原創(chuàng) 寧?kù)o吉光
1 引言
德國(guó)蔡司公司自成立至今已經(jīng)有一百七十多年的歷史，在長(zhǎng)時(shí)間的業(yè)務(wù)積累和技術(shù)沉淀中，推出了很多經(jīng)典的光學(xué)產(chǎn)品，包括眼鏡、顯微鏡、攝影相機(jī)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等，種類豐富，性能優(yōu)越。在半導(dǎo)體光學(xué)領(lǐng)域，蔡司的產(chǎn)品也是一騎絕塵，DUV光刻物鏡供不應(yīng)求，目前它也是極紫外EUV光刻機(jī)鏡頭的獨(dú)家供應(yīng)商，為半導(dǎo)體芯片的發(fā)展做出了不可替代的貢獻(xiàn)。在蔡司公司，有一個(gè)部門叫半導(dǎo)體制造部，簡(jiǎn)稱SMT（Semiconductor Manufacturing Technology），專門制造高精度的DUV、EUV光刻光學(xué)元件，除了光刻元件之外，這個(gè)部門也生產(chǎn)應(yīng)用于晶圓檢測(cè)設(shè)備中的顯微鏡片、同步輻射用的光學(xué)件、X射線光柵等。蔡司公司的技術(shù)令人嘆為觀止，然而，這幫大神們具體是怎么干的，很少有公開(kāi)的報(bào)道，對(duì)于國(guó)內(nèi)的光學(xué)從業(yè)者而言，它一直是一個(gè)神秘的存在。為了讓大家對(duì)領(lǐng)先的技術(shù)有所了解，在今天這篇文章中，我們就以光學(xué)非球面反射鏡的加工過(guò)程為例，對(duì)蔡司公司半導(dǎo)體制造部的元件加工與檢測(cè)技術(shù)做詳細(xì)的介紹，以期待能給大家?guī)?lái)更多的信息和啟發(fā)。
2 光學(xué)非球面反射鏡的加工技術(shù)
光學(xué)反射鏡的類型，包括基本的平面、球面、柱面和輪胎面反射鏡，非球面反射鏡、Wolter掠入射反射鏡（由旋轉(zhuǎn)拋物面和旋轉(zhuǎn)雙曲面組合成的錐狀鏡組）、自由曲面反射鏡等。反射鏡的材料多種多樣，選擇用什么材料的鏡坯，取決于鏡面應(yīng)用場(chǎng)合的輻照強(qiáng)度。當(dāng)反射鏡用在低輻射強(qiáng)度的系統(tǒng)中時(shí)（光能量不強(qiáng)的場(chǎng)合），通常選用熔石英、微晶玻璃（Zerodur）或者ULE材料，它們有比較好的加工特性，穩(wěn)定性也好。當(dāng)反射鏡應(yīng)用在有一定輻射強(qiáng)度的系統(tǒng)中時(shí)，鏡面表面會(huì)積聚熱量，此時(shí)鏡坯需要有好的導(dǎo)熱特性，來(lái)盡快將表面的熱量散掉，以避免對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的性能造成影響，在這種情況下，一般用金屬反射鏡，常用的金屬材料是鋁或者銅，為了方便拋光，常在鏡面表面用化學(xué)法鍍一層約100微米厚度的金屬鎳，金屬反射鏡的加工穩(wěn)定性不如前面提到的熔石英和微晶玻璃，存在表面應(yīng)力，所以通常不能加工到足夠高的面形精度。當(dāng)反射鏡需要承受高輻射強(qiáng)度的照射時(shí)，會(huì)使用單晶硅或者碳化硅材料，這兩種材料的穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性都非常好。在蔡司公司的半導(dǎo)體制造部，一個(gè)非球面反射鏡采用的加工工序如下：
1、鏡坯銑磨成型，得到反射鏡的基本形狀，配備超聲波主軸的五軸數(shù)控研磨機(jī)可以獲得較好的銑磨成型結(jié)果。
2、浸蝕，來(lái)去除表面應(yīng)力和降低亞表面損傷；
3、精磨元件表面，這個(gè)階段通常采用數(shù)控研磨頭，目的是降低亞表面損傷，修正非球面參數(shù)（如R0，非球面系數(shù)、離軸量）等，此階段采用精密的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（如Zeiss UPMC 850 Carat，測(cè)試分辨率200nm，精度0.5-1μm）來(lái)測(cè)試表面面形，測(cè)量結(jié)果給到數(shù)控機(jī)器人來(lái)做下一步的修磨，測(cè)量設(shè)備和加工設(shè)備如下圖所示：
4、拋光，拋亮表面，調(diào)整表面參數(shù)，完全去除亞表面損傷；
5、精修，來(lái)改善表面面形誤差；
6、超光滑，來(lái)獲得最終的表面微觀粗糙度。
從拋光階段開(kāi)始，非球面鏡的加工流程如下圖所示：
上圖中，黃色菱形框中有M的字母，代表檢測(cè)（Metrology）的工序，CMD是Coordinate Measuring Device的縮寫(xiě)，指的是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。CCP是Computer Controlled Polishing的縮寫(xiě)，表示數(shù)控小磨頭拋光，IBF是Ion Beam Figuring的縮寫(xiě)，表示離子束修形，蔡司通常使用德國(guó)NTG的離子束設(shè)備來(lái)做修形。
