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 2 其在衬底表面上 142mm 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 2 2 2 包括 148mm 的中央表面区域， 该 148mm 的中央表面区域包括 132mm 的中央表面区域， 从 2 2 132mm 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 132mm 的中央表 2 面区域具有最多 50nm 的平整度， 并且 148mm 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 2 具有平均的平面， 132mm 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 2 斜。区域 C， 也称为 “最外面的区域” ， 是限定在 148mm 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 1 的区域 B 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 (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 2 2 148mm 的中央表面区域减去 132mm 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 2( 或区域 B) 的位置比 132mm 的中央表面区域 A 低得多， 衬底难以表现出在 EUVL 的有效范 2 0 围的 142mm 的中央表面区域 ( 区域 A+B ) 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 2 142mm 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 2 表面像正表面一样设计， 使得在安装于步进机上时 142mm 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M200(CorningTropel 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 2 运转的条件是 ： 5,000rpm 的转速和 160g/mm 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。 1
当衬底通过在区域 B 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。