TW202003934A - 製作用於光學元件之基板的方法以及反射光學元件 - Google Patents

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Abstract

本發明關於用以製作用於一光學元件(11)的一基板(10)的方法，其包含：引入一起始材料(較佳為一金屬或一半金屬)至一容器中並熔化該起始材料、藉由從配置於容器的基座的區域中的一個或複數個單晶晶種盤開始定向地固化熔化的起始材料來製作具有準單晶體積區域(8)的一材料體、以及藉由處理材料體來製作基板(10)，以形成一光學表面(12)。本發明也關於一反射光學元件(11)，特別是用以反射EUV輻射(14)，其包含：具有一光學表面(12)的一基板(10)，其中一反射塗層(13)施加於光學表面(12)上。基板(10)一般是根據前述方法製作且具有一準單晶體積區域(8)。

Description

製作用於光學元件之基板的方法以及反射光學元件
本發明關於用於製作光學元件(特別是反射光學元件)的基板的方法，以及關於包含具有施加反射塗層於其上的光學表面的基板的反射光學元件，其中基板特別是藉由該方法來製作。
單晶矽(m-Si)通常用作光學元件的基板材料，特別是用於反射鏡形式的反射光學元件，其必須具有高導熱率。具有這類矽基板的反射鏡可例如為水冷同步加速器光學單元。用於此目的的高品質單晶矽實際上僅使用Czochralski方法製作，因為使用此方法可實現最高的結晶品質。在Czochralski方法中，藉由單晶晶種從矽熔體中拉出圓柱形單晶晶體(晶錠)。Czochralski方法主要用於半導體工業的矽晶圓製作。
可由單晶矽製作的光學元件的最大尺寸(特別是最大直徑)由市售的Czochralski Si晶錠的尺寸和價格決定。目前，最大的商業上可用的晶錠來自450毫米晶圓開發。這些Si晶錠限制基板尺寸為直徑約為450mm、長度約為1米的圓柱體。迄今為止還不能實現由超過這些尺寸的單晶矽構成的光學元件，或是它們需要非常昂貴且複雜的大型Czochralski Si晶錠的新開發以及相關的設備技術，這將與製作這類基板的高成本有關。
這激發了所謂的垂直梯度冷凍(VGF)方法的發展，這是製作 多晶(poly-或multicrystalline)矽的方法的進一步發展。VGF方法包含在以起始材料填充的容器的基座上配置複數個單晶晶種盤。起始材料熔化並在晶種盤上方以(準)單晶材料的形式定向地固化。
N.Stoddard等人在Solid State Phenomena,Vol.131-133,pages 1-8,2008所發表的文章「鑄造單晶矽：來自BP Solar's Mono2 TM晶圓的新型缺陷輪廓」特別研究了前文所進一步描述的製作方法中發生的缺陷類型。
DE 10 2012 102 597 A1提出了一種垂直梯度冷凍方法，其中晶種盤的晶軸之一相對於垂直方向傾斜一預定銳角，且彼此直接相鄰的晶種盤係不同地定向。晶種盤及其邊緣可處理使得後者直接對接並具有最小的傾斜和錯位，且完全地覆蓋熔化坩堝的基座。
DE 10 2012 203 524 A1描述了一種用於製作矽晶錠的方法，其中在容器的基座壁上形成及/或配置至少一個扁平單晶晶種，以避免在鄰接容器側壁的邊緣區域中產生雙晶作用並延伸到容器的內部。
DE 10 2012 203 706 A1描述了一種用於製作矽晶錠的方法，其中具有<110>方向的晶體結構的複數個晶種模板配置在容器的基座。至少兩個晶種模板係配置使得它們具有<110>方向，這些方向相對於彼此傾斜0.2°至10°的角度。在將晶種模板配置在容器中之後，可將矽片配置在容器中並熔化。
本發明的目的
本發明的目的為提供用以製作用於光學元件的基板的方法，藉由此方法，即使是大體積的基板也可低成本地製作，且本發明的目的為提供包含此一基板的反射光學元件。
本發明的標的
此目的藉由用以製作光學元件的基板的方法來實現，其包含：將一起始材料(較佳為金屬或半金屬)引入至容器中並熔化起始材料、藉由從配置於容器的基座區域中的一個或複數個單晶晶種盤(較佳由金屬組成或由半金屬組成)定向地固化熔化的起始材料來製作具有準單晶體積區域的一材料體、以及藉由處理材料體來製作基板，以形成一光學表面。
