193nmP光大角度减反射薄膜元件的制备方法

专利名称：193nmP光大角度减反射薄膜元件的制备方法
技术领域：
本发明涉及ArF准分子激光应用技术领域，具体涉及一种用于ArF器线宽压窄模块中扩束棱镜斜边表面的P光大角度(71°)减反射薄膜元件的设计与制备。
背景技术：
近年来，193nm ArF准分子激光器作为深紫外光刻机的光源取得了广泛应用。随着光刻技术的发展，193nm光刻机所采用的激光器的功率日益提高，由此对ArF准分子激光器的波长精度、输出效率提出了更高的要求。为了实现高质量的ArF偏振激光输出，激光器腔内需要使用偏振光学兀件。激光器腔内的偏振光学兀件对于激光输出的功率和偏振度都有重要影响。在ArF准分子激光器中，为了实现极窄的波长输出，需要采用线宽压窄光学模块，该光学模块包含了多个用于光学扩束的色散棱镜。线宽压窄模块是ArF激光腔内用于 将放电产生的宽激光发射谱进行线宽压窄的关键核心部件，直接影响着其光束质量和输出能量，同时也是激光腔内最容易被破坏的部分。线宽压窄光学模块不仅直接决定了 ArF准分子激光器的输出线宽，而且对于ArF准分子激光器的输出功率和偏振度都有十分重要的影响。为了获得较大的光学扩束率，P偏振态ArF激光在直角扩束棱镜斜边上的入射角需要尽可能大(通常大于布鲁斯特角)。由于大角度斜入射将引起菲涅耳反射损耗的增加，P偏振态193nm激光光束在扩束棱镜组中的多次振荡产生的光学损耗会大大降低激光器的输出效率甚至导致激光器失效。棱镜组之间的菲涅耳反射降低了棱镜的透过率，光束在多个棱镜来回传输时将会产生较大的损耗。为此，需要在棱镜的斜面镀制增透膜以减小反射损耗。然而，考虑到镀膜成本及难度会随着入射角的增大而增大，因此要平衡入射角和镀膜二者的关系，入射角通常选定在68°-72°之间。实现线宽压窄模块扩束棱镜表面高性能的P光在大角度(71°)入射条件下减反射薄膜元件的设计与制备，对提高ArF准分子激光器的波长精度、性能稳定性、输出效率具有重要意义。本发明填补国内深紫外波段大角度减反射膜镀制技术空白。

发明内容
本发明为解决现有P偏振态193nm激光光束在ArF准分子激光器的扩束棱镜组中多次振荡产生的光学损耗严重、并由此导致的ArF准分子激光器的光束质量和输出效率大大降低等问题，提供一种193nm P光大角度减反射薄膜元件的制备方法。193nm P光大角度减反射薄膜元件的制备方法，该方法由以下步骤实现步骤一、以CaF2作为镀膜基底，采用真空热沉积方法在基底上沉积MgF2单层膜和LaF3单层膜，对MgF2薄膜层进行光学常数解析，获得MgF2薄膜层在193nm工作波段处的折射率为I. 42，消光系数为O. 00048 ;采用一阶非均匀性模型对LaF3薄膜层进行光学常数解析，获得LaF3薄膜层在193nm工作波段处的折射率为I. 68，消光系数为O. 0028，步骤二、采用真空热沉积方法在CaF2基底上交替沉积多层MgF2薄膜层和多层LaF3薄膜层，对步骤一进行光学常数解析后的LaF3薄膜层进行厚度优化，使多层LaF3薄膜层的总厚度小于40nm ;最外层的MgF2薄膜层厚度为2. 5nm,最终实现对减反射薄膜元件的制备。本发明的有益效果本发明所述方法镀制的薄膜大大降低了扩束棱镜斜边的剩余反射损耗，较大幅度提高线宽压窄模块输出效率；同时具有较宽的角度容差。本发明所述的薄膜元件在P光71°入射时，193nm处剩余反射率小于O. 5%。同比裸基底时的该反射率为4. 4%，通过镀制该薄膜大大降低了扩束棱镜斜边的剩余反射损耗，较大幅度提高线宽压窄模块输出效率；该薄膜元件在P光71度入射时，在191-194nm范围内剩余反射率小于O. 5%，具有较宽的光谱带宽；该薄膜元件在P光大角度入射时，在65°-73°范围内剩余反射率小于1%，具有较宽的角度容差； 该薄膜元件在20-30mJ/cm2 ArF激光能流密度下长时间辐照，光谱性能指标稳定，薄膜表面也没有膜层退化、脱落等现象产生。71度P光偏振减反射膜元件存储于大气环境中一个月内光谱指标没有明显改变，波长漂移可以忽略不计，具有良好的环境稳定性。


