常只能在很窄的波段范圍內(nèi)保持良好的成像質(zhì)量，所以為了消除色差，投影光刻物鏡至少要采用兩種光學(xué)材料。目前，只有融石英和氟化鈣晶體材料在透過率、均勻性、應(yīng)力雙折射、條紋度、氣泡度等方面滿足投影光刻物鏡對(duì)光學(xué)材料的嚴(yán)苛要求[2]。其中，氟化鈣晶體材料在深紫外波段具有更高的激光損傷閾值，因此成為研發(fā)高性能指標(biāo)深紫外光刻物鏡的必選材料之一。

氟化鈣是一種重要的光功能晶體，具有良好的光學(xué)性能、機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，可用作光學(xué)晶體、激光晶體和無機(jī)閃爍晶體。但是其加工難度比一般的光學(xué)玻璃要大，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：氟化鈣材料較軟，氧化鈰等常規(guī)拋光顆粒會(huì)在氟化鈣元件表面產(chǎn)生劃痕，加工過程中粗糙度較大、效率低，加工后表面質(zhì)量較差；氟化鈣材料的各向異性使其在某一晶向上的盧氏硬度存在差異，加工后可能出現(xiàn)三瓣?duì)蠲嫘?；氟化鈣材料是典型的脆性材料，斷裂韌度低、熱膨脹系數(shù)高、熱導(dǎo)系數(shù)低，這些特性導(dǎo)致加工時(shí)局部受熱不勻，可能會(huì)使氟化鈣元件炸裂。

在氟化鈣材料的全頻段加工過程中，根據(jù)空間頻率誤差劃分為低頻、中頻和高頻。其中，低頻面形誤差與系統(tǒng)像差相關(guān)聯(lián)，并決定成像系統(tǒng)質(zhì)量；中頻誤差表現(xiàn)為中程散射，增加閃耀并減小成像對(duì)比度；高頻誤差粗糙度表現(xiàn)為長(zhǎng)程散射，不影響成像質(zhì)量但損失能量。針對(duì)深紫外投影光刻物鏡對(duì)氟化鈣光學(xué)元件的高精度加工要求和材料特點(diǎn)，不同空間頻率誤差源于不同的加工方式。離子束修形技術(shù)(Ion Beam Figuring，IBF)是先進(jìn)的確定性光學(xué)加工技術(shù)，具有加工精度高、去除函數(shù)穩(wěn)定、面形收斂快等特點(diǎn)，并且不會(huì)惡化光學(xué)元件的中高頻誤差[3-7]，這一特點(diǎn)使其適合氟化鈣光學(xué)元件低頻面形的亞納米精度加工。根據(jù)Preston方程，大尺寸剛性盤-瀝青拋光盤在控制中高頻誤差方面具有更好的加工效果，并且可以抑制三瓣?duì)蠲嫘蔚漠a(chǎn)生，但拋光時(shí)需要采用氧化鋁、金剛石微粉和硅溶膠等拋光液，逐級(jí)減小拋光顆粒尺寸，將上一級(jí)產(chǎn)生的劃痕等損傷逐層去除，才能獲得亞納米精度中高頻誤差的氟化鈣光學(xué)元件。

本文根據(jù)氟化鈣的加工特點(diǎn)，對(duì)不同階段的加工工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了亞納米精度的氟化鈣材料加工，為高性能深紫外投影光刻物鏡的研發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。

