CN102436136A - 合成石英玻璃衬底及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种合成石英玻璃衬底及其制备方法。该衬底具有包括132mm2中央表面区域的6平方英寸的表面。132mm2的中央表面区域具有最多50nm的平整度。通过从148mm2中央表面区域减去132mm2中央表面区域得到的框架区域具有最多150nm的平整度。

Description

合成石英玻璃衬底及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种适于用作光掩模的合成石英玻璃衬底及其制备方法，更特别涉及一种其表面具有高平整度、低缺陷密度和最小表面粗糙度的合成石英玻璃衬底，该合成石英玻璃衬底适合于用在EUV光刻和纳米压印技术的先进应用中。
背景技术
光刻法使用波长非常短的辐射，例如软X射线在牺牲焦深的情况下制备可写入的精细图像。对于印刷细致精确的图案，反射掩模要求衬底满足全部的表面参数，包括高平整度、低缺陷密度和最小表面粗糙度。
预期使用一种具有高平整度的合成石英玻璃衬底作为掩膜衬底，以允许现有光刻法仍使用ArF准分子激光器(波长193nm)直至转换成超紫外线光刻(EUVL)。
现在，衬底实现了为适应EUVL等的精细图案所必需的高平整度。具体地说，要求其在衬底表面上142mm2的中心区域之内具有最多50nm的平整度。已经提出了几种满足要求的衬底。例如，JP-A 2007-287737公开了一种通过局部处理得到的高平整度和高平滑度的衬底，例如通过气体团离子束刻蚀和精抛光。JP-A2004-291209公开了一种通过由等离子刻蚀和随后的无接触抛光进行局部机加工来生产高平整度和低缺陷的衬底的方法。
然而，上述方法在装置尺寸和生产流程方面对修平衬底是不方便的，最终在生产成本和时间方面的增加是突出的问题。例如，气体团离子束刻蚀需要在加工起始之前产生真空环境的耗费时间的步骤，而且无接触抛光例如浮动抛光是不利的，这是由于因抛光速率低而需要较长的抛光和处理时间。大规模的装置与操作开支需要更大的资金投资，包括为加工所需的昂贵的气体通过衬底生产成本反映出来，使得衬底可能变得更昂贵。玻璃衬底价格的增加对于供需双方而言都是不利的。
WO2004083961描述了一种衬底，其中在主表面和斜面之间的界面处从基准面的最高高度以及形状是指定的，使得在真空卡紧时衬底在平整度方面可有所改进。然而如专利文献所述，衬底最多具有0.2μm的平整度。考虑到当衬底通过抽吸卡紧安装在步进机之上时的形变，将衬底设计成周边部分是平坦的或向外倾斜的。然而，采用这个区域设置时，平整度控制是困难的，因为周边部分的形变在有效范围之内对平整度的影响小。因此，这种方案对于高平整度衬底能力不足，例如EUVL的衬底苛刻地要求衬底表面的平整度。
即使制备的高平整度衬底不仅适合ArF准分子激光光刻法而且适合EUVL，在衬底通过抽吸卡紧安装在步进机上时也会破坏平整度。需要这样一种玻璃衬底，其形状考虑到了通过抽吸卡紧引起的衬底形变。为了符合EUV光刻，当衬底通过抽吸卡紧安装在步进机上时，在有效范围内衬底必须满足最多50nm的平整度。
引用文献
专利文献1：JP-A 2007-287737(WO 2007119860)
专利文献2：JP-A 2004-291209(US 20040192171，DE 10 2004 014953)
专利文献3：WO 2004083961
发明内容
本发明的目的是提供其表面具有高平整度，低缺陷密度和最小表面粗糙度且适于用作光掩模的合成石英玻璃衬底，及其制备方法。
