專利名稱：193nmP光大角度減反射薄膜元件的制備方法
技術領域：
本發明涉及ArF準分子激光應用技術領域，具體涉及一種用于ArF器線寬壓窄模塊中擴束棱鏡斜邊表面的P光大角度(71°)減反射薄膜元件的設計與制備。
背景技術：
近年來，193nm ArF準分子激光器作為深紫外光刻機的光源取得了廣泛應用。隨著光刻技術的發展，193nm光刻機所采用的激光器的功率日益提高，由此對ArF準分子激光器的波長精度、輸出效率提出了更高的要求。為了實現高質量的ArF偏振激光輸出，激光器腔內需要使用偏振光學兀件。激光器腔內的偏振光學兀件對于激光輸出的功率和偏振度都有重要影響。在ArF準分子激光器中，為了實現極窄的波長輸出，需要采用線寬壓窄光學模塊，該光學模塊包含了多個用于光學擴束的色散棱鏡。線寬壓窄模塊是ArF激光腔內用于 將放電產生的寬激光發射譜進行線寬壓窄的關鍵核心部件，直接影響著其光束質量和輸出能量，同時也是激光腔內最容易被破壞的部分。線寬壓窄光學模塊不僅直接決定了 ArF準分子激光器的輸出線寬，而且對于ArF準分子激光器的輸出功率和偏振度都有十分重要的影響。為了獲得較大的光學擴束率，P偏振態ArF激光在直角擴束棱鏡斜邊上的入射角需要盡可能大(通常大于布魯斯特角)。由于大角度斜入射將引起菲涅耳反射損耗的增加，P偏振態193nm激光光束在擴束棱鏡組中的多次振蕩產生的光學損耗會大大降低激光器的輸出效率甚至導致激光器失效。棱鏡組之間的菲涅耳反射降低了棱鏡的透過率，光束在多個棱鏡來回傳輸時將會產生較大的損耗。為此，需要在棱鏡的斜面鍍制增透膜以減小反射損耗。然而，考慮到鍍膜成本及難度會隨著入射角的增大而增大，因此要平衡入射角和鍍膜二者的關系，入射角通常選定在68°-72°之間。實現線寬壓窄模塊擴束棱鏡表面高性能的P光在大角度(71°)入射條件下減反射薄膜元件的設計與制備，對提高ArF準分子激光器的波長精度、性能穩定性、輸出效率具有重要意義。本發明填補國內深紫外波段大角度減反射膜鍍制技術空白。

發明內容
本發明為解決現有P偏振態193nm激光光束在ArF準分子激光器的擴束棱鏡組中多次振蕩產生的光學損耗嚴重、并由此導致的ArF準分子激光器的光束質量和輸出效率大大降低等問題，提供一種193nm P光大角度減反射薄膜元件的制備方法。193nm P光大角度減反射薄膜元件的制備方法，該方法由以下步驟實現步驟一、以CaF2作為鍍膜基底，采用真空熱沉積方法在基底上沉積MgF2單層膜和LaF3單層膜，對MgF2薄膜層進行光學常數解析，獲得MgF2薄膜層在193nm工作波段處的折射率為I. 42，消光系數為O. 00048 ;采用一階非均勻性模型對LaF3薄膜層進行光學常數解析，獲得LaF3薄膜層在193nm工作波段處的折射率為I. 68，消光系數為O. 0028，步驟二、采用真空熱沉積方法在CaF2基底上交替沉積多層MgF2薄膜層和多層LaF3薄膜層，對步驟一進行光學常數解析后的LaF3薄膜層進行厚度優化，使多層LaF3薄膜層的總厚度小于40nm ;最外層的MgF2薄膜層厚度為2. 5nm,最終實現對減反射薄膜元件的制備。本發明的有益效果本發明所述方法鍍制的薄膜大大降低了擴束棱鏡斜邊的剩余反射損耗，較大幅度提高線寬壓窄模塊輸出效率；同時具有較寬的角度容差。本發明所述的薄膜元件在P光71°入射時，193nm處剩余反射率小于O. 5%。同比裸基底時的該反射率為4. 4%，通過鍍制該薄膜大大降低了擴束棱鏡斜邊的剩余反射損耗，較大幅度提高線寬壓窄模塊輸出效率；該薄膜元件在P光71度入射時，在191-194nm范圍內剩余反射率小于O. 5%，具有較寬的光譜帶寬；該薄膜元件在P光大角度入射時，在65°-73°范圍內剩余反射率小于1%，具有較寬的角度容差； 該薄膜元件在20-30mJ/cm2 ArF激光能流密度下長時間輻照，光譜性能指標穩定，薄膜表面也沒有膜層退化、脫落等現象產生。71度P光偏振減反射膜元件存儲于大氣環境中一個月內光譜指標沒有明顯改變，波長漂移可以忽略不計，具有良好的環境穩定性。