2 CaF2晶體加工設(shè)備及原理

2.1 氟化鈣晶體材料的去除機(jī)理

利用金剛石微粉拋光CaF2晶體可以理解為機(jī)械拋光，而硅溶膠拋光CaF2晶體與光學(xué)玻璃拋光原理相近，都表現(xiàn)為復(fù)雜的物理化學(xué)過程，其拋光機(jī)理[8-9]可以理解成下面幾種作用的共同結(jié)果：(1)機(jī)械磨削作用：拋光顆粒嵌入到拋光膜內(nèi)，通過一定加工軌跡磨削掉比拋光顆粒更軟的CaF2晶體材料；(2)CaF2晶體的水解作用：水中的H+進(jìn)入CaF2晶體表面，與晶體表面活潑的陽離子Ca2+進(jìn)行交換，在表面形成Ca2+-OH鍵，同時(shí)H+與SiO2顆粒作用在其表面形成Si-O-H鍵，Si-O-H鍵中的H+與Ca2+-OH中的OH-結(jié)合釋放水分子，最終形成Si-O-Ca2+鍵的過渡附著物質(zhì)層。這層物質(zhì)更容易溶解或由于機(jī)械磨削而去除，露出的晶體表面在壓力和水的作用下再次形成Si-O-Ca2+層，從而實(shí)現(xiàn)CaF2晶體的持續(xù)去除；(3)CaF2晶體表面的塑形流動(dòng)：CaF2晶體表面形成的過渡附著物質(zhì)層在拋光模作用下塑形流動(dòng)，高點(diǎn)被抹平，低點(diǎn)被填充，從而獲得更規(guī)則的表面結(jié)果；(4)晶體表層過渡物質(zhì)重新沉積：過渡附著物質(zhì)被磨削去除的同時(shí)伴隨著該物質(zhì)的重新沉積過程。拋光結(jié)束后，晶體表面可能存在由拋光物質(zhì)和過渡附著物質(zhì)組成的混合層。

2.2 環(huán)帶拋光設(shè)備及原理

拋光使用設(shè)備為六軸數(shù)控拋光機(jī)床，機(jī)床采用花崗巖材料、立式龍門結(jié)構(gòu)，具有X，Y，Z，A，B，C6個(gè)伺服運(yùn)動(dòng)軸。鏡片拋光采用大尺寸剛性拋光模以螺旋路徑拋光環(huán)帶方式對(duì)材料進(jìn)行去除，拋光模在鏡片上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖1所示，鏡片上A點(diǎn)速度可表示為[10]：

v=v1+v2+vf.

(1)

v的X方向和Y方向分量的標(biāo)量可表示為：

(2)

又由v1=rω1，v2=ρω2，得：

(3)

其中：r為拋光模上點(diǎn)A到鏡片的中心距離，ρ為拋光模上點(diǎn)A到拋光模的中心距離，ω1和ω2分別為鏡片與拋光模的自轉(zhuǎn)角速度，g為拋光模中心與鏡片的中心距離，r0為拋光模半徑。給定壓力條件下，鏡片和拋光模的自轉(zhuǎn)速度、拋光模中心與鏡片中心的距離、拋光模的移動(dòng)范圍直接影響鏡片上的去除環(huán)帶。光學(xué)元件表面材料的去除量使用Preston[11]方程描述，Δt時(shí)間內(nèi)A點(diǎn)材料的去除量為：

ΔH=KPvΔt，

(4)式中：Δt表示拋光盤與工件表面的作用時(shí)間；K表示比例系數(shù)，也稱Preston系數(shù)，與被拋光材料、拋光模、拋光顆粒種類、拋光液濃度與pH值及拋光溫度有關(guān)；P表示拋光盤在工件表面某一點(diǎn)處產(chǎn)生的壓強(qiáng)；v表示拋光盤相對(duì)工件該點(diǎn)的速度。

拋光壓強(qiáng)分布P可以表示為[12-13]：

(5)

式中：q0為背板上所施加的壓力，D為背板的彎曲變形剛度，Ds為背板的橫向剪切剛度，s(ξ)為空間頻率ξ處的表面面形誤差。

圖1 拋光模與鏡片的相對(duì)運(yùn)動(dòng)示意圖

拋光過程中拋光?？梢允褂脼r青或者聚氨酯，使用瀝青拋光?？梢垣@得更好的表面質(zhì)量和更小的中頻誤差。瀝青和聚氨酯的加工原理如圖2 所示，瀝青屬于黏彈性材料，可以更牢固固定拋光顆粒，使不同尺寸顆粒在鏡片表面保持統(tǒng)一高度，以得到較好的表面質(zhì)量。瀝青拋光模更容易控制中高頻誤差，其加工過程中具有更大的壓縮剛度，鏡片表面高低點(diǎn)間壓強(qiáng)差異更大，利于平滑小尺寸誤差。瀝青拋光模與聚氨酯拋光模在壓強(qiáng)為0.5 GPa，鏡片面形PV值為1 μm、空間頻率為4 mm的正弦分布情況下，鏡片上高點(diǎn)和低點(diǎn)的壓強(qiáng)差異如圖3所示。從圖中可以看出使用瀝青作為拋光模，高點(diǎn)壓強(qiáng)大致是低點(diǎn)的2倍，即根據(jù)Preston方程理論上高點(diǎn)的材料去除量是低點(diǎn)的2倍，所以應(yīng)用瀝青拋光模拋光CaF2材料對(duì)修正中頻誤差具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖2 聚氨酯與瀝青拋光模的拋光差異