发明人发现，其主表面被分成3个区域，其中每个区域的形状是指定的6平方英寸的衬底，当通过抽吸卡紧安装在步进机上时在控制衬底表面的平整度方面是有用的。
因此，本发明提供一种合成石英玻璃衬底，其具有6平方英寸的主表面，该主表面包括148mm2的中央表面区域，该148mm2的中央表面区域包括132mm2的中央表面区域，从132mm2中央表面区域的周边延伸到主表面周边的表面区域是倾斜的，其中132mm2的中央表面区域具有最多50nm的平整度，并且148mm2的中央表面区域的框架区域除132mm2的中央表面区域外具有最多150nm的平整度。
在一个优选实施方案中，132mm2的中央表面区域具有平均的平面，并且框架区域具有平均的平面，132mm2的中央表面区域的平均的平面比框架区域的平均的平面高100nm或更少。
在一个优选实施方案中，当玻璃衬底通过在从主表面周边向内延伸2mm到5mm的3mm区域处的抽吸卡紧安装在步进机上时，衬底在142mm2的中央表面区域上表现出最多50nm的平整度。
在一个优选实施方案中，玻璃衬底在6平方英寸的区域上具有最多0.10nm的表面粗糙度(RMS)。在进一步的优选实施方案中，玻璃衬底在6平方英寸的区域上没有突起缺陷、凹进缺陷和条纹瑕疵。通常衬底由掺杂二氧化钛的石英玻璃制成。合成石英玻璃衬底一般用于形成光掩模。
在另一方面，本发明提供一种制备合成石英玻璃衬底的方法，包括以下步骤：将合成石英玻璃衬底的表面粗抛光，测量经抛光的衬底表面的平整度，按照测量的平整度部分地抛光衬底表面，和将经部分抛光的衬底表面精抛光。
发明的有益效果
本发明的合成石英玻璃衬底可在光刻法中用作光掩模以写入更精细的图像，因为其满足衬底表面具有高平整度、低缺陷密度和最小粗糙度的要求。当衬底通过抽吸卡紧安装在步进机上时，平整度在衬底表面的有效范围之内符合EUVL工艺的要求。
附图的简要说明
图1是本发明的合成石英玻璃衬底的平面图，显示了衬底表面的3个区域。
图2是合成石英玻璃衬底的放大横截面视图。
图3示意说明了通过抽吸卡紧安装在步进机上的合成石英玻璃衬底。
图4是玻璃衬底的示意横截面图，说明平整度和平行度。
具体实施方案
例如，在此使用的术语“132mm2的区域”指132mm×132mm的正方形区域。将所有正方形区域定义为与衬底的正方形主表面的具有共同中心。
本发明的合成石英玻璃衬底用作光掩模以通过利用ArF准分子激光器光源的光刻法和利用写入更精细图像的EUV光的光刻法制造半导体设备。关于尺寸，用作常规的光掩模的6平方英寸衬底是期望的。具体地说，正方形形状的152mm×152mm×6.35mm的6025衬底的厚度是相当的。
参考图1和2，说明了6英寸(152mm)见方的合成石英玻璃衬底1，其具有主或正表面(图2中的上表面)，其可分成3个区域A、B和C，更具体分成4个区域A、B0、B1和C。区域A是132mm2的中央表面区域。区域B，也称为“框架区域”，是限定在132mm2中央表面区域A的周边和148mm2中央表面区域的周边之间的区域，且从区域A的周边向着区域C倾斜。区域C，也称为“最外面的区域”，是限定在148mm2中央表面区域的周边和衬底主表面的周边之间的区域。区域C的周边或外缘可以倒角。区域B可进一步分成两个区域，区域B0限定在132mm2的中央表面区域A的周边和142mm2的中央表面区域的周边之间，并且区域B1限定在142mm2中央表面区域的周边和148mm2中央表面区域的周边之间。
如图3所示，当衬底安装在步进机架上时，使从主表面的周边向内延伸2mm到5mm的区域B1进行抽吸卡紧。衬底如此安装时，区域A+B0在进行光刻法工艺时提供了有效面积。