圖I ArF準分子激光器線寬壓窄模塊與波長控制系統圖；圖2線寬壓窄模塊直角擴束棱鏡光路圖；圖3為本發明所述的193nm P光大角度減反射薄膜元件的制備方法中高折射率薄膜材料LaF3光學常數解析的效果圖；圖4為本發明所述的193nm P光大角度減反射薄膜元件的制備方法中減反射薄膜膜系模型圖；圖5為現有規整1/4 λ膜系與本發明所述的優化膜系電場強度分布對比圖；圖6為具體實施方式
三中193nm P光大角度(71°)減反射薄膜剩余反射率圖；圖7為具體實施方式
三中193nm P光大角度(71°)減反射薄膜變角度剩余反射率圖；圖8為具體實施方式
三中193nm P光大角度(71°)減反射薄膜環境穩定性測試圖。
具體實施例方式具體實施方式
一、結合圖4說明本實施方式，193nm P光大角度減反射薄膜元件的制備方法，該方法由以下步驟實現步驟一、選用CaF2作為鍍膜基底，采用真空熱沉積方法在基底上分別沉積LaF3單層膜和MgF2單層膜，所述兩種單層薄膜的厚度分別為IOOnm和300nm。并對LaF3薄膜層和MgF2薄膜層進行光學常數解析，其中對LaF3薄膜采用一階非均勻性模型，獲得LaF3薄膜層在193nm工作波段處的折射率為I. 68，消光系數為O. 0028，MgF2薄膜層在193nm工作波段處的折射率為I. 42，消光系數為O. 00048 ；步驟二、另外選用CaF2作為鍍膜基底，采用真空熱沉積方法在基底上依次交替沉積多層MgF2薄膜層和多層LaF3薄膜層，對步驟一中進行光學常數解析后的LaF3薄膜層進行優化，對LaF3薄膜層進行厚度優化，在不影響光譜指標的情況下，極力壓縮每層LaF3薄膜層的厚度，使多層LaF3薄膜層的總厚度小于40nm ;最外層的MgF2薄膜層厚度為2. 5nm,實現對減反射薄膜元件的制備。本實施方式步驟一中選用CaF2 (RMS<0. 2nm)作為鍍膜基底時，采用真空熱沉積方法對基底的加熱溫度為300°C，沉積速率為O. 6nm/s。
具體實施方式
二、結合圖I至圖3和圖5說明本實施方式，193nm P光大角度減反射薄膜元件的制備方法，本實施方式設計和制備了入射角為71。的193nm波段P光減反射薄膜，該種膜系在該種入射條件下具有極低的反射率，大大提高ArF激光器輸出效率，同時在68°-72°范圍內具有較大角度容差，為線寬壓窄模塊系統裝調使用提供便利。具體步驟為步驟一、薄膜光學元件制備條件。本實施方式中薄膜元件制備采用鑰舟真空熱蒸發沉積技術，該方法是在所有的沉積方法中是最適合于沉積深紫外波段低光學吸收薄膜的方法之一。為了保證薄膜元件在深紫外光波照射下，保持較好的環境穩定性及光譜穩定性，需要采用較高的沉積溫度，本實施中鍍膜基底選用CaF2 (RMS<0. 2nm)，本基底真空度小于10_6mbar，沉積前使用APS源對鍍膜基底進行預處理，基底加溫溫度為300°C，熱蒸發沉積速率選為O. 6nm/s，薄膜厚度控制采用晶振控制的監測方法。步驟二、薄膜材料光學常數精確解析。在深紫外波段，LaF3因其具有較高的折射率和透過率而得到廣泛應用，在與MgF2等低折射率材料組成的交替膜系中，LaF3膜層主導著多層膜的光學性能，因此有必要精確·解析真空熱蒸發方法沉積的LaF3薄膜的光學常數，在具體制備條件下精確解析薄膜的光學常數是制備出高性能薄膜光學元件的重要一環，將為后續的薄膜膜系設計及優化提供可靠保證。