图I ArF准分子激光器线宽压窄模块与波长控制系统图；图2线宽压窄模块直角扩束棱镜光路图；图3为本发明所述的193nm P光大角度减反射薄膜元件的制备方法中高折射率薄膜材料LaF3光学常数解析的效果图；图4为本发明所述的193nm P光大角度减反射薄膜元件的制备方法中减反射薄膜膜系模型图；图5为现有规整1/4 λ膜系与本发明所述的优化膜系电场强度分布对比图；图6为具体实施方式
三中193nm P光大角度(71°)减反射薄膜剩余反射率图；图7为具体实施方式
三中193nm P光大角度(71°)减反射薄膜变角度剩余反射率图；图8为具体实施方式
三中193nm P光大角度(71°)减反射薄膜环境稳定性测试图。
具体实施例方式具体实施方式
一、结合图4说明本实施方式，193nm P光大角度减反射薄膜元件的制备方法，该方法由以下步骤实现步骤一、选用CaF2作为镀膜基底，采用真空热沉积方法在基底上分别沉积LaF3单层膜和MgF2单层膜，所述两种单层薄膜的厚度分别为IOOnm和300nm。并对LaF3薄膜层和MgF2薄膜层进行光学常数解析，其中对LaF3薄膜采用一阶非均匀性模型，获得LaF3薄膜层在193nm工作波段处的折射率为I. 68，消光系数为O. 0028，MgF2薄膜层在193nm工作波段处的折射率为I. 42，消光系数为O. 00048 ；步骤二、另外选用CaF2作为镀膜基底，采用真空热沉积方法在基底上依次交替沉积多层MgF2薄膜层和多层LaF3薄膜层，对步骤一中进行光学常数解析后的LaF3薄膜层进行优化，对LaF3薄膜层进行厚度优化，在不影响光谱指标的情况下，极力压缩每层LaF3薄膜层的厚度，使多层LaF3薄膜层的总厚度小于40nm ;最外层的MgF2薄膜层厚度为2. 5nm,实现对减反射薄膜元件的制备。本实施方式步骤一中选用CaF2 (RMS<0. 2nm)作为镀膜基底时，采用真空热沉积方法对基底的加热温度为300°C，沉积速率为O. 6nm/s。
具体实施方式
二、结合图I至图3和图5说明本实施方式，193nm P光大角度减反射薄膜元件的制备方法，本实施方式设计和制备了入射角为71。的193nm波段P光减反射薄膜，该种膜系在该种入射条件下具有极低的反射率，大大提高ArF激光器输出效率，同时在68°-72°范围内具有较大角度容差，为线宽压窄模块系统装调使用提供便利。具体步骤为步骤一、薄膜光学元件制备条件。本实施方式中薄膜元件制备采用钥舟真空热蒸发沉积技术，该方法是在所有的沉积方法中是最适合于沉积深紫外波段低光学吸收薄膜的方法之一。为了保证薄膜元件在深紫外光波照射下，保持较好的环境稳定性及光谱稳定性，需要采用较高的沉积温度，本实施中镀膜基底选用CaF2 (RMS<0. 2nm)，本基底真空度小于10_6mbar，沉积前使用APS源对镀膜基底进行预处理，基底加温温度为300°C，热蒸发沉积速率选为O. 6nm/s，薄膜厚度控制采用晶振控制的监测方法。步骤二、薄膜材料光学常数精确解析。在深紫外波段，LaF3因其具有较高的折射率和透过率而得到广泛应用，在与MgF2等低折射率材料组成的交替膜系中，LaF3膜层主导着多层膜的光学性能，因此有必要精确·解析真空热蒸发方法沉积的LaF3薄膜的光学常数，在具体制备条件下精确解析薄膜的光学常数是制备出高性能薄膜光学元件的重要一环，将为后续的薄膜膜系设计及优化提供可靠保证。