制作用于光学元件的基板的方法以及反射光学元件

摘要

本发明关于用以制作用于光学元件(11)的基板(10)的方法，其包含：引入起始材料(较佳为金属或半金属)至容器中并熔化该起始材料、通过从配置于容器的基座的区域中的多个单晶晶种盘开始定向地固化熔化的起始材料来制作具有准单晶体积区域(8)的材料体、以及通过处理材料体来制作基板(10)，以形成光学表面(12)。本发明还关于反射光学元件(11)，特别是用以反射EUV辐射(14)，其包含：具有光学表面(12)的基板(10)，其中反射涂层(13)施加于光学表面(12)上。基板(10)一般是根据前述方法制作且具有准单晶体积区域(8)。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年5月17日提交的德国专利申请10 2018 207 759.2的优先权，该申请的全部公开内容被视为本申请的公开内容的一部分并通过引用并入本申请的公开内容中。

技术领域

本发明关于用于制作光学元件(特别是反射光学元件)的基板的方法，以及关于包含具有反射涂层被施加于其上的光学表面的基板的反射光学元件，其中基板特别是通过该方法来制作。

背景技术

单晶硅(m-Si)通常用作光学元件的基板材料，特别是用于反射镜形式的反射光学元件，其必须具有高导热率。具有这类硅基板的反射镜可例如为水冷同步加速器光学单元。用于此目的的高品质单晶硅实际上仅使用Czochralski方法制作，因为使用此方法可实现最高的结晶品质。在Czochralski方法中，通过单晶晶种从硅熔体中拉出圆柱形单晶晶体(晶锭(ingot))。Czochralski方法主要用于半导体工业的硅晶片制作。

可由单晶硅制作的光学元件的最大尺寸(特别是最大直径)由市售的CzochralskiSi晶锭的尺寸和价格决定。目前，最大的商业上可用的晶锭来自450毫米晶片开发。这些Si晶锭限制基板尺寸为直径约为450mm、长度约为1米的圆柱体。迄今为止还不能实现由超过这些尺寸的单晶硅构成的光学元件，或是它们需要非常昂贵且复杂的大型Czochralski Si晶锭的新开发以及相关的设备技术，这将与制作这类基板的高成本有关。

这激发了所谓的垂直梯度凝固(VGF)方法的发展，这是制作多晶(poly-或multicrystalline)硅的方法的进一步发展。VGF方法包含在以起始材料填充的容器的基座上配置多个单晶晶种盘。起始材料熔化并在晶种盘上方以(准)单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所发表的文章“铸造单晶硅：来自BP Solar′s Mono

DE 10 2012 102 597 A1提出了一种垂直梯度凝固方法，其中晶种盘的晶轴之一相对于垂直方向倾斜一预定锐角，且彼此直接相邻的晶种盘不同地定向。晶种盘及其边缘可被处理使得后者直接相对放置并具有最小的倾斜和错位，且完全地覆盖熔化坩埚的基座。

DE 10 2012 203 524 A1描述了一种用于制作硅晶锭的方法，其中在容器的基座壁上形成和/或配置至少一个扁平单晶晶种，以避免在邻接容器侧壁的边缘区域中产生双晶作用并延伸到容器的内部。

DE 10 2012 203 706 A1描述了一种用于制作硅晶锭的方法，其中具有<110>方向的晶体结构的多个晶种模板配置在容器的基座。至少两个晶种模板配置成使得它们具有<110>方向，这些方向相对于彼此倾斜0.2°至10°的范围中的角度。在将晶种模板配置在容器中之后，可将硅片配置在容器中并熔化。

发明内容

本发明的目的

本发明的目的为提供用以制作用于光学元件的基板的方法，通过此方法，即使是大体积的基板也可低成本地制作，且本发明的目的为提供包含此基板的反射光学元件。

本发明的主题

此目的通过用以制作光学元件的基板的方法来实现，其包含：将起始材料(较佳为金属或半金属)引入至容器中并熔化起始材料、通过从配置于容器的基座区域中的一个或多个单晶晶种盘(较佳由金属组成或由半金属构成)定向地固化熔化的起始材料来制作具有准单晶体积区域的材料体、以及通过处理材料体来制作基板，以形成光学表面。

在用于制作材料体的方法中使用的晶种盘通常由对应于制作材料体的起始材料的单晶材料构成。由于从晶种盘开始定向地固化起始材料，可在晶种盘上方制作单晶或准单晶材料体或具有准单晶体积区域的材料体。起始材料可例如为金属或半金属，特别是锗或硅。以下假设起始材料为硅。