由于LaF3單層膜的非均勻性給光學常數的精確解析帶來較大困難，應用一階非均勻性模型，解析LaF3單層膜在該種工藝條件下的光學常數，結合圖3，結果如下LaF3單層膜在193納米處折射率為I. 68，消光系數為O. 0028。MgF2單層膜在193納米處折射率為I. 42，消光系數為O. 00048 ；步驟三、P光大角度AR膜系設計與優化。大角度P光偏振減反射膜設計，P光在較大角度入射時,規整1/4 λ膜系的反射效率大大降低，遠不能滿足在大角度下低反射率性能的實現。故為了獲取足夠低的反射率需要用非規整膜系來實現，這就對鍍膜工藝的穩定性和厚度容差提出了極高的要求。由于工作波長在深紫外區，吸收及散射損耗是獲取高性能元件光學薄膜元件的瓶頸。減反射膜系的膜層數較少，一般為3-5層左右，在膜系優化設計過程中需要精確調節每層薄膜的厚度，以獲取最佳光譜性能的膜系。在大角度P光偏振減反射膜設計中，在高折射率材料LaF3與低折射率材料MgF2組成的交替膜系中，LaF3膜層主導著多層膜的光學性能，其厚度的大小決定了整個膜系的吸收損耗大小及抗激光損傷閾值。調節LaF3的厚度是通過薄膜設計軟件，可以利用macleod或filmstar或opticlayer等等。本實施方式中所述的光學薄膜元件，P光比S光與薄膜材料的作用厚度更大，尤其在入射角度較大時，P光較強穿透深度導致了薄膜元件的嚴重吸收現象。因此在膜系優化過程中，在不降低光譜性能的前提下，應匹配高低折射率材料的厚度，盡量降低高折射率材料LaF3的厚度以及其中的電場強度，同時兼顧薄膜元件的光譜帶寬和角度容差，由電場分布對比圖，結合圖3所示，經優化后的大角度P光偏振減反射膜系，高折射率材料的厚度大大削減，其中的電場強度峰值同比低于規整膜系。結合圖I說明本實施方式，在ArF準分子激光器采用線寬壓窄光學模塊中，包含了四塊直角擴束棱鏡用于光學擴束，需要在棱鏡的斜面鍍制增透膜P光大角度(71°)減反射薄膜以減小反射損耗，提高ArF激光器的輸出效率。由于工作波長在深紫外區，高精度的線寬壓窄模塊對其內部的擴束棱鏡組光譜性能有著特殊的要求。平衡入射角度和鍍膜難度二者的關系，入射角通常選定在68°-72°之間。結合圖2說明本實施方式，光束入射條件如圖2所示，P偏振態ArF準分子激光以大角度入射到擴束棱鏡斜面(C)，棱鏡的頂角α的度數根據入射角度和棱鏡折射率調節，保證激光光束垂直入射到擴束棱鏡的直角面(B)。本發明設計與制備ArF準分子激光器線寬壓窄模塊擴束棱鏡表面高性能的P光在大角度(71°)入射條件下的減反射薄膜元件。ArF激光諧振腔長約為Im,產生的脈沖步長為20_30ns。因此，ArF激光在諧振腔 內一般要往返振蕩3-5次。當P偏振態ArF激光以71°入射至棱鏡斜邊表面時，剩余反射率為4. 4%，在線寬壓窄模塊中有4塊光學擴束棱鏡，故單程反射率損耗達到16. 5% (忽略直角邊反射損耗)，這將大大降低激光器的輸出效率和使用壽命。在擴束棱鏡斜邊鍍制P光71度入射減反射膜后，P光71度剩余反射率降至O. 5%以下，單程反射率損耗降至2%，輸出效率提高約17%。該薄膜可以實現P偏振態ArF激光在71°入射時仍具有極低的反射率，同時具有較寬的光譜帶寬和角度容差，良好的時效性及抗激光損傷穩定性，大大提高ArF激光器的輸出效率。結合圖4說明本實施方式，P光71°大角度膜系模型中，入射角Θ為71度，優化設計 P 光 71° 入射減反射膜系為 CaF2/MgF2 (51. 8nm)，LaF3 (19. 7nm), MgF2 (64. 6nm),LaF3 (20. 2nm)，MgF2 (2. 5nm) /空氣。該膜系中LaF3膜層總厚度小于40nm，另外，最外層用
2.5nm厚的MgF2膜層用做保護層，使薄膜樣品表面更光滑，有利于減少薄膜的散射損耗。