在用於製作材料體的方法中使用的晶種盤通常由對應於製作材料體的起始材料的單晶材料所組成。由於從晶種盤開始定向地固化起始材料，可在晶種盤上方製作單晶或準單晶材料體或具有準單晶體積區域的材料體。起始材料可例如為金屬或半金屬，特別是鍺或矽。以下假設起始材料為矽。
在此處所描述的VGF方法中，在晶種盤上方產生由(準)單晶矽所組成的大體積區域。準單晶矽與單晶矽的不同之處在於結構缺陷的可能性更高，例如非常小的角度晶界和錯位簇。此外，由於製作方法，外來夾雜物出現的可能性更大。由於晶種盤通常不會達到容器的側邊緣，因此在材料體處的(準)單晶體積區域附近還會出現多晶矽的邊緣或接縫。從材料體的(準)單晶體積區域以及(若合適的話)部分地從多晶體積區域，有可能產生用於光學元件的一或多個基板。
用於製作基板的處理通常是機械處理，若適當的話，輔以材料體的非接觸處理，例如利用離子束進行的處理。材料體的機械處理可包含例如材料體的切割處理，以將基板從材料體分離。機械處理還可包含表面處理，例如研磨或拋光基板的光學表面。在將反射塗層施加到其上之前進行光學表面的處理，由此形成反射光學元件。由於從定向固化的材料體製作基板，光學元件的基板的材料至少在光學表面的區域中具有前文所進一步描述的(準)單晶結構。
在方法的一變型方案中，光學表面在其中一晶種盤處理材料體的過程中形成，其較佳使用Czochralski方法來製作。在此情況下，對相 對大的單晶晶種盤進行機械處理，以形成光學表面。處理單晶晶種盤的目的是在其遠離材料體的(準)單晶體積區域的一側形成光學表面。在此情況下，單晶晶種板基本上專用於製作光學表面，而基板的其餘部分(即(準)單晶體積區域)以及(若適當的話)橫向突出超過(準)單晶體積區域的多晶體積區域通過前文所進一步描述的方法在材料體的製作過程中熔合到晶種盤上。因此，基板構成由用於光學表面的Czochralski矽和用於基板其餘部分的(準)單晶矽及/或多晶矽所組成的混合組件，其可特別地比Czochralski晶種盤更向外地側向延伸。(準)單晶體積區域以及(若適當的話)多晶體積區域可用於例如將光學元件或基板機械地連接到支架或座架。
在替代變型方案中，光學表面在處理材料體的過程中形成於材料體的準單晶體積區域處。在用於光學元件的基板的情況下，光學表面區域中的矽的結晶品質是至關重要的：在光學表面的區域中，必須確保最大限度的避免缺陷(例如，沒有晶界)且沒有夾雜物和外來相(盡可能沒有污染)。關於此關鍵區域，若適當的話，基板體積的其餘部分在品質上可能會顯著下降。
已經發現，給定適當選擇的處理實施方案，(準)單晶矽的光學表面處可實現的表面品質對應使用Czochralski方法製作的矽基板的表面品質。基板可僅由材料體的(準)單晶體積區域組成；亦即，在此情況下，在製作基板期間，材料體的多晶體積區域被完全移除。
在一變型方案中，基板由材料體的準單晶體積區域和材料體的多晶體積區域形成。在此變型方案中，(整體)基板也具有多晶體積區域。如前文所進一步描述的，主要在光學表面附近的矽的品質與用於光學元件的基板的使用有關。多晶體積區域可特別地用於基板的機械連接。
在另一變型方案中，多晶體積區域形成基板的邊緣區域，該邊緣區域在至少一側橫向地突出超過準單晶體積區域。如前文所進一步描述的，(準)單晶體積區域由以環形方式周向地延伸並且形成在容器的部分 區域(在該部分區域處沒有晶種盤配置在容器基座的區域中)上的邊緣所環繞。針對從材料體僅製作單一基板的情況，多晶體積區域可特別地以環形方式圍繞(準)單晶體積區域延伸。以此方式，基板的尺寸可超過(準)單晶體積區域的尺寸，其中，如前文所進一步描述的，光學表面位於晶錠的(準)單晶體積區域中，而基板的其餘部分，特別是其機械連接，可設置在多晶體積區域。
在另一變型方案中，多晶體積區域至少部分地在形成於準單晶體積區域處的光學表面下方延伸。一般來說，為了不損害光學表面處的矽材料的品質，在光學表面下方延伸的多晶體積區域的部分體積與光學表面顯著地間隔開，亦即，與光學表面的距離通常為多個毫米。
