用于半导体光刻透视镜的高均匀性合成石英锭及其化学气相沉积装置的制作方法

本发明涉及半导体制造用光学材料及制备，具体涉及一种用于半导体光刻透视镜的高均匀性合成石英锭及其化学气相沉积装置。本发明属于集成电路制造领域，特别是半导体器件专用设备制造中的光刻机用核心光学材料及其制备设备技术。

背景技术：

1、随着大规模集成电路制程节点不断缩小，光刻曝光技术已从248nmkrf准分子激光发展为193nmarf准分子激光，并向更短波长演进。光刻装置的投影光学系统、照明光学系统及掩模版基板对光学材料提出了极高要求：折射率均匀性δn需优于2×10-6，双折射低于5nm/cm，且具备优异的抗激光损伤性能。

2、合成石英玻璃因其优异的光学透过性、低热膨胀系数和化学稳定性，成为深紫外光刻光学系统的核心材料。然而，现有立式cvd法制备的大尺寸石英锭普遍存在折射率分布不均匀、条纹缺陷和应力集中等问题，严重制约了光刻分辨率的进一步提升。

3、现有立式cvd工艺中，含硅原料在氢氧焰中水解生成sio2颗粒，沉积于旋转靶材上形成石英锭。公开号为cn117776505a的专利，公开了一种大尺寸合成石英玻璃锭沉积炉，采用分离式旋转升降坩埚以改善气流稳定性。然而，该方法在沉积过程中靶面与燃烧器的间距难以精确控制，导致沉积温度场波动，影响石英锭的折射率均匀性。

4、隋梅等在《武汉理工大学学报》，2010,32(22):106-110上发表的论文《cvd合成石英玻璃的结构均匀性研究》发现，立式工艺制得的石英玻璃在垂直于沉积面方向存在层状结构分布，每层厚度约0.16cm，导致结构应力的周期性分布。周建欣、聂兰舰等在《硅酸盐通报》，2024,43(4):1230-1236上发表的论文《合成石英玻璃炉膛内气流场模拟仿真国内外发展现状》指出，炉膛内气流场的稳定性是提高合成石英玻璃生产效率和质量的关键因素。上述研究表明，cvd合成石英玻璃的结构均匀性主要由沉积过程中的温度场和气流场分布决定。

5、为解决传统方法中石英锭成形问题，现有技术采用坩埚承载体进行沉积。但公开号为cn118993508a和cn118954913b的专利均面临坩埚尺寸限制沉积锭高度的问题，难以满足大尺寸光刻透镜对石英锭尺寸的需求。黄尧松在international journal of appliedglass sciences,2019,doi: 10.1111/ijag.14771上发表的论文《formation andoptimization of deposition surface shape during fused silica glass synthesisby chemical vapor deposition》通过数值模拟证实，沉积表面形状对石英玻璃内部温度分布有决定性影响，凸面和凹面沉积表面均会在玻璃侧面产生较大温度梯度。

6、株式会社尼康的系列专利如公开号为cn1657456a、cn1226212c的专利，聚焦于石英玻璃的氢分子掺杂和紫外吸收系数控制，但对折射率均匀性的改善主要依赖后续热处理方法，未能从沉积源头解决均匀性问题。

7、综上所述，现有技术存在以下亟待解决的技术问题：石英锭折射率均匀性难以满足先进光刻需求，即δn≤2×10-6；cvd沉积过程中温度场和气流场不稳定，导致条纹和应力缺陷；坩埚式沉积尺寸受限，无法制备大尺寸高均匀性石英锭；缺乏同时优化石英锭本征均匀性和沉积过程控制的系统性解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种用于半导体光刻透视镜的高均匀性合成石英锭及其化学气相沉积装置，旨在解决现有技术中石英锭折射率均匀性不足、沉积过程温控精度低、尺寸受限等技术问题，实现折射率均匀性δn≤1×10-6、双折射≤3nm/cm、直径≥600mm的高均匀性合成石英锭的稳定制备。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种用于半导体光刻透视镜的高均匀性合成石英锭，所述合成石英锭由化学气相沉积法制备而成，其具有以下性能指标：折射率均匀性δn≤0.9×10-6，测试波长633nm，依据iso 10110-14采用干涉仪测量；

3、双折射≤2.5nm/cm，测试波长633nm；

4、193nm初始吸收系数≤0.0012cm-1；

5、oh基含量为80wt.ppm–150wt.ppm；

6、最大应力值≤0.35mpa；

7、最大可制备直径为650mm。

8、进一步的技术方案是，化学气相沉积法包括采用高纯四氯化硅作为硅源原料，所述四氯化硅的纯度≥99.9999%，质量分数，其中li、na、k、mg、ca、ti、cr、fe、ni、cu金属杂质总质量浓度≤10μg/kg，含氯有机物杂质总质量浓度≤50μg/kg，检测方法依据gb/t14849.1-2015；所述四氯化硅原料使用前经精馏提纯，精馏温度为57℃±0.5℃，回流比10:1，收集占总进料量60%–80%的中间馏分作为沉积用原料。