具體實施方式
三、結合圖6至圖8說明本實施方式，本實施方式為具體實施方式
一或二所述的193nm P光大角度減反射薄膜元件的制備方法中P光大角度減反射薄膜剩余反射率測試以及P光減反射膜環境時效性及抗激光損傷能力測試過程一、P光大角度減反射薄膜剩余反射率測試為了準確表征P光大角度入射光學薄膜元件的光譜特性(反射率及變角度反射)，需要包含有偏振光學元件的偏振光光譜測量裝置(本發明中所有光譜測試結果由德國漢諾威激光中心研制的VUV光度計測試得到)。該光譜測量裝置采用的偏振定起偏器為Rochon光學棱鏡，同時，配以高精度角度定位裝置(定位精度〈O. 1°)。整個測試在吹掃高純N2 (99. 999%.)環境中進行，測試中光源偏振態為P偏振，波長測試范圍為185-210nm，通過光束分束器將光束分為193nm參比光和測試光進行雙光路測試獲得反射率及透過率光譜。二、大角度P光減反射膜環境時效性及抗激光損傷能力測試ArF激光損傷閾值系統用于評估大角度P光減反射膜環境時效性及抗激光損傷性能。將減反射膜樣品置于使用環境中一個月后，進行光譜環境時效性性能測試。ArF激光能流密度在20-30mJ/cm2范圍內連續照射該薄膜樣品后，進行光譜性能測試及微觀形貌表征，借此檢測大角度P光減反射膜薄膜元件的抗激光損傷性能。
權利要求
1.193nm P光大角度減反射薄膜元件的制備方法，其特征是，該方法由以下步驟實現步驟一、以CaF2作為鍍膜基底，采用真空熱沉積方法在基底上沉積MgF2單層膜和LaF3單層膜，對MgF2薄膜層進行光學常數解析，獲得MgF2薄膜層在193nm工作波段處的折射率為I. 42，消光系數為O. 00048 ;采用一階非均勻性模型對LaF3薄膜層進行光學常數解析，獲得LaF3薄膜層在193nm工作波段處的折射率為I. 68，消光系數為O. 0028，步驟二、采用真空熱沉積方法在CaF2基底上交替沉積多層MgF2薄膜層和多層LaF3薄膜層，對步驟一進行光學常數解析后的LaF3薄膜層進行厚度優化，使多層LaF3薄膜層的總厚度小于40nm ;最外層的MgF2薄膜層厚度為2. 5nm,最終實現對減反射薄膜元件的制備。
2.根據權利要求I所述的193nmP光大角度減反射薄膜元件的制備方法，其特征在于，步驟一所述的MgF2單層膜的厚度為300nm，LaF3單層膜的厚度為lOOnm。
3.根據權利要求I所述的193nmP光大角度減反射薄膜元件的制備方法，其特征在于，步驟一中選用CaFJt為鍍膜基底時，采用真空熱沉積方法對基底的加熱溫度為300°C，沉積速率為O. 6nm/s。
全文摘要
193nm P光大角度減反射薄膜元件的制備方法，涉及ArF準分子激光應用技術領域，解決了P偏振態193nm激光光束大角度入射擴束棱鏡組時，由于剩余反射導致該模塊光學損耗過大的問題。本發明在采用真空熱沉積方法在基底上交替沉積LaF3薄膜層和MgF2薄膜層，通過對LaF3薄膜層和MgF2薄膜層進行光學常數解析，特別針對LaF3薄膜層進行厚度優化，在不影響光譜指標的情況下，極力壓縮每層LaF3薄膜層的厚度，使多層LaF3薄膜層的總厚度小于40nm；實現對減反射薄膜元件的制備。本發明可以實現P偏振態ArF激光在71o入射時仍具有極低的反射率，大大提高ArF激光器的輸出效率。
文檔編號G02B1/11GK102928894SQ20121048800
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月26日 優先權日2012年11月26日
發明者金春水, 靳京城, 李春, 鄧文淵, 常艷賀 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所