在此处所描述的VGF方法中，在晶种盘上方产生由(准)单晶硅所构成的大体积区域。准单晶硅与单晶硅的不同之处在于结构缺陷的可能性更高，例如非常小的角度晶界和位错簇。此外，由于所述制作方法，外来夹杂物出现的可能性更大。由于晶种盘通常不会达到容器的侧边缘，因此在材料体处的(准)单晶体积区域附近还会出现多晶硅的边缘或接缝。从材料体的(准)单晶体积区域以及(若合适的话)部分地从多晶体积区域，有可能产生用于光学元件的一个或多个基板。

用于制作基板的处理通常是机械处理，若适当的话，辅以材料体的非接触处理，例如利用离子束进行的处理。材料体的机械处理可包含例如材料体的切割处理，以将基板从材料体分离。机械处理还可包含表面处理，例如研磨或抛光基板的光学表面。在将反射涂层施加到其上之前进行光学表面的处理，由此形成反射光学元件。由于从定向固化的材料体制作基板，光学元件的基板的材料至少在光学表面的区域中具有前文所进一步描述的(准)单晶结构。

在所述方法的一个变型中，光学表面在其中一个晶种盘处处理材料体的过程中形成，其较佳使用Czochralski方法来制作。在此情况下，对相对大的单晶晶种盘进行机械处理，以形成光学表面。处理单晶晶种盘的目的是在其远离材料体的(准)单晶体积区域的一侧形成光学表面。在此情况下，单晶晶种板基本上专用于制作光学表面，而基板的其余部分(即(准)单晶体积区域)以及(若适当的话)横向突出超过(准)单晶体积区域的多晶体积区域通过前文所进一步描述的方法在材料体的制作过程中熔合到晶种盘上。因此，基板构成由以下构成的混合部件：用于光学表面的Czochralski硅和用于基板其余部分的(准)单晶硅和/或多晶硅，其可特别地比Czochralski晶种盘更向外地侧向延伸。(准)单晶体积区域以及(若适当的话)多晶体积区域可用于例如将光学元件或基板机械地连接到支架或安装架。

在替代变型中，光学表面在处理材料体的过程中形成于材料体的准单晶体积区域处。在用于光学元件的基板的情况下，光学表面区域中的硅的结晶品质是至关重要的：在光学表面的区域中，必须确保最大限度地避免缺陷(例如，没有晶界)且没有夹杂物和外来相(尽可能没有污染)。关于此关键区域，若适当的话，基板体积的其余部分在品质上可能会显著下降。

已经发现，给定适当选择的处理实施方案，(准)单晶硅的光学表面处可实现的表面品质对应使用Czochralski方法制作的硅基板的表面品质。基板可仅由材料体的(准)单晶体积区域构成；即，在此情况下，在制作基板期间，材料体的多晶体积区域被完全移除。

在一个变型中，基板由材料体的准单晶体积区域和材料体的多晶体积区域形成。在此变型中，(整体)基板也具有多晶体积区域。如前文所进一步描述的，主要在光学表面附近的硅的品质与用于光学元件的基板的使用有关。多晶体积区域可特别地用于基板的机械连接。

在另一变型中，多晶体积区域形成基板的边缘区域，该边缘区域在至少一侧横向地突出超过准单晶体积区域。如前文所进一步描述的，(准)单晶体积区域由以环形方式周向地延伸并且形成在容器的部分区域(在该部分区域处没有晶种盘配置在容器基座的区域中)上的边缘所环绕。针对从材料体仅制作单基板的情况，多晶体积区域可特别地以环形方式围绕(准)单晶体积区域延伸。以此方式，基板的尺寸可超过(准)单晶体积区域的尺寸，其中，如前文所进一步描述的，光学表面位于晶锭的(准)单晶体积区域中，而基板的其余部分，特别是其机械连接，可设置在多晶体积区域。

在另一变型中，多晶体积区域至少部分地在形成于准单晶体积区域处的光学表面下方延伸。一般来说，为了不损害光学表面处的硅材料的品质，在光学表面下方延伸的多晶体积区域的部分体积与光学表面显著地间隔开，即，与光学表面的距离通常为多个毫米。

在另一变型中，处理材料体包含将含有晶种盘的体积区域分离。针对在(准)单晶体积区域处形成光学表面的情况，通常需要将包含晶种盘的体积区域与用于在晶种盘上制作基板的体积区域分离。举例来说，可通过切割机械处理来进行分离。