由于LaF3单层膜的非均匀性给光学常数的精确解析带来较大困难，应用一阶非均匀性模型，解析LaF3单层膜在该种工艺条件下的光学常数，结合图3，结果如下LaF3单层膜在193纳米处折射率为I. 68，消光系数为O. 0028。MgF2单层膜在193纳米处折射率为I. 42，消光系数为O. 00048 ；步骤三、P光大角度AR膜系设计与优化。大角度P光偏振减反射膜设计，P光在较大角度入射时,规整1/4 λ膜系的反射效率大大降低，远不能满足在大角度下低反射率性能的实现。故为了获取足够低的反射率需要用非规整膜系来实现，这就对镀膜工艺的稳定性和厚度容差提出了极高的要求。由于工作波长在深紫外区，吸收及散射损耗是获取高性能元件光学薄膜元件的瓶颈。减反射膜系的膜层数较少，一般为3-5层左右，在膜系优化设计过程中需要精确调节每层薄膜的厚度，以获取最佳光谱性能的膜系。在大角度P光偏振减反射膜设计中，在高折射率材料LaF3与低折射率材料MgF2组成的交替膜系中，LaF3膜层主导着多层膜的光学性能，其厚度的大小决定了整个膜系的吸收损耗大小及抗激光损伤阈值。调节LaF3的厚度是通过薄膜设计软件，可以利用macleod或filmstar或opticlayer等等。本实施方式中所述的光学薄膜元件，P光比S光与薄膜材料的作用厚度更大，尤其在入射角度较大时，P光较强穿透深度导致了薄膜元件的严重吸收现象。因此在膜系优化过程中，在不降低光谱性能的前提下，应匹配高低折射率材料的厚度，尽量降低高折射率材料LaF3的厚度以及其中的电场强度，同时兼顾薄膜元件的光谱带宽和角度容差，由电场分布对比图，结合图3所示，经优化后的大角度P光偏振减反射膜系，高折射率材料的厚度大大削减，其中的电场强度峰值同比低于规整膜系。结合图I说明本实施方式，在ArF准分子激光器采用线宽压窄光学模块中，包含了四块直角扩束棱镜用于光学扩束，需要在棱镜的斜面镀制增透膜P光大角度(71°)减反射薄膜以减小反射损耗，提高ArF激光器的输出效率。由于工作波长在深紫外区，高精度的线宽压窄模块对其内部的扩束棱镜组光谱性能有着特殊的要求。平衡入射角度和镀膜难度二者的关系，入射角通常选定在68°-72°之间。结合图2说明本实施方式，光束入射条件如图2所示，P偏振态ArF准分子激光以大角度入射到扩束棱镜斜面(C)，棱镜的顶角α的度数根据入射角度和棱镜折射率调节，保证激光光束垂直入射到扩束棱镜的直角面(B)。本发明设计与制备ArF准分子激光器线宽压窄模块扩束棱镜表面高性能的P光在大角度(71°)入射条件下的减反射薄膜元件。ArF激光谐振腔长约为Im,产生的脉冲步长为20_30ns。因此，ArF激光在谐振腔 内一般要往返振荡3-5次。当P偏振态ArF激光以71°入射至棱镜斜边表面时，剩余反射率为4. 4%，在线宽压窄模块中有4块光学扩束棱镜，故单程反射率损耗达到16. 5% (忽略直角边反射损耗)，这将大大降低激光器的输出效率和使用寿命。在扩束棱镜斜边镀制P光71度入射减反射膜后，P光71度剩余反射率降至O. 5%以下，单程反射率损耗降至2%，输出效率提高约17%。该薄膜可以实现P偏振态ArF激光在71°入射时仍具有极低的反射率，同时具有较宽的光谱带宽和角度容差，良好的时效性及抗激光损伤稳定性，大大提高ArF激光器的输出效率。结合图4说明本实施方式，P光71°大角度膜系模型中，入射角Θ为71度，优化设计 P 光 71° 入射减反射膜系为 CaF2/MgF2 (51. 8nm)，LaF3 (19. 7nm), MgF2 (64. 6nm),LaF3 (20. 2nm)，MgF2 (2. 5nm) /空气。该膜系中LaF3膜层总厚度小于40nm，另外，最外层用
2.5nm厚的MgF2膜层用做保护层，使薄膜样品表面更光滑，有利于减少薄膜的散射损耗。
具体实施方式