根据本发明，132mm2的中央表面区域A具有最多50nm的平整度，优选最多40nm，更优选最多30nm。要求该区域A在抽吸卡紧之前具有高平整度，因为当衬底通过抽吸卡紧安装在步进机上时，该区域仅经受卡紧力造成的最小的变形。该平整度是通过EUVL或类似的光刻法写入精细图像所需的最小平整度。平整度的下限并不重要，可以是0nm，但一般是至少5nm。
衬底表面的平整度表示衬底表面的翘曲度。如果任意平面由衬底主表面通过最小二乘法计算为焦平面，平整度是由在焦平面之上的衬底表面最高位置和低于焦平面的衬底表面最低位置之间的高度差绝对值算出的。
从测量精度的观点看，测定表面平整度的方法期望根据如下原理用光学干涉的方式：当将相干光一般是激光射引向衬底表面和由此反射时，以反射光的相位移形式观察到衬底表面的高度差。例如可以通过光学分析系统
Figure BSA00000548830400041
(Corning Tropel Corp.)来测量平整度。
图4是衬底1的示意横截面视图用于说明平整度和平行度。如果由衬底表面11计算的最小正方形平面12用作基准面，平整度是在衬底表面11的突起部分与基准面12之间的距离的最大值(绝对值)“a”和在衬底表面11的凹进部分与基准面12之间的距离的最小值(绝对值)“b”之和。平行度是前后表面之间距离的最大值“c”和最小值“d”之间的差值。
这样具有高平整度的衬底是无价值的，除非其在衬底通过抽吸卡紧安装在步进机上的实际图象写入环境下保持高平整度。因而，在此规定框架区域2或区域B(通过从148mm2的中央表面区域减去132mm2的中央表面区域A得到的)的平整度以使当通过抽吸卡紧安装在步进机上时衬底可显示出高平整度。
考虑到通过抽吸卡紧导致的变化，规定框架区域2或区域B具有最多150nm的平整度，优选最多120nm，使得衬底的中央区域可保持或改善平整度。框架区域2的平整度下限通常是至少30nm，一般是至少50nm。
如图3所示，衬底1通过与框架区域2或区域B的区域B1接触的抽吸卡盘22安装在步进机架21上。为了在抽吸卡紧之后使衬底表面为高度平整，从132mm2的中央表面区域A的周边向着主表面的周边延伸的周围区域必须是倾斜的。然而，最外面的区域(或区域C)不会影响衬底表面的中央区域，即使当区域受抽吸卡紧的作用时。最外面的区域可以是任何形状。
优选如此确定倾斜度使得132mm2的中央表面区域A的最小正方形平面比框架区域2(或区域B)的最小正方形平面高最多100nm的距离，更优选50nm至100nm，甚至更优选50nm至80nm。
当考虑到衬底通过抽吸卡紧安装在步进机上使衬底表面的平整度发生量的变化时，不希望倾斜延伸至主表面周边的框架区域2(或区域B)倾斜太多。即，如果框架区域2(或区域B)的位置比132mm2的中央表面区域A低得多，衬底难以表现出在EUVL的有效范围的142mm2的中央表面区域(区域A+B0)上的最多50nm的平整度。
在132mm2的中央表面区域A中，通过抽吸卡紧将衬底安装在步进机上时对衬底表面的平整度的影响程度与外周边部分相比较是极低的。因此，132mm2的中央表面区域A优选具有最多50nm的平整度，更优选最多40nm，甚至更优选最多30nm，如上所述。
本发明的合成石英玻璃衬底设计成适合于光刻的EUV世代。在现有技术中已知，就6025衬底来说，EUVL的有效范围是142mm2的中央表面区域(区域A+B0)，例如其具有最多50nm的平整度。为满足此条件，将本发明的合成石英玻璃衬底设计成142mm2的中央表面区域(区域A+B0)在衬底通过抽吸卡紧安装在步进机上时可具有最多50nm的平整度。然而，在实践中优选142mm2的中央表面区域具有最多40nm的平整度，更优选142mm2的中央表面区域具有最多30nm的平整度。