圖3 瀝青和聚氨酯拋光過程壓強(qiáng)差異

Fig.3 Pressure as a function of diameter in polishing processes with polyurethane and pitch lap respectively

在去除環(huán)帶的仿真計(jì)算中，采用離散的方法將不同時(shí)間段內(nèi)的材料去除量相加獲得整個(gè)加工過程的材料去除量。首先根據(jù)需要將拋光模的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期分成若干份，然后根據(jù)初始位置和式(3)～式(5)計(jì)算每個(gè)位置處的r和θ，再將這些位置處的材料去除量相加，圖4所示為3個(gè)時(shí)間段的元件材料去除率示意圖。

圖4 材料去除仿真示意圖

2.3 高精度面形精修設(shè)備及原理

IBF原理為離子束濺射去除加工，它使用聚焦離子束轟擊工件表面，轟擊過程中離子和工件原子之間以及工件原子相互之間發(fā)生復(fù)雜的級(jí)聯(lián)碰撞過程。級(jí)聯(lián)碰撞過程同時(shí)也是能量交換和傳遞的過程，當(dāng)工件表面的原子獲得足夠的能量可以擺脫表面束縛能時(shí)，就會(huì)以濺射原子的形式脫離工件表面，如圖5所示。使用3軸離子束加工設(shè)備加工上述測(cè)試元件。由于設(shè)備沒有傾斜軸，如果加工元件不是平面則需對(duì)入射角度和材料去除率進(jìn)行標(biāo)定，這里所加工的元件為平面元件，所以過程相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖5 IBF拋光原理示意圖

3 CaF2元件高精度加工實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 環(huán)帶拋光參數(shù)優(yōu)化中頻誤差

控制鏡片面形同時(shí)控制中頻誤差，為獲得較好的中頻誤差，需要對(duì)拋光模和鏡片的轉(zhuǎn)速、拋光模進(jìn)給速度、拋光模移動(dòng)范圍和所施加壓強(qiáng)等加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，除此之外要保證材料可控穩(wěn)定的去除，加工軌跡應(yīng)盡可能混亂，并且工件裝卡方式保證鏡片不變形以避免引入額外的中頻誤差[14-16]。CaF2元件直徑為100 mm的平面，拋光盤尺寸為70 mm，拋光盤在光學(xué)元件上移動(dòng)時(shí)可以有效覆蓋元件的全部區(qū)域，不會(huì)產(chǎn)生異常臺(tái)階狀面形。表1為加工過程使用的一組拋光運(yùn)動(dòng)參數(shù)，拋光盤移動(dòng)距離S為14.9～32.6 mm，往復(fù)運(yùn)動(dòng)300個(gè)周期，拋光盤和光學(xué)元件的旋轉(zhuǎn)速度在20～40 r/min 之間，相對(duì)比較慢，更容易獲得較小的中頻誤差，并且二者轉(zhuǎn)速不為倍數(shù)關(guān)系，否則會(huì)產(chǎn)生周期狀紋路。拋光盤的移動(dòng)范圍應(yīng)盡可能大一些，通過調(diào)整拋光盤的轉(zhuǎn)速和移動(dòng)范圍，使拋光加工軌跡盡可能混亂，圖6為拋光盤直徑上取10個(gè)點(diǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)20個(gè)周期的合成軌跡。從圖6(a)可以看出拋光盤所走軌跡混亂。放大標(biāo)記的方框區(qū)域，在20 mm×10 mm的區(qū)域范圍內(nèi)其軌跡混亂且無明顯的周期(圖6(b))，加工過程中不會(huì)產(chǎn)生明顯的周期狀紋理。由于拋光過程需要使用金剛石微粉和硅溶膠改善表面質(zhì)量，所以需進(jìn)行多輪拋光，表1為最后一輪拋光使用的參數(shù)。拋光后低頻面形誤差和Zernike殘差結(jié)果如圖7所示，整個(gè)測(cè)量過程使用Zygo VFA 6寸干涉儀進(jìn)行測(cè)量。從圖中可以看出，加工后37項(xiàng)Zernike多項(xiàng)式擬合的面形誤差PV值為83.74 nm，RMS值為14.2 nm，Zernike殘差RMS值為0.55 nm，為后續(xù)IBF面形精修奠定了良好基礎(chǔ)。