在另一變型方案中，處理材料體包含將含有晶種盤的體積區域分離。針對在(準)單晶體積區域處形成光學表面的情況，通常需要將包含晶種盤的體積區域與用於在晶種盤上製作基板的體積區域分離。舉例來說，可藉由切割機械處理來進行分離。
在另一變型方案中，方法另外包含：在光學表面上施加反射塗層，特別是用於反射EUV輻射，以產生反射光學元件。這種在其上施加有反射塗層的光學元件的光學表面可具有例如大於約450mm的直徑。具有這種直徑的基板不能通過區域熔化或Czochralski方法實際生產。相對於用於生產Si晶錠的Czochralski方法的複雜且成本密集的尺度，借助於商業上可得的製作機器的較高成本效益及工業上建立的梯度冷凍製作方法能夠另外地提高成本效率。
不言而喻地，除了反射光學元件(例如形式為EUV反射鏡)，也可從基板形成其他的(例如透射的)光學組件。在此情況下，可省去在光學表面上施加反射塗層。此處所描述的反射光學元件的基板以整體的方式實施。
本發明的另一態樣關於在開頭所述類型的反射光學元件， 特別是用於反射EUV輻射，其中特別地根據上述方法所製作的基板具有(準)單晶體積區域。(準)單晶體積區域或具有這種(準)單晶體積區域的材料體通常在前文所述方法的協助下製作，且反射光學元件的基板藉由通常的機械處理由材料體形成。
在一具體實施例中，基板包含單晶體積區域，其中光學表面由單晶體積區域形成或在單晶體積區域處形成。在此具體實施例中，例如藉由Czochralski方法所製作的單晶晶種盤通常熔合到形成基板的材料體中，亦即基板為混合組件。
在替代具體實施例中，光學表面由準單晶體積區域形成或在準單晶體積區域處形成。如前文所進一步描述，給定合適的處理實施方案，在光學表面可實現的表面品質對應例如由Czochralski方法所製作的單晶矽的表面品質。然而，光學表面的直徑或尺寸可顯著大於藉由Czochralski方法製作基板時的情況。
在另一變型方案中，基板包含多晶體積區域，其至少在一側橫向地突出超過準單晶體積區域。在此具體實施例中，前文所進一步描述的材料體的多晶體積區域也用以製作基板。舉例來說，反射光學元件可在例如以環形的方式突出的多晶體積區域處固定至座架或類似物。
在另一具體實施例中，多晶體積區域至少部分地在光學表面下方延伸，其中光學表面由準單晶體積區域形成或在準單晶體積區域處形成。如上所述，在光學表面下方延伸的多晶體區域的部分體積應與光學表面保持足夠的距離，以防止多晶體積區域對光學表面處的基板的品質產生負面的影響。
在另一具體實施例中，基板由矽或鍺形成。特別地，矽已證明特別有利作為具有高導熱率的光學元件的基板的材料。然而，不言而喻地，前文所進一步描述的方法以及藉由此方法所製作的基板或光學元件也可以其他的金屬或半金屬來實現。
本發明的其它特徵和優點根據顯示了本發明重要細節的附圖由以下對本發明的示例性具體實施例的描述以及由申請專利範圍得出。在各個情況下，單獨的特徵可本身單獨地或多個任意組合地在本發明的變型方案中實現。
1‧‧‧容器
2‧‧‧基座
3‧‧‧側壁
4‧‧‧晶種盤
5‧‧‧起始材料
6‧‧‧熔化前沿
7‧‧‧材料體
7a‧‧‧材料體
7b‧‧‧材料體
8‧‧‧準單晶體積區域
9‧‧‧多晶體積區域
10‧‧‧基板
11‧‧‧反射光學元件
12‧‧‧光學表面
13‧‧‧反射塗層
14‧‧‧EUV輻射
A‧‧‧距離
R‧‧‧壁間隙
示例性具體實施例將顯示於示意圖中並在以下描述中進行解釋。在圖式中：圖1顯示了在以顆粒形式的起始材料進行填充之前和之後的具有複數個晶種盤的容器的示意圖；圖2a及2b顯示了具有(準)單晶和多晶體積區域的材料體的示意圖，該材料體是在熔化並定向地固化起始材料之後形成；圖3a-3c顯示了具有基板的三個光學元件的示意圖，該基板由圖2b所示的材料體製作；以及圖4a及4b顯示了具有大晶種盤的材料體、以及用於由該材料體製作的光學元件的基板的示意圖。
在以下的附圖描述中，相同的元件符號用於相同或功能上相同的組件。
