CN104608024A - 一种针对离子束牺牲层中高频误差抑制加工的复合牺牲层加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对离子束牺牲层中高频误差抑制加工的复合牺牲层加工方法，属于先进光学制造与检测领域。提出甩胶、模压和修形的三步骤方法，来实现元件的均匀甩胶，有效的提升了甩胶的均匀性，提升了离子束牺牲层加工中高频误差的有效性。本发明虽然在模压环节增加了磨具的制作时间和制作成本，但被加工元件(平面、球面)在传统抛光过程中需要采用样板来指导加工，可采用该样板作为模压过程的磨具，因此，对于平面、球面被加工元件是不需要另外制作模具，对于非球面才需要制作模具。本发明可以有效实现对被加工元件基底面形实现均匀覆盖，弥补单独甩胶过程造成的胶层与基底面形一致的问题，适合用于超光滑、超高精度元件的批量化生产过程中。

Description

一种针对离子束牺牲层中高频误差抑制加工的复合牺牲层加工方法

技术领域

本发明属于先进光学制造与检测领域，具体涉及一种针对离子束牺牲层中高频误差抑制加工的复合牺牲层加工方法。

背景技术

集成电路在制造过程中经历材料制备、掩膜、光刻、清洗、刻蚀、渗杂、化学机械抛光等多个工序，其中尤以光刻工艺最为关键，决定着制造工艺的先进程度。光刻机是一种曝光工具，这是光刻工艺的核心部分，其造价昂贵，号称世界上最精密的仪器。而在光刻机制造流程中，光刻物镜是光刻机的关键核心部分，其性能直接决定了光刻微细图形传递能力，与微电子器件超大规模化直接相关。光刻物镜光学零件的质量要求比其他高精度光学零件质量要高一个数量级，对光学零件外径、中心厚、曲率半径、破坏层、偏心、粗糙度、面形PV值、RMS值等精度方面都提出极为苛刻的要求，对现有光学加工条件和技术提出了极为严峻的挑战。

对于亚纳米级光刻物镜的加工技术，国外从上世纪的70年代发展的CCOS技术到现在的确定性离子束抛光技术，半个世纪期间投入了大量的人力物力，加工工艺实现了平面、球面以及非球面rms<1nm的亚纳米级面形精度提升。而我国在光学零件高精度加工技术方面相对薄弱，在本世纪初加工方式仍为传统加手工修正的方式为主，加工精度低，效率慢，制约着极端光学系统尤其是光刻机技术的发展。

光学制造过程中，不论采用哪种技术或复合技术，一般采用大口径去除函数到小口径去除函数的工艺顺序加工，使得误差大小从高到低、频率从低到高的收敛。但在加工过程中，由于去除函数不稳定、磨盘接触不均匀、定位存在偏差等误差的因素存在，加工的面形误差不按预期收敛，镜面出现大量“碎乱”的中高频误差。尤其在超高精度加工和非球面加工的过程中，中高频误差特别明显。

在光学系统中，中频误差使光线发生小角度散射，影响像的对比度；高频误差使光线发生大角度散射，降低镜面的反射率。近年来，国内外一些学者已经意识到中高频误差抑制的重要性，开始进行相关技术的研究，在平面、球面的误差平滑过程中取得了一定的成果，但是在非球面和超高精度加工过程中，由于加工方法和加工工具空间尺寸的限制，未见有系统科学且行之有效的中高频误差消除方式。非球面作为极端光学系统重要的元器件，具有减轻光学系统重量、简化系统结构和提升系统质量等优点，如何加工和制造高精度非球面元件以满足极端光学系统的需求，成为我国光学制造领域的一大难点。非球面由于在不同环带曲率半径的不一致，需要进行非球面化特定误差的修形，导致其加工过程较平球面要复杂，加工难度要大很多，尤其要实现纳米、亚纳米级精度的非球面加工，远远高于现有非球面加工检测水平，对光学加工和检测提出了巨大的挑战。

在现有技术的非球面加工过程中，首先采用传统方法进行最接近球面抛光，然后利用小工具进行非球面化，进行非球面精度的提升。该方法不能进行高精度去除迭代，加工周期长、工序复杂，误差和稳定性难于控制，导致非球面面形中高频误差严重，精度不高，满足不了极端光学系统的指标要求。