表1 修正環(huán)帶誤差的拋光參數(shù)

(a)整體圖

(b)局部放大圖

3.2 面形精修及功率譜密度結(jié)果

離子束加工使用小尺寸光闌，小尺寸光闌直徑加工所產(chǎn)生的去除函數(shù)具有更小的半高全寬，所以具有更強(qiáng)的面形精修能力。整個(gè)測(cè)量過程仍使用ZygoVFA 6寸干涉儀，并且使用旋轉(zhuǎn)平移面形絕對(duì)測(cè)量技術(shù)[17]，可實(shí)現(xiàn)0.2 nm的面形測(cè)量精度。對(duì)圖7所示面形進(jìn)行三輪離子束加工后，37項(xiàng)Zernike多項(xiàng)式擬合的面形誤差RMS值收斂至0.39 nm，Zernike殘差RMS值收斂至0.43 nm，如圖8所示，即測(cè)試元件的中頻誤差收斂至亞納米量級(jí)。

(a)面形

(b)Zernike殘差

(a)面形

(b)Zernike殘差

光學(xué)元件的表面信息是一個(gè)非常復(fù)雜的混合信號(hào)，這些信號(hào)既包含規(guī)律的加工痕跡所產(chǎn)生的周期成分，也包含隨機(jī)因素導(dǎo)致的隨機(jī)成分。傳統(tǒng)表面的評(píng)價(jià)參數(shù)峰谷值(PV)和均方根值(RMS)等所表征的表面形貌信息是有限的，無法表達(dá)出全部的微觀信息。功率譜密度函數(shù)(PSD)是具分析意義的概率統(tǒng)計(jì)函數(shù)，它可以從頻域上研究隨機(jī)振動(dòng)的各頻率成分的統(tǒng)計(jì)含量。利用功率譜密度對(duì)光學(xué)元件表面進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，不僅能夠提供表面的輪廓波形頻率成分，還可以定量給出表面輪廓的空間頻率分布情況，為系統(tǒng)分析超精密、超光滑表面提供豐富的表面特征數(shù)據(jù)信息[18-19]。圖9為離子束加工前后CaF2元件表面的功率譜密度，可以看出離子束加工后各頻段的加工誤差都有不同程度的降低。

圖9 IBF精修前后PSD的變化

3.3 表面質(zhì)量及高頻粗糙度提升

圖10(a)所示為使用氧化鈰拋光顆粒對(duì)CaF2晶體后表面的檢測(cè)情況，高頻表面質(zhì)量采用掃描白光干涉儀檢測(cè)，檢測(cè)范圍為480 μm×640 μm，從圖中可以看出氧化鈰拋光顆粒會(huì)對(duì)CaF2表面產(chǎn)生又粗又深的劃痕，粗糙度RMS值為6.2 nm。圖10(b)為使用亞微米粒度金剛石微粉拋光后表面質(zhì)量情況，從圖中可以看出，CaF2材料表面質(zhì)量得到了明顯的改善，由拋光顆粒產(chǎn)生的劃痕變細(xì)變淺，高頻粗糙度RMS值可達(dá)到1 nm左右。采用硅溶膠拋光CaF2可以進(jìn)一步改善其表面質(zhì)量，如圖10(c)所示，拋光后由前一道工序產(chǎn)生的劃痕進(jìn)一步變細(xì)變淺，并且劃痕數(shù)量也明顯減少，粗糙度RMS值可以達(dá)到0.5 nm左右。經(jīng)過4輪拋光，結(jié)果如圖10(d)所示，金剛石微粉拋光產(chǎn)生的劃痕已基本消除，粗糙度RMS值為0.27 nm，對(duì)CaF2元件上某一半徑上多點(diǎn)的粗糙度進(jìn)行測(cè)量，均值為0.31 nm。IBF加工通常對(duì)元件的表面粗糙度無明顯影響，白光干涉儀檢測(cè)結(jié)果表明，CaF2經(jīng)IBF加工后高頻粗糙度無明顯變化。