M400是蔡司自主研發(fā)的高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，目前沒(méi)有對(duì)外銷售，我們后面會(huì)提到它的精度，會(huì)遠(yuǎn)高于市面上看到的三坐標(biāo)設(shè)備。IFM是Interferometer的縮寫(xiě)，表示干涉儀，用來(lái)測(cè)試元件的表面面形，μ-IFM表示顯微干涉測(cè)量，用來(lái)測(cè)試元件表面毫米尺度的表面粗糙度，AFM是Atomic Force Microscope的縮寫(xiě)，表示原子力顯微鏡，用來(lái)測(cè)試元件表面的微米尺度的表面粗糙度。
從上圖可以看出，非球面鏡的拋光是一個(gè)要求很高的迭代過(guò)程。在拋光階段，需要完全的去除前道留下的麻點(diǎn)和缺陷。在精修階段，需要降低表面波紋度并逐步降低面形誤差，這個(gè)階段會(huì)用到不同形狀和尺寸的拋光工具和多樣的機(jī)床運(yùn)動(dòng)形式，來(lái)達(dá)成面形指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。最后還要對(duì)做超光滑處理，來(lái)達(dá)到對(duì)波紋度和表面粗糙度的要求。
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3 光學(xué)非球面反射鏡的檢測(cè)
在光學(xué)元件的制造過(guò)程中，高精度的檢測(cè)是至關(guān)重要的，只有檢測(cè)的準(zhǔn)確，才能客觀的評(píng)價(jià)元件的質(zhì)量，并指導(dǎo)下一步的加工。在蔡司光學(xué)，有一套完整的評(píng)價(jià)體系來(lái)確保元件的高精度。我們?cè)谇懊娴奈恼轮刑岬?，功率譜密度曲線（PSD）可以系統(tǒng)的評(píng)價(jià)元件的表面形貌質(zhì)量，因此，針對(duì)不同的空間頻率，需要采用不同的檢測(cè)設(shè)備來(lái)做測(cè)試，完整的檢測(cè)方案如下圖所示：
上圖中的M400，我們?cè)谏弦还?jié)提到過(guò)，是蔡司自主研制的一款超高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，它的測(cè)量范圍為550×380mm，測(cè)量分辨率高達(dá)10nm，下圖是工作人員用M400三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來(lái)測(cè)試一個(gè)工件的照片：
蔡司還報(bào)道了用M400設(shè)備測(cè)量的一個(gè)柱面鏡面形，與用干涉儀+柱面CGH測(cè)量相同柱面鏡的面形結(jié)果對(duì)比，如下圖所示，可以看到這個(gè)超高精度三坐標(biāo)機(jī)與干涉儀的測(cè)試結(jié)果一致性非常的好，面形精度PV值在40nm以內(nèi)，不得不說(shuō)，工欲善其事，必先利其器啊。
關(guān)于面形測(cè)量干涉儀（Interferometer，IFM），蔡司使用自主研制的干涉儀，有報(bào)道的是D100型干涉儀，分辨率1nm以內(nèi)，他們也會(huì)用到Zygo的6英寸干涉儀配合CGH來(lái)做柱面和非球面的測(cè)試。
在中頻誤差測(cè)試方面，蔡司采用Zygo生產(chǎn)的NewView 700型顯微干涉儀，顯微鏡的放大倍率使用2.5倍（分辨率0.1nm以內(nèi)，采樣區(qū)域12μm~5.8mm）、10倍（分辨率0.1nm以內(nèi)，采樣區(qū)域2.8μm~1.4mm）和50倍（分辨率0.1nm以內(nèi)，采樣區(qū)域0.6μm~290μm），通過(guò)這幾種放大倍率顯微鏡頭的切換，來(lái)識(shí)別不同周期的中頻誤差。
在高頻誤差測(cè)試方面，蔡司采用原子力顯微鏡觀測(cè)不同尺度范圍內(nèi)的粗糙度指標(biāo)，來(lái)定量的評(píng)價(jià)表面光滑程度。蔡司報(bào)道了他們使用過(guò)的2種型號(hào)的原子力顯微鏡，一種是Nanosurf Nanite S200型，采樣分辨率0.1nm以內(nèi)，采用區(qū)域4nm~8μm，另一種是Digital Instruments生產(chǎn)的DI nanoscope D3100M型，采樣分辨率也是0.1nm以內(nèi)，采樣區(qū)域4nm~10μm。
對(duì)鏡片表面做多個(gè)空間頻率下的探測(cè)，可以得到PSD曲線，借助PSD曲線，可以敏銳的發(fā)現(xiàn)，每道工序或者每種工具都會(huì)在表面留下它曾經(jīng)工作過(guò)的痕跡，因此通過(guò)設(shè)計(jì)多種多樣的拋光工具及其去除函數(shù)，就能有針對(duì)性的對(duì)表面做修形，從而收斂到最佳的指標(biāo)范圍內(nèi)。不同工具的去除函數(shù)如下圖所示：
從上圖可以看出，去除函數(shù)可以是高斯型、環(huán)形或草帽形，形式多種多樣，實(shí)際中可以靈活使用。
4 結(jié)語(yǔ)
在本文中，我們對(duì)蔡司公司半導(dǎo)體制造部的非球面反射鏡加工與檢測(cè)技術(shù)做了介紹，蔡司公司以其深厚的工藝積累、儀器和設(shè)備開(kāi)發(fā)能力達(dá)到了極高的技術(shù)水平。文中給出了非球面反射鏡的加工工序，和在各個(gè)工序中使用到的檢測(cè)設(shè)備。希望借助此文，來(lái)給從事精密光學(xué)元件加工的朋友帶來(lái)些許幫助和啟發(fā)。