光刻系统非球面不仅面形精度要求高、陡度大，而且偏离量大，面形形状复杂，都为高次非球面。大偏离量高陡度高次非球面的加工难点主要有以下两个方面：

(1)非球面去除分布曲线不光滑、单调连续，而是波浪状分布，导致在频段方面去除误差更高频化，在误差斜率方面斜率变化更大，从而去除迭代难度增加，在非球面化过程中产生原理性的环带状中高频误差；

(2)由于加工因素和原理性因素产生的中高频误差难于去除，使得精度无法收敛，对于中高频误差往往采用磨盘进行中高频误差的平滑，在一定程度上能平滑镜面上的中高频误差，但由于非球面陡度大、偏离量大，磨盘与表面不能贴合而破坏面形精度和非球面的面形形状，造成平滑后需要再非球面化，在非球面化过程中又产生中高频误差，形成一个误差无法很好收敛的死循环。

离子束牺牲层加工方法是通过特殊的手段在光学元件表面覆盖一层薄膜，形成用于均匀去除的牺牲层。通过对不光滑的表面涂一层牺牲层，覆盖表面凹凸不平区域而使得表面平滑，然后采用离子束抛光技术对光学表面进行抛光，使涂层和不平之处的光学表面材料一起均匀去除，从而达到使光学表面平滑的目的。其实，离子束牺牲层加工技术在国外早就提出，但目前仍局限于应用在光学表面超光滑加工过程中，主要是因为认为该技术对牺牲层的形成要求很高，目前的甩胶工艺很难实现球面、非球面的均匀甩胶。对于光学元件的甩胶牺牲层制作主要存在以下几大问题；

(1)甩胶胶层表面容易出现放射状的误差出现，而且这种放射状误差难于修形去除，影响后续的加工，如附图2所示；

(2)甩胶胶层表面难以均匀，一般是中间薄，边缘厚，对于球面和非球面这种现象更严重，影响甩胶的质量，对后续加工造成影响；

(3)对于中高频误差严重的元件，甩胶后胶层难以实现基底中高频误差的均匀覆盖，造成胶层与元件基底面形一致而无法实现离子束牺牲层中高频误差抑制的加工，如附图3所示。

针对光学元件牺牲层难以甩胶均匀实现，本发明提出了有一种甩胶、模压、修形的胶层牺牲层复合制作方法，通过制作一个与被加工元件形状匹配的磨具，进行模压形成胶层，从而形成比较均匀的胶层。

发明内容

针对光学元件超高精度加工和非球面加工的中高频误差抑制需求，提出一种针对离子束牺牲层中高频误差抑制加工的复合牺牲层加工方法。

为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案如下：一种针对离子束牺牲层中高频误差抑制加工的复合牺牲层加工方法，该方法的步骤如下：

步骤S1：加工制作一块与被加工件对应一致的磨具，使得磨具曲率半径与被加工件对应一致，口径比加工件大5mm，面形误差精度控制在PV小于λ/10(λ＝632.8nm)，zernike后36项残差控制在rms小于1.5nm；

步骤S2：被加工件经过表面测量、清洁工序后，利用甩胶机对其进行甩胶，胶层厚度控制在1-2μm；

步骤S3：步骤1加工好的模具经过表面清洁工序后，对甩胶完的被加工件进行模压，对模具施加一定的压力压在被加工件，模压时间在30-60min；

步骤S4：步骤3完成后取下模具，对被加工件进行烘干，时间根据胶层厚度设定；

步骤S5：检测甩胶后的工件表面面形；

步骤S6：根据检测的工件表面面形，利用离子束抛光设备进行加工去除，使得胶层平滑覆盖工件表面；

步骤S7：检测离子束抛光设备加工后的工件表面，根据检测结果判断去除工件表面胶层的低频误差是否被去除，否则转入步骤S6，根据最新检测结果再次进行加工去除。

其中，步骤S2的甩胶、步骤S3的模压和步骤S5至步骤S7的修形的加工方法，来实现元件的均匀甩胶，有效的提升了甩胶的均匀性，提升了离子束牺牲层加工中高频误差的有效性。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明基于离子束牺牲层中高频误差抑制加工的原理，针对甩胶工艺很难实现球面、非球面的均匀甩胶的难题，提出甩胶、模压和修形的三步骤方法，来实现元件的均匀甩胶，有效的提升了摔跤的均匀性，提升了离子束牺牲层加工中高频误差的有效性；