在另一变型中，所述方法另外包含：在光学表面上施加反射涂层，特别是用于反射EUV辐射，以产生反射光学元件。这种在其上施加有反射涂层的光学元件的光学表面可具有例如大于约450mm的直径。具有这种直径的基板不能通过区域熔化或Czochralski方法实际生产。相对于用于生产Si晶锭的Czochralski方法的复杂且成本密集的尺度，借助于商业上可得的制作机器的较高成本效益及工业上建立的梯度凝固制作方法能够另外地提高成本效率。

不言而喻地，除了反射光学元件(例如形式为EUV反射镜)，也可从基板形成其他的(例如透射的)光学部件。在此情况下，可省去在光学表面上施加反射涂层。此处所描述的反射光学元件的基板以整体的方式实施。

本发明的另一方面关于在开头所述类型的反射光学元件，特别是用于反射EUV辐射，其中特别地根据上述方法所制作的基板具有(准)单晶体积区域。(准)单晶体积区域或具有这种(准)单晶体积区域的材料体通常在前文所述方法的协助下制作，且反射光学元件的基板通过通常的机械处理由材料体形成。

在一个实施例中，基板包含单晶体积区域，其中光学表面由单晶体积区域形成或在单晶体积区域处形成。在此实施例中，例如通过Czochralski方法所制作的单晶晶种盘通常熔合到形成基板的材料体中，即基板为混合部件。

在替代实施例中，光学表面由准单晶体积区域形成或在准单晶体积区域处形成。如前文所进一步描述，给定合适的处理实施方案，在光学表面可实现的表面品质对应例如由Czochralski方法所制作的单晶硅的表面品质。然而，光学表面的直径或尺寸可显著大于通过Czochralski方法制作基板时的情况。

在另一变型中，基板包含多晶体积区域，其至少在一侧横向地突出超过准单晶体积区域。在此实施例中，前文所进一步描述的材料体的多晶体积区域也用以制作基板。举例来说，反射光学元件可在例如以环形的方式突出的多晶体积区域处固定至安装架或类似物。

在另一实施例中，多晶体积区域至少部分地在光学表面下方延伸，其中光学表面由准单晶体积区域形成或在准单晶体积区域处形成。如上进一步所述，在光学表面下方延伸的多晶体区域的部分体积应与光学表面保持足够的距离，以防止多晶体积区域对光学表面处的基板的品质产生负面的影响。

在另一实施例中，基板由硅或锗形成。特别地，已证明硅特别有利于作为具有高导热率的光学元件的基板的材料。然而，不言而喻地，前文所进一步描述的方法以及通过此方法所制作的基板或光学元件也可以其他的金属或半金属来实现。

本发明的其它特征和优点根据显示了本发明重要细节的附图由以下对本发明的示例性实施例的描述以及由权利要求得出。在各个情况下，单独的特征可本身单独地或多个任意组合地在本发明的变型中实现。

附图说明

示例性实施例将显示于示意图中并在以下描述中进行解释。在图中：

图1显示了在以颗粒形式的起始材料进行填充之前和之后的具有多个晶种盘的容器的示意图；

图2a及2b显示了具有(准)单晶和多晶体积区域的材料体的示意图，该材料体是在熔化并定向地固化起始材料之后形成；

图3a-3c显示了具有基板的三个光学元件的示意图，该基板由图2b所示的材料体制作；以及

图4a及4b显示了具有大晶种盘的材料体、以及用于由该材料体制作的光学元件的基板的示意图。

在以下的附图描述中，相同的元件符号用于相同或功能上相同的部件。

具体实施方式

图1a显示了形式为大坩埚的容器1，其在所示的示例中具有基座2，基座2具有例如约130cm×130cm的正方形基本面积。基座2与沿垂直方向延伸的四个侧壁3邻接，该侧壁在所示的示例中与基座2一体形成。在所示的示例中，容器1具有约100cm的高度。为了制作由硅制成的(准)单晶材料体，容器1的基座2以显示大量表面积覆盖的方式以由硅所构成的单晶晶种盘4来覆盖，其厚度例如为约2-5cm。单晶晶种板4被称作晶种盘或晶种板，因为它们形成用于准单晶子材料的之后生长的晶种。

接着，以尽可能高的填充系数，使用具有不同粒化的多晶硅颗粒形式的起始材料5来填充容器1，如图1b所示。在特殊的熔炉(图中未示出)中，熔化起始材料5并设定温度梯度，使得熔化前沿6从上向下延伸数厘米到晶种盘4中，如图1b所示。通过目标温度控制，位于熔化前沿6上方的熔融起始材料5随后从晶种盘4开始结晶，其具有尽可能水平的固化前沿。

