ASML光刻機(jī)鏡頭是由德國蔡司公司(Carl Zeiss)制造的,鏡坯首先由高精度機(jī)床銑磨成型,再使用小磨頭拋光、磁流變拋光、離子束拋光等超精密拋光手段,才能達(dá)到所需的精度,最后再進(jìn)行鍍膜(對于DUV物鏡,是鍍減反射膜;對于EUV物鏡,是鍍反射多層膜)。
超精密光學(xué)鏡頭加工的基礎(chǔ)是計算機(jī)數(shù)控光學(xué)表面成形技術(shù)(CCOS),用計算機(jī)自動化控制代替了人的經(jīng)驗控制。
小磨頭拋光技術(shù)是使用一個比工件口徑小得多的磨頭對工件進(jìn)行拋光,通過控制磨頭在工件表面不同位置的駐留時間以及磨頭與工件之間的壓強(qiáng)來控制材料去除量,能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)十納米級的加工精度。
更先進(jìn)的技術(shù)是應(yīng)力盤拋光,即拋光盤在計算機(jī)控制下可根據(jù)要加工的形狀實時變形,實現(xiàn)拋光盤與工件的完全貼合。
接下來是磁流變拋光(MagnetoRheological finishing,MRF),使用具有磁流變效應(yīng)的特殊拋光液作為拋光材料。這種拋光液含有無磁性的拋光粉和磁性的鐵粉,在無磁場時表現(xiàn)為常規(guī)的液體狀態(tài),而在磁場作用下鐵粉定向排列使拋光液表現(xiàn)出類固體性質(zhì)。
磁流變拋光液吸附在帶磁場的拋光輪上,隨拋光輪的轉(zhuǎn)動與工件接觸,去除工件表面多余材料。這就相當(dāng)于使用柔性的磨頭,其形狀和硬度可以通過磁場進(jìn)行實時精確調(diào)控,與工件表面始終緊密貼合,加工效率高、加工過程穩(wěn)定、加工精度高、表面質(zhì)量好(不產(chǎn)生表面和亞表面損傷),可將精度提高到納米級。
最后,依靠離子束拋光(Ion Bean Figuring,IBF)技術(shù),將鏡頭的精度提升到亞納米級(原子尺度)。
在真空條件下,利用電場將氬氣等惰性氣體電離為離子,轟擊工件表面,去除表面原子。這是一種原子尺度的加工手段,加工的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性好,與工件之間沒有機(jī)械接觸、不產(chǎn)生表面損傷,是目前最先進(jìn)的光學(xué)元件加工技術(shù)。但是離子束拋光的加工效率低,一般作為最后一道精確修形的手段。
國防科技大學(xué)用自主研制的離子束拋光機(jī)床加工DUV光刻機(jī)所用的鏡頭
精密的加工需要有相應(yīng)的測量手段來指導(dǎo)。在研磨和粗拋階段,常用擺臂式輪廓儀(上圖左),利用安裝在旋轉(zhuǎn)臂末端的高精度位移傳感器來測量鏡坯表面輪廓,精度可達(dá)微米到數(shù)十納米級別。在精密拋光階段,則采用光學(xué)干涉的方法(上圖右)對鏡片表面形狀進(jìn)行高精度測量。
附:網(wǎng)絡(luò)上有很多文章說德國蔡司公司用德國ALZMETALL(奧美特公司)GS-1400重型精密立式五軸搖籃機(jī)床把EUV光刻機(jī)鏡頭直接加工到20皮米(0.02納米)的精度,風(fēng)聞也有帖子提到。我對此感到懷疑,查證了一下,認(rèn)為這是一個誤傳,于是就有了這篇帖子。
蔡司公司加工光刻機(jī)鏡頭確實要用到精密機(jī)床銑磨,但后續(xù)還要經(jīng)過小磨頭拋光、磁流變拋光和離子束拋光(都是基于計算機(jī)控制光學(xué)表面成型技術(shù),所以蔡司公司的資料里稱為計算機(jī)控制拋光)才能達(dá)到0.12納米的面型精度峰谷值和0.02納米的均方根值。
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誤傳可能源自對蔡司公司這份PPT的誤解:
這個PPT里提到了新一代EUV光刻機(jī)物鏡的加工精度,但在加工方法中只給出了GS1400型機(jī)床,所以被誤以為是由這臺機(jī)床一次性加工到最終精度。事實上,PPT展示的物鏡所標(biāo)注的“First mirror ground”中“ground”是“grind”的過去分詞,意為“研磨”,即這個鏡片只經(jīng)過了機(jī)床的研磨,之后還需要經(jīng)過拋光(polishing,或者稱為“精修”,finishing、figuring)才能達(dá)到最終的原子級精度,這是機(jī)加工機(jī)床所望塵莫及的。