(a)氧化鈰拋光后

(b)金剛石微粉拋光后

(c)首輪硅溶膠拋光后

(d)四輪硅溶膠拋光后

4 結(jié) 論

本文針對(duì)投影光刻物鏡對(duì)光學(xué)元件的亞納米精度需求，根據(jù)CaF2的材料特點(diǎn)，對(duì)口徑為100 mm CaF2平面進(jìn)行測(cè)試，采用瀝青材料作為拋光模，優(yōu)化轉(zhuǎn)速、移動(dòng)范圍和壓力等拋光加工參數(shù)，利用金剛石微粉、硅溶膠逐漸去除加工中產(chǎn)生的劃痕，并且獲得極小的中頻誤差(Zernike殘差)和高頻粗糙度。利用離子束加工在不改變CaF2元件中高頻誤差的同時(shí)精修元件面形，最終面形誤差為0.39 nm，中頻殘差為0.43 nm，高頻為0.31 nm，實(shí)現(xiàn)了CaF2元件亞納米精度的加工，滿足高精度投影光刻物鏡對(duì)光學(xué)元件全頻段亞納米精度的要求。

本文中CaF2測(cè)試件為平面元件，相應(yīng)工藝所適用元件為平面和球面，加工非球面所采用的工藝與之不同，需另行研發(fā)。

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張春雷(1981-)，男，吉林長(zhǎng)春人，助理研究員，2005年于北京交通大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2011年于長(zhǎng)春光機(jī)所獲得博士學(xué)位，主要從事成像光譜儀光譜輻射定標(biāo)和光學(xué)加工檢測(cè)方面的研究。E-mail：zcll_1981@126.com

徐 樂(1987-)，男，吉林長(zhǎng)春人，碩士，研究實(shí)習(xí)員，2007年、2014年于北京理工大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，主要從事光學(xué)精密加工方面的研究。E-mail： xule198711@163.com

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Sub-nanometer precision optical fabrication of CaF2materials

ZHANG Chun-lei*， XU Le， LIU Jian， MA Zhan-long， WANG Fei，GU Yong-qiang， DAI Lei， PENG Shi-jun

(Engineering Research Center of Extreme Precision Optics， Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ineMechanicsandPhysics，ChineseAcademyofSciences，Changchun130033，China)

When CaF2materials are used in projection lenses， the performance of the projection lenses can be improved greatly. This paper researches the process of CaF2crystal fabrication to realize its high precision optical fabrication in all wave bands. Firstly， the pitch lap and the diamond powder were used to get a relative better figure and surface quality of a CaF2element. Then， the technological parameters of the polishing lap， such as rotation speed， movement range and pressure were optimized， and the colloidal silica was used in polishing to reduce the high frequency errors in the CaF2element， remove the scratch in machining and to obtain a smaller mid-spatial error and smaller higher frequency roughness. Finally， the ion beam figuring technique was used to repair finely the surface figure of the element meanwhile maintaining the high frequency error in the CaF2element. The Experiments were conduct on a CaF2crystal plane with a diameter of 100 mm， and the results indicate that its 37 Zernike fit error and the Zernike residual error reach to 0.39 nm RMS and 0.43 nm RMS， respectively， and the roughness reaches to 0.31 nm on average. These results satisfy the nanometer machining requirements of the projection lens， and lay a basis for development of the high performance projection lenses.

CaF2； projection lens； precision optical fabrication； sub-nanometer precision fabrication； Ion Beam Figuring(IBF)

2016-04-26；

2016-06-14.

國家科技重大專項(xiàng)(No.2009ZX02205)

1004-924X(2016)11-2636-08

TN305.2；TH703

A

10.3788/OPE.20162411.2636

*Correspondingauthor，E-mail：zcll_1981@126.com