在移除容器1的壁3和基座2之后，产生图2a中所示的材料体7，其也包含了部分熔化的晶种盘4。一般来说，具有部分熔化的晶种盘4的体积区域7b与材料体7分离，特别是沿图2a中所示的水平切割线分离。在分离之后，留下具有(准)单晶体积区域8和以环形方式围绕后者的多晶体积区域9的材料体7a，该材料体显示于图2b中。在此情况下，材料体7a的准单晶体积区域8实质上对应于图1b中所示的晶种盘4上方的体积区域，其中(准)单晶硅在起始材料5的熔体的固化过程中形成。

在容器1的侧壁3和晶种盘4的侧边缘之间的壁间隙R的区域中，在材料体7、7a的(准)单晶体积区域8周围形成多晶硅接缝形式的多晶体积区域9。举例来说，图2b中所示的材料体7a可具有约130cm×130cm×50cm的相对大的尺寸，其中准单晶体积区域8形成的比例通常大于材料体7a的总体积的约90％。

为了制作用于(反射)光学元件11的基板10，如图3a-c所示，必须适当地处理图2b所示的材料体7a。处理包含机械处理，其包含使材料体7a达到所需的三维形状。机械处理也包含在光学表面12处将基板10平滑化及抛光，以改变其表面构造，特别是其粗糙度，并准备施加反射涂层13。为了确保在光学表面12处的最高可能的表面品质，光学表面12通常形成在材料体7a的面向晶种板4的那一侧。在图3a-c所示的示例中，反射涂层13配置为反射入射在反射涂层13上的EUV辐射14。

在所示的示例中，反射涂层13包含由高折射率材料和低折射率材料构成的交替单独层(图中未示出)，其在所示的示例中为钼和硅。这些材料的组合使得可反射波长约为13.5nm的EUV辐射14。个别层的其他材料组合同样是可能的，例如钼和铍、钌和铍、或镧和B

在图3a所示的反射光学元件11的情况下，基板10仅由材料体7a的准单晶体积区域8形成。在图3b所示的示例的情况下，基板10另外具有以环状方式围绕准单晶体积区域8的多晶体积区域9。在图3c所示的反射光学元件11的情况下，多晶体积区域9部分地延伸至具有反射涂层13的光学表面12下方；更准确地说，以环形方式沿周向延伸的多晶体积区域9具有在光学表面12下方延伸的径向向内突出的部分体积。

同样可在图3c中看出，准单晶体积区域8向下延伸到距离光学表面12至少约1cm的距离A，即多晶体积区域9与光学表面12间隔足够远，而不会对光学表面12处的硅材料的品质产生负面影响。多晶体积区域9径向向外突出超过光学表面12，且如图3b，c所示，可用以例如将反射光学元件11的基板10连接或固定至例如安装架或类似物等。

图4a显示了材料体7，其(类似于图2a中所示的材料体7)仍包含晶种盘4。与前文结合图3a-c所进一步描述的示例不同，在图4a及图4b所示的示例中，晶种盘4没有与用于制作基板10的材料体7分离。而是，在图4b所示的基板10的情况下，对例如通过Czochralski方法制作且因此具有约30cm的大直径的中央晶种盘进行机械处理，以在该晶种盘背离准单晶体积区域8的一侧形成光学表面12。除了准单晶体积区域8，图4b中所示的基板10具有形成基板10的圆周边缘的多晶体积区域9。

图4b中所示的基板10的光学表面12的直径基本上对应使用Czochralski方法制作的晶种盘4的直径，但通过准单晶体积区域8及另外通过多晶体积区域9，相较于使用Czochralski方法所制作的晶锭，可增加(整体)基板10的直径。此外，通过在形成单晶体积区域的晶种板4下方形成的准单晶体积区域8，有可能增加基板10的厚度，而无需为此目的使用单晶硅，单晶硅的制作比准单晶硅的制作更为复杂且因此更为昂贵。

为了制作光学元件，在图4b所示的基板10的情况下，在由晶种盘4形成的单晶体积区域的光学表面12上施加反射涂层，如前文有关图3a-c的进一步描述。不言而喻地，也可施加对EUV波长范围内的波长之外的波长具有高反射率的反射涂层13于光学表面10上。同样不言而喻地，在适当的情况下，举例来说，若基板10用以制作在透射下操作的光学元件，则可省去施加反射涂层。