衬底的后表面使得当衬底安装在步进机上时可以假设平面尽可能地接近。后表面具有的平整度在进行光刻法时可对正表面没有影响。具体地说，如此设计后表面使得142mm2的中央表面区域在抽吸卡紧时可具有最多500nm的平整度。然而，在进行EUVL时，后表面像正表面一样设计，使得在安装于步进机上时142mm2的中央表面区域可具有最多50nm的平整度。
本发明的合成石英玻璃衬底优选具有最多5μm的平行度，更优选最多4μm，甚至更优选最多3μm，以用于使衬底在安装于步进机上时的偏差最小化。
合成石英玻璃衬底优选具有最多0.10nm的表面粗糙度(以RMS计)，更优选最多0.08nm。如果使用具有高表面粗糙度(RMS)的衬底进行光刻法，表面粗糙度对精细图像的写入的尺寸和准确度具有影响。为了适合于EUVL，衬底必须具有比ArF或KrF光刻法要求的表面粗糙度更低的表面粗糙度。尽管不重要，但表面粗糙度(RMA)的下限通常是至少0.05nm。
优选地，合成石英玻璃衬底在6平方英寸中没有几十纳米至约500nm长且几纳米至几十纳米高的突起缺陷，几十纳米至约500nm长且几纳米至约100nm深的凹进缺陷，和1至5nm深且1微米至几十微米长的薄的条纹瑕疵。如果这些缺陷存在于衬底表面上，当通过光刻法写入图像时缺陷会一起转移，妨碍精细图像写入。这些缺陷可通过后面所述的抛光步骤除去。
当衬底用于EUVL时，衬底的材料以及衬底表面的平整度、缺陷密度和粗糙度都是规定的。衬底优选由掺杂TiO2浓度为5至12重量％的石英玻璃制成，以便减少热膨胀系数。
玻璃衬底可用作与半导体相关的电子材料和有利地用于形成光掩模。
可通过包括如下步骤的方法来制备玻璃衬底：将合成石英玻璃衬底粗抛光，测量抛光衬底的平整度，按照平整度测得结果将衬底部分抛光，和将经部分抛光的衬底精抛光。
在成型合成石英玻璃锭，退火，切割，倒角和研磨的步骤之后，通过粗抛光衬底表面来将玻璃衬底进行镜面精加工。
随后测量玻璃衬底的平整度。通常，已经粗抛光以成形为期望的衬底形状的衬底在其表面上具有0.3至1.0μm的平整度。
合成石英玻璃衬底通过使用小型旋转机加工工具的部分抛光技术成形为期望的形状。在衬底表面的每个位置处的去除量(待抛光去除)根据衬底表面的形貌测量数据确定，并向着预设的目标形状进行部分抛光。去除的量可通过工具的移动速度来控制。具体地说，当期望较大的去除量时，减缓经过衬底表面的工具的移动速度。因为随着接近目标形状去除量逐渐变小，所以经过衬底表面的工具的移动速度加速。这样，待抛光掉的材料去除量是受控的。
用于部分抛光的机加工部件可以是类似Leutor工具的旋转研磨工具。从减轻抛光对玻璃的损害的观点出发，与玻璃接触的旋转研磨工具的材料可选自具有50至75的A级硬度(JIS K6253)的聚氨酯、重缩毡(felt buff)、橡胶和铈垫，然而不将这种材料限于此，只要可以研磨玻璃表面即可。旋转工具机加工部件的形状可以是圆形、环形、圆柱形、炮弹形、盘形或鼓形。
在部分抛光之后，衬底表面优选具有0.01至0.50μm，更优选0.01至0.30μm的平整度。衬底可具有凸的、凹的或其它形状(或形貌)，取决于最终精抛光条件和期望的规格。
部分抛光之后，使衬底经受精抛光。通过常规的单片型抛光机进行分批抛光以消除或改善直到部分抛光步骤所引入的缺陷和表面粗糙度。抛光布优选是绒面革。优选地将抛光速率选择为相对低，以保证中等抛光，使得由部分抛光所形成的形状不会迅速地过渡成最终的目标形状。对于精抛光，可使用颗粒尺寸为30至150nm、更优选30至100nm的胶态氧化硅水分散液作为磨料浆。
对于这样得到的合成石英玻璃衬底，可取决于部分抛光所形成的形状确定精抛光之后的形状。即，最终衬底的表面形状或形貌可根据部分抛光所形成的形状而控制。