9、进一步的技术方案是，化学气相沉积法还包括烧结工序：将沉积所得多孔预制体在真空或惰性气氛下，以1℃/min升温至1200℃保温2h；再以0.5℃/min升温至1450℃-1500℃保温4h-6h进行真空烧结，炉压≤1×10-2pa；升温至1000℃时，通入含1vol%-5vol%氘气的氦气混合气处理2h-4h，将oh基含量调控至80wt.ppm-150wt.ppm。

10、进一步的技术方案为，化学气相沉积法还包括退火工序：在空气气氛下，以0.5℃/min加热至1050℃-1100℃保温12h-24h进行退火，再以0.3℃/min缓冷至600℃后自然冷却。

11、本发明还提供的技术方案为， 一种用于制备所述高均匀性合成石英锭的化学气相沉积装置，包括立式圆筒形炉体，所述炉体采用双层水冷结构，内壁材质为高纯石英，所述装置还包括：

12、分离式坩埚结构，设置于炉腔内，由盘形埚底和筒状坩埚壁构成；所述筒状坩埚壁为圆筒状，其下端与环形旋转载台固定连接，所述环形旋转载台与第二旋转驱动机构连接，用于实现筒状坩埚壁的独立旋转；所述盘形埚底为圆盘状，其中心通过向下延伸的连接杆与第一旋转升降机构连接，用于实现独立旋转和升降；所述盘形埚底的外径小于所述筒状坩埚壁的内径，且所述盘形埚底在轴向位置上始终位于所述筒状坩埚壁的内部下方区域，二者之间保持环形间隙；

13、环形导流板，设置在炉体侧壁的进气口与排气口之间；所述环形导流板具有竖直段和水平段，所述竖直段外壁与炉体内壁之间形成环形导流通道，所述水平段从竖直段上端向炉腔中心倾斜延伸，用于将来自进气口的热空气引导斜向喷向炉腔中心以形成环形上升气幕。

14、进一步的技术方案为，环形旋转载台通过外周下侧的环形齿轮传动结构与第二旋转驱动机构连接；所述炉体侧壁距底部400mm处设有一圈所述排气口，排气口下方200mm处设有一圈所述进气口；所述竖直段的高度为180mm，其下端低于所述进气口的上边缘，上端高于所述进气口的上边缘但低于所述排气口的下边缘，使所述竖直段完全覆盖进气口上边缘至排气口下边缘之间的炉壁；所述水平段的出气端低于所述排气口的下边缘，倾斜角度α=45°。

15、进一步的技术方案为，炉体内壁在相应高度上一体成型有流线型截面的环形支撑台，所述竖直段上端设有外翻法兰，所述外翻法兰搁置并固定于所述环形支撑台上表面；所述环形支撑台的径向凸出宽度为15mm-25mm，其迎风面和背风面均为圆弧过渡的导流斜面。

16、进一步的技术方案为，环形支撑台的高度为10mm-20mm，其下端面高于所述进气口的上边缘，上端面低于所述排气口的下边缘；在所述环形支撑台所在高度区间，所述导流通道的径向宽度为15mm-25mm；在所述环形支撑台的上方和下方区域，所述导流通道的径向宽度保持在30mm-50mm。

17、进一步的技术方案为，外翻法兰上沿周向均匀开设有16-32个通气孔，所述通气孔的总流通面积不小于所述导流通道横截面积的80%；或者，所述外翻法兰为分段式结构，由多个沿周向间隔布置的独立法兰耳片构成，相邻耳片间的空隙作为气流通道。

18、进一步的技术方案为，盘形埚底的直径为600mm、厚度为30mm；所述筒状坩埚壁的内径为610mm、高度为300mm；所述环形间隙的宽度为5mm-10mm；所述连接杆穿过所述环形旋转载台的中心开孔，二者之间设有动密封轴承。

19、本发明的优点和有益效果在于：

20、折射率均匀性显著提升：通过独立温控的盘形埚底和环形气幕隔离技术，将沉积靶面温度梯度控制在5℃以内，结合实时反馈调节，使石英锭折射率均匀性达到δn≤1×10-6，优于现有技术（δn≈2×10-6）。

21、沉积过程稳定性提高：环形导流板形成的上升气幕有效隔离沉积反应区与炉壁，解决了现有坩埚式沉积中因筒壁阻挡导致的气流回卷和粉尘污染问题，同时逐级递减的压力分布确保了粉尘和废气顺畅排出。

22、大尺寸制备能力：分离式坩埚结构中，盘形埚底可独立升降，突破了筒状坩埚对沉积高度的限制，结合多喷灯布局，可实现直径≥600mm、高度≥200mm的大尺寸石英锭制备。

23、抗激光损伤性能优异：oh基含量控制在50～200wt.ppm且分布均匀，配合氢分子掺杂，在arf准分子激光照射下吸收系数变化极小，满足光刻机长期稳定运行需求。