圖1a顯示了形式為大坩堝的容器1，其在所示的示例中具有基座2，基座2具有例如約130cm×130cm的正方形基本面積。基座2與沿垂直方向延伸的四個側壁3鄰接，該側壁在所示的示例中與基座2一體形成。在所示的示例中，容器1具有約100cm的高度。為了製作由矽製成的(準)單晶材料體，容器1的基座2以顯示大量表面積覆蓋的方式以由矽所構成的單晶晶種盤4覆蓋，其厚度例如為約2-5cm。單晶晶種板4稱作晶種盤或晶種 板，因為它們形成用於準單晶子材料的之後生長的晶種。
接著，以盡可能高的填充係數，使用具有不同粒化的多晶矽顆粒形式的起始材料5來填充容器1，如圖1b所示。在特殊的熔爐(圖中未示出)中，熔化起始材料5並設定溫度梯度，使得熔化前沿6從上向下延伸數厘米到晶種盤4中，如圖1b所示。通過目標溫度控制，位於熔化前沿6上方的熔融起始材料5隨後從晶種盤4開始結晶，其具有盡可能水平的固化前沿。
在移除容器1的壁3和基座2之後，產生圖2a中所示的材料體7，其也包含了部分熔化的晶種盤4。一般來說，具有部分熔化的晶種盤4的體積區域7b與材料體7分離，特別是沿圖2a中所示的水平切割線分離。在分離之後，留下具有(準)單晶體積區域8的材料體7a和以環形方式圍繞後者的多晶體積區域9，該材料體顯示於圖2b中。在此情況下，材料體7a的準單晶體積區域8實質上對應於圖1b中所示的晶種盤4上方的體積區域，其中(準)單晶矽在起始材料5的熔體的固化過程中形成。
在容器1的側壁3和晶種盤4的側邊緣之間的壁間隙R的區域中，在材料體7、7a的(準)單晶體積區域8周圍形成多晶矽接縫形式的多晶體積區域9。舉例來說，圖2b中所示的材料體7a可具有約130cm×130cm×50cm的相對大的尺寸，其中準單晶體積區域8形成的比例通常大於材料體7a的總體積的約90%。
為了製作用於(反射)光學元件11的基板10，如圖3a-c所示，必須適當地處理圖2b所示的材料體7a。處理包含機械處理，其包含使材料體7a達到所需的三維形狀。機械處理也包含在光學表面12處將基板10平滑化及拋光，以改變其表面構造，特別是其粗糙度，並準備施加反射塗層13。為了確保在光學表面12處的最高可能的表面品質，光學表面12通常形成在材料體7a的面向晶種板4的那一側。在圖3a-c所示的示例中，反射塗層13組態以反射入射在反射塗層13上的EUV輻射14。
在所示的示例中，反射塗層13包含由高折射率材料和低折 射率材料組成的交替單獨層(圖中未示出)，其在所示的示例中為鉬和矽。這些材料的組合使得能夠反射波長約為13.5nm的EUV輻射14。個別層的其他材料組合同樣是可能的，例如鉬和鈹、釕和鈹、或鑭和B4C。相應的反射光學元件11組態以反射垂直入射在反射塗層13上的EUV輻射14(即相對於光學表面12的表面法線，以相對小的入射角入射)。為了反射切線入射在光學表面12上的EUV輻射14，反射塗層13可以不同的方式實施並例如僅包含單一個別層或(若合適的話)兩個或三個個別層。
在圖3a所示的反射光學元件11的情況下，基板10僅由材料體7a的準單晶體積區域8形成。在圖3b所示的例子的情況下，基板10另外具有以環狀方式圍繞準單晶體積區域8的多晶體積區域9。在圖3c所示的反射光學元件11的情況下，多晶體積區域9部分地延伸至具有反射塗層13的光學表面12下方；更準確地說，以環形方式沿周向延伸的多晶體積區域9具有在光學表面12下方延伸的徑向向內突出的部分體積。
同樣可在圖3c中看出，準單晶體積區域8向下延伸到距離光學表面12至少約1cm的距離A，即多晶體積區域9與光學表面12間隔足夠遠，而不會對光學表面12處的矽材料的品質產生負面影響。多晶體積區域9徑向向外突出超過光學表面12，且如圖3b，c所示，可用以例如將反射光學元件11的基板10連接或固定至例如座架或類似物等。
圖4a顯示了材料體7，其(類似於圖2a中所示的材料體7)仍包含晶種盤4。與前文結合圖3a-c所進一步描述的示例不同，在圖4a及圖4b所示的示例中，晶種板4沒有與用於製作基板10的材料體7分離。而是，在圖4b所示的基板10的情況下，對例如通過Czochralski方法製作且因此具有約30cm的大直徑的中央晶種盤進行機械處理，以在該晶種盤背離準單晶體積區域8的一側形成光學表面12。除了準單晶體積區域8，圖4b中所示的基板10具有形成基板10的圓周邊緣的多晶體積區域9。