在单片型抛光的情况下，精抛光的去除量优选为4至8μm。如此确定去除量以有效地消除在部分抛光步骤过程中引入的加工损伤，在该步骤中工具直接接触石英玻璃衬底的表面。
测量由精抛光获得的衬底的表面平整度。根据测量数据，控制将衬底在安装步进机上的卡紧力，从而控制安装在步进机上时的衬底平整度。
具体实施方式
以说明而不是限制的方式给出本发明的实施例。
实施例1
将合成石英玻璃锭切割成6平方英寸的玻璃衬底原料，将其通过行星运动的双面研磨机研磨，然后通过行星运动的双面抛光机粗抛光，产生起始衬底。起始衬底在6平方英寸的区域内具有0.398μm的平整度。注意，平整度是通过
Figure BSA00000548830400081
M200(Corning Tropel Corp.)来测量的。
此后，将衬底设置在配备有作为抛光部件的直径20mm和长度25mm的炮弹形的重缩毡工具的部分抛光机中(F3620，Nihon Seimitsu Kikai KosakuCo.，Ltd.)。机加工工具运转的条件是：5,000rpm的转速和160g/mm2的机加工压力，在工件上移动以抛光整个衬底表面。使用的磨料浆为胶态氧化硅的水分散液。加工过程包括与衬底的X轴平行地连续移动机加工工具，在Y轴方向上以0.25mm间距(pitch)移动工具。在这些条件下，根据在前的测得结果设定1.9μm/min的优化的加工速率。机加工工具的移动速度在衬底形状中的衬底最低部分处设置为50mm/sec。加工时间是98分钟。通过预先考虑最终精抛光的衬底去除量设置部分抛光之后的衬底形状。衬底在部分抛光之后在整个衬底表面上具有0.286μm的平整度。应注意，将衬底成形为点对称，使得最终的抛光力可以均匀施加于衬底。
接下来，使用软绒面革抛光布和SiO2浓度为40wt％的水性胶态氧化硅分散液作为磨料浆，最终的精密抛光是在玻璃衬底上以100gf的抛光负载下进行的。去除量是4μm，这足以除去在粗抛光和部分抛光步骤中产生的擦伤或瑕疵。
抛光步骤之后是洗涤和干燥。测量玻璃衬底的表面平整度，发现在132mm2的中央表面区域的平整度是37nm，而在框架区域的平整度是121nm。通过原子力显微镜(AFM)，测得衬底的表面粗糙度(RMS)为0.07nm。通过激光共焦光学高灵敏度缺陷检查系统(Lasertec Corp.)检查衬底的缺陷，没有检测到突起缺陷、凹进缺陷和条纹瑕疵。
当衬底通过抽吸卡紧在区域B1中沿着148mm2的中央表面区域边侧安装在步进机上时，142mm2的中央表面区域显示了47nm的平整度。
实施例2
基本遵循实施例1的过程。将掺杂7.0wt％TiO2的合成石英玻璃锭切割成6平方英寸的玻璃衬底原料，将其粗抛光，产生起始衬底。起始衬底在6平方英寸的区域内具有0.371μm的平整度。
随后的部分抛光的加工条件包括6,000rpm的机加工工具转速和160g/mm2的机加工压力，在工件上移动机加工工具以抛光整个衬底表面。使用的磨料浆为胶态氧化硅的水分散液。加工过程包括与衬底的X轴平行地连续移动机加工工具，和在Y轴方向以0.25mm的间距移动工具。在这些条件下，根据之前的测量结果设定优化的加工速率1.1μm/min。机加工工具的移动速度在衬底形状中的衬底最低部分处设定为50mm/sec。加工时间是102分钟。在部分抛光之后的衬底在整个衬底表面上具有0.277μm的平整度。注意，将衬底成形为点对称使得最终的抛光力可均匀地施加于衬底。
接下来，如实施例1那样在玻璃衬底上进行最终的精密抛光。去除量是5μm，这足以除去在粗抛光和部分抛光步骤中产生的擦伤或瑕疵。