(2)本发明提出的一种针对离子束牺牲层中高频误差抑制加工的复合牺牲层加工方法，虽然在模压环节增加了磨具的制作时间和制作成本，但被加工元件(平面、球面)在传统抛光过程中需要采用样板来指导加工，可采用该样板作为模压过程的磨具，因此，对于平面、球面被加工元件是不需要另外制作模具，对于非球面才需要制作模具；

(3)本发明提出的一种针对离子束牺牲层中高频误差抑制加工的复合牺牲层加工方法，可以有效实现对被加工元件基底面形实现均匀覆盖，弥补单独甩胶过程造成的胶层与基底面形一致的问题；

(4)本发明提出的一种针对离子束牺牲层中高频误差抑制加工的复合牺牲层加工方法，适合用于超光滑、超高精度元件的批量化生产过程中。

附图说明

图1为本发明一种针对离子束牺牲层中高频误差抑制加工的复合牺牲层加工方法的步骤流程图；

图2为元件甩胶后的放射状误差；

图3为甩胶难于实现胶层均匀覆盖元件基底中高频误差的对比图；其中(a)为甩胶前被加工元件基底面形，(b)为甩胶后被加工元件面形；

图4为实施例子得到的胶层分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

结合图1所示的本发明方法的程序流程图，本发明的一个实例是以一块口径为100mm、半径为199.99mm的石英凹球面玻璃为例，实施步骤如下：

步骤S1：加工制作一块与被加工件对应一致的磨具，使得磨具曲率半径为199.99mm，形状为凸球面，口径为110mm，面形误差精度控制在PV小于λ/10(λ＝632.8nm)，zernike后36项残差控制在rms小于1.5nm；

步骤S2：该步骤为甩胶步骤，口径为100mm的凹球面工件经过表面测量、清洁等工序后，利用甩胶机对其进行甩胶，通过控制胶涂在凹球面工件表面的体积数量，实现胶层厚度的控制，胶层厚度在2μm左右；

步骤S3：该步骤为模压步骤，步骤1加工好的口径为110mm、半径为199.99mm、形状为凸球面的模具经过表面清洁工序后，对甩胶完的被加工件进行模压，扣在凹球面工件表面，并对模具施加一定的压力压在被加工件，模压时间在30-60min；

步骤S4：步骤3完成后小心仔细取下模具，对被加工件进行烘干，时间根据胶层厚度设定；

步骤S5：甩胶后的工件恒温稳定3小时候，采用Zygo干涉仪检测甩胶后的该表面面形，得到如图4所示的胶层面形误差；

步骤S6：该步骤为修形步骤，据图4所示的该石英球面表面胶层低频误差，另外提取胶层的去除函数，利用离子束抛光设备进行加工去除，使得胶层平滑覆盖工件表面的中高频误差，本发明采用的离子束抛光设备为德国NTG公司的IBF450设备；

步骤S7：利用Zygo干涉仪检测离子束抛光设备加工后的工件表面，根据检测结果判断去除工件表面胶层的低频误差是否被去除，否则转入步骤S6，根据最新检测结果再次进行加工去除。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种针对离子束牺牲层中高频误差抑制加工的复合牺牲层加工方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤S1：加工制作一块与被加工件对应一致的磨具，使得磨具曲率半径与被加工件对应一致，口径比加工件大5mm，面形误差精度控制在PV小于λ/10(λ＝632.8nm)，zernike后36项残差控制在rms小于1.5nm；

步骤S2：被加工件经过表面测量、清洁工序后，利用甩胶机对其进行甩胶，胶层厚度控制在1-2μm；

步骤S3：步骤S1加工好的模具经过表面清洁工序后，对甩完胶的被加工件进行模压，对模具施加一定的压力压在被加工件，模压时间在30-60min；

步骤S4：步骤S3完成后取下模具，对被加工件进行烘干，时间根据胶层厚度设定；

步骤S5：检测甩胶后的工件表面面形；

步骤S6：根据检测的工件表面面形，利用离子束抛光设备进行加工去除，使得胶层平滑覆盖工件表面；

步骤S7：检测离子束抛光设备加工后的工件表面，根据检测结果判断去除工件表面胶层的低频误差是否被去除，否则转入步骤S6，根据最新检测结果再次进行加工去除。

2.根据权利要求1所述一种针对离子束牺牲层中高频误差抑制加工的复合牺牲层加工方法，其特征在于，步骤S2的甩胶、步骤S3的模压和步骤S5至步骤S7的修形的加工方法，来实现元件的均匀甩胶，有效的提升了甩胶的均匀性，提升了离子束牺牲层加工中高频误差的有效性。