圖4b中所示的基板10的光學表面12的直徑基本上對應使用 Czochralski方法製作的晶種盤4的直徑，但藉由準單晶體積區域8及另外藉由多晶體積區域9，相較於使用Czochralski方法所製作的晶錠，可增加(整體)基板10的直徑。此外，藉由在形成單晶體積區域的晶種板4下方形成的準單晶體積區域8，有可能增加基板10的厚度，而無需為此目的使用單晶矽，單晶矽的製作比準單晶矽的製作更為複雜且因此更為昂貴。
為了製作光學元件，在圖4b所示的基板10的情況下，在由晶種盤4形成的單晶體積區域的光學表面12上施加反射塗層，如前文有關圖3a-c的進一步描述。不言而喻地，也可施加對EUV波長範圍內的波長之外的波長具有高反射率的反射塗層13於光學表面10上。同樣不言而喻地，在適當的情況下，舉例來說，若基板10用以製作在透射下操作的光學元件，則可省去施加反射塗層。
8‧‧‧準單晶體積區域
9‧‧‧多晶體積區域
10‧‧‧基板
11‧‧‧反射光學元件
12‧‧‧光學表面
13‧‧‧反射塗層
14‧‧‧EUV輻射
A‧‧‧距離

Claims (14)

  1. 一種用以製作用於一光學元件的一基板的方法，包含：將一起始材料引入至一容器中並熔化該起始材料，該起始材料較佳為一金屬或一半金屬；藉由從配置於該容器的一基座的區域中的一個或複數個單晶晶種盤開始定向地固化該熔化的起始材料來製作具有一準單晶體積區域的一材料體；以及藉由處理該材料體來製作該基板，以形成一光學表面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該光學表面在處理該材料體的過程中於該等晶種盤的其中一者處形成，其較佳使用Czochralski方法製作。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該光學表面在該材料體的該準單晶體積區域的處理過程中形成。
  4. 如前述申請專利範圍任一項所述的方法，其中該基板由該材料體的一準單晶體積區域和該材料體的一多晶體積區域形成。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的方法，其中該多晶體積區域形成該基板的一邊緣區域，該邊緣區域至少在一側橫向地突出超過該準單晶體積區域。
  6. 如申請專利範圍第4項或第5項所述的方法，其中該多晶體積區域至少部分地在形成於該準單晶體積區域處的該光學表面的下方延伸。
  7. 如申請專利範圍第3項至第6項的其中任一項所述的一方法，其中處理該材料體包含分離含有該等晶種盤的一體積區域。
  8. 如前述申請專利範圍任一項所述的方法，更包含：施加一反射塗層於該光學表面上。
  9. 一種反射光學元件，特別是用以反射EUV輻射，包含：具有一光學表面的一基板，其中一反射塗層施加於該光學表面上，其特徵在於：該基板具有一準單晶體積區域，該基板特別是根據申請專利範圍第1項至第7項的其中任一項所述的方法製作。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的反射光學元件，其中該基板具有一單晶體積區域，其中該光學表面形成於該單晶體積區域。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的反射光學元件，其中該光學表面形成於該準單晶體積區域。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的反射光學元件，其中該基板包含一多晶體積區域，其至少在一側橫向地突出超過該準單晶體積區域。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的反射光學元件，其中該多晶體積區域至少部分地在形成於該準單晶體積區域處的該光學表面的下方延伸。
  14. 如申請專利範圍第9-13項的其中任一項所述的反射光學元件，其中該基板由矽或鍺形成。
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