抛光步骤之后是洗涤和干燥。测量玻璃衬底的表面平整度，发现在132mm2的中央表面区域的平整度是41nm，而在框架区域的平整度是108nm。通过AFM，测得衬底的表面粗糙度(RMS)为0.07nm。通过激光共焦光学高灵敏度缺陷检查系统(Lasertec Corp.)检查衬底的缺陷，没有检测到突起缺陷、凹进缺陷和条纹瑕疵。
当衬底通过在区域B1处抽吸卡紧安装在步进机上时，142mm2的中央表面区域显示了48nm的平整度。
实施例3
基本遵循实施例1的过程。将合成石英玻璃锭切割成6平方英寸的玻璃衬底原料，将其粗抛光，产生起始衬底。起始衬底在6平方英寸的区域内具有0.303μm的平整度。
随后的部分抛光的加工条件包括3,000rpm的机加工工具转速和160g/mm2的机加工压力，在工件上移动机加工工具以抛光整个衬底表面。使用的磨料浆为胶态氧化硅的水分散液。加工过程包括与衬底的X轴平行地连续移动机加工工具，在Y轴方向以0.25mm的间距移动工具。在这些条件下，根据之前的测量结果设定1.9μm/min的优化加工速率。在衬底形状中的衬底最低部分处的机加工工具的移动速度设定为50mm/sec。加工时间是102分钟。在部分抛光之后在整个衬底表面上衬底具有0.222μm的平整度。注意，将衬底成形为成点对称，使得最终的抛光力可均匀地施加于衬底。
随后，如实施例1那样在玻璃衬底上进行最终精密抛光。去除量是4.2μm，这足以除去在粗抛光和部分抛光步骤中产生的擦伤或瑕疵。通过以之前的抛光数据为基础分析衬底怎样被机加工，并利用最小二乘法确定优化的抛光去除量，控制到小数点后一位来为进一步的精密抛光设定抛光的去除量。
抛光步骤之后是洗涤和干燥。测量玻璃衬底的表面平整度，发现在132mm2的中央表面区域的平整度是21nm，和在框架区域的平整度是98nm。通过AFM测得衬底表面粗糙度(RMS)为0.07nm。通过激光共焦光学高灵敏度缺陷检查系统(Lasertec Corp.)检查衬底缺陷，没有检测到突起缺陷、凹进缺陷和条纹瑕疵。
当衬底通过在区域B1处抽吸卡紧安装在步进机上时，142mm2中央表面区域显示了27nm的平整度。

Claims (8)

1.一种合成石英玻璃衬底，具有6平方英寸的主表面，该主表面包括148mm2的中央表面区域，该148mm2的中央表面区域包括132mm2的中央表面区域，从132mm2中央表面区域周边延伸至主表面周边的表面区域是倾斜的，其中132mm2的中央表面区域具有最多50nm的平整度，
除132mm2中央表面区域外的148mm2中央表面区域的框架区域具有最多150nm的平整度。
2.如权利要求1的合成石英玻璃衬底，其中132mm2的中央表面区域具有平均的平面，框架区域具有平均的平面，132mm2中央表面区域的平均的平面比框架区域的平均的平面高100nm或更少。
3.如权利要求1的合成石英玻璃衬底，其中当玻璃衬底通过在从主表面周边向内延伸2mm至5mm的3mm区域处抽吸卡紧而安装在步进机上时，142mm2中央表面区域表现出最多50nm的平整度。
4.如权利要求1的合成石英玻璃衬底，在6平方英寸的区域上具有最多0.10nm的表面粗糙度(RMS)。
5.如权利要求1的合成石英玻璃衬底，其在6平方英寸的区域上没有突起缺陷、凹进缺陷和条纹瑕疵。
6.如权利要求1的合成石英玻璃衬底，其掺杂有TiO2。
7.如权利要求1的合成石英玻璃衬底，其用来形成光掩模。
8.一种制备权利要求1的合成石英玻璃衬底的方法，包括以下步骤：
将合成石英玻璃衬底的表面粗抛光，
测量经抛光的衬底表面的平整度，
按照测量的平整度将衬底表面部分抛光，和
将经部分抛光的衬底表面精抛光。
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