三、结合图6至图8说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式
一或二所述的193nm P光大角度减反射薄膜元件的制备方法中P光大角度减反射薄膜剩余反射率测试以及P光减反射膜环境时效性及抗激光损伤能力测试过程一、P光大角度减反射薄膜剩余反射率测试为了准确表征P光大角度入射光学薄膜元件的光谱特性(反射率及变角度反射)，需要包含有偏振光学元件的偏振光光谱测量装置(本发明中所有光谱测试结果由德国汉诺威激光中心研制的VUV光度计测试得到)。该光谱测量装置采用的偏振定起偏器为Rochon光学棱镜，同时，配以高精度角度定位装置(定位精度〈O. 1°)。整个测试在吹扫高纯N2 (99. 999%.)环境中进行，测试中光源偏振态为P偏振，波长测试范围为185-210nm，通过光束分束器将光束分为193nm参比光和测试光进行双光路测试获得反射率及透过率光谱。二、大角度P光减反射膜环境时效性及抗激光损伤能力测试ArF激光损伤阈值系统用于评估大角度P光减反射膜环境时效性及抗激光损伤性能。将减反射膜样品置于使用环境中一个月后，进行光谱环境时效性性能测试。ArF激光能流密度在20-30mJ/cm2范围内连续照射该薄膜样品后，进行光谱性能测试及微观形貌表征，借此检测大角度P光减反射膜薄膜元件的抗激光损伤性能。
权利要求
1.193nm P光大角度减反射薄膜元件的制备方法，其特征是，该方法由以下步骤实现步骤一、以CaF2作为镀膜基底，采用真空热沉积方法在基底上沉积MgF2单层膜和LaF3单层膜，对MgF2薄膜层进行光学常数解析，获得MgF2薄膜层在193nm工作波段处的折射率为I. 42，消光系数为O. 00048 ;采用一阶非均匀性模型对LaF3薄膜层进行光学常数解析，获得LaF3薄膜层在193nm工作波段处的折射率为I. 68，消光系数为O. 0028，步骤二、采用真空热沉积方法在CaF2基底上交替沉积多层MgF2薄膜层和多层LaF3薄膜层，对步骤一进行光学常数解析后的LaF3薄膜层进行厚度优化，使多层LaF3薄膜层的总厚度小于40nm ;最外层的MgF2薄膜层厚度为2. 5nm,最终实现对减反射薄膜元件的制备。
2.根据权利要求I所述的193nmP光大角度减反射薄膜元件的制备方法，其特征在于，步骤一所述的MgF2单层膜的厚度为300nm，LaF3单层膜的厚度为lOOnm。
3.根据权利要求I所述的193nmP光大角度减反射薄膜元件的制备方法，其特征在于，步骤一中选用CaFJt为镀膜基底时，采用真空热沉积方法对基底的加热温度为300°C，沉积速率为O. 6nm/s。
全文摘要
193nm P光大角度减反射薄膜元件的制备方法，涉及ArF准分子激光应用技术领域，解决了P偏振态193nm激光光束大角度入射扩束棱镜组时，由于剩余反射导致该模块光学损耗过大的问题。本发明在采用真空热沉积方法在基底上交替沉积LaF3薄膜层和MgF2薄膜层，通过对LaF3薄膜层和MgF2薄膜层进行光学常数解析，特别针对LaF3薄膜层进行厚度优化，在不影响光谱指标的情况下，极力压缩每层LaF3薄膜层的厚度，使多层LaF3薄膜层的总厚度小于40nm；实现对减反射薄膜元件的制备。本发明可以实现P偏振态ArF激光在71o入射时仍具有极低的反射率，大大提高ArF激光器的输出效率。
文档编号G02B1/11GK102928894SQ20121048800
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月26日 优先权日2012年11月26日
发明者金春水, 靳京城, 李春, 邓文渊, 常艳贺 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所