一种极紫外波段薄膜滤片及其制备方法和应用与流程

本发明涉及薄膜制备
技术领域：
，尤其涉及一种极紫外波段薄膜滤片及其制备方法和应用。
背景技术：
：极紫外波段介于x射线和紫外线之间，因其波长短，可用于观察或者制作更加细微的结构，例如极紫外显微和极紫外光刻等技术的发展。该波段内存在大量原子共振吸收线，可以通过检测这些特征谱线，探知元素的存在和分布，由此发展了极紫外发射光谱、吸收光谱、光电子谱等多种谱学分析方法，并被应用到材料分析、等离子体诊断、极紫外天文学等领域。近二十年来，随着高亮度同步辐射光源的迅速发展，各国科学家对材料在该波段光学性能的表征研究兴趣日益强烈。遗憾的是，该波段的高次谐波非常多，常用的方法是采用薄膜反射镜或者薄膜滤片吸收来提高光谱纯度，其中，薄膜滤片不改变光路，更为简单方便，是极紫外与x射线波段重要的光学元件，普遍应用在空间科学、极紫外光刻、等离子体诊断和同步辐射光束线等领域。为了提升滤片的机械性能，并且还要保证其在极紫外波段的透射特性以及红外、可见光和紫外的抑制特性，国内外研究者们对滤片的制备做了大量研究。目前，适用于极紫外的薄膜滤片多为金属膜滤片，厚度非常薄，稳定性较差，需要各种支撑结构加以支撑，但是使用了支撑结构后，存在机械性能和透过率不能同时兼顾的问题。技术实现要素：有鉴于此，本发明的目的在于提供一种极紫外波段薄膜滤片及其制备方法和应用。本发明提供的极紫外波段薄膜机械性能好，透过率高。为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：本发明提供了一种极紫外波段薄膜滤片，为si掺杂的mg单层膜，所述mg单层膜中si的质量百分数为0～50％。优选地，所述mg单层膜中si的质量百分数为10～30％。优选地，所述mg单层膜中si的质量百分数为20％。优选地，所述mg单层膜的厚度为30～1500nm。优选地，所述mg单层膜的厚度为200～1000nm。优选地，所述mg单层膜的厚度为500nm。本发明还提供了上述技术方案所述极紫外波段薄膜滤片的制备方法，包括以下步骤：利用si靶和mg靶，在基底表面进行直流磁控溅射，得到所述极紫外波段薄膜滤片。优选地，所述si靶和mg靶的溅射功率均为40w。优选地，所述直流磁控溅射的本底真空度小于2.0×10-4pa，溅射气压为0.2pa。本发明还提供了上述技术方案所述极紫外波段薄膜滤片或上述技术方案所述制备方法制得的极紫外波段薄膜滤片作为光学元件的应用。本发明提供了一种极紫外波段薄膜滤片，为si掺杂的mg单层膜，所述mg单层膜中si的质量百分数为0～50％。本发明中，mg的k吸收边位于0.95nm，在0.95～1.3nm具有较高透射率；l吸收边位于25.4nm，在25.4-40.0nm具有较高透射率；在这两个波段是非常重要的薄膜滤片；在mg中掺si，一定程度上可减小mg的应力，si可以穿透mg的晶格，抑制mg的结晶，并且原子半径较小的si占据mg膜中的空位而产生拉伸作用，这种拉伸作用随着si掺杂质量分数的增大逐渐占据对薄膜应力的主导作用，从而使mg从压应力转变为张应力，进而提高了极紫外波段薄膜的机械性能，同时不影响透过率。本发明还提供了上述技术方案所述极紫外波段薄膜滤片的制备方法，包括以下步骤：利用si靶和mg靶，在基底表面进行直流磁控溅射，得到所述极紫外波段薄膜滤片。本发明中，在直流磁控溅射过程中，mg的压应力来源于高能粒子(反射的ar中性粒子和溅射原子)对薄膜的轰击作用致使薄膜中产生空位或填隙原子等缺陷，使薄膜体积增大，mg和si之间产生相互扩散，进而制得si掺杂的mg单层膜。附图说明图1为实施例1中纯mg单层膜不同厚度透射率曲线；图2为实施例1中mg(20％wtsi)单层膜不同厚度透射率曲线；图3为实施例1中mg(30％wtsi)单层膜不同厚度透射率曲线；图4为实施例2中不同si掺杂质量分数mg单层膜曲率变化趋势图；图5为实施例3中不同质量分数掺杂si的mg(x％wtsi)单层膜应力变化趋势图；图6为实施例3中不同质量分数掺杂si的mg(x％wtsi)单层膜x射线衍射图。具体实施方式本发明提供了一种极紫外波段薄膜滤片，为si掺杂的mg单层膜，所述mg单层膜中si的质量百分数为0～50％。在本发明中，所述mg单层膜中si的质量百分数优选为10～30％，更优选为20％。在本发明中，所述mg单层膜的厚度优选为30～1500nm，更优选为200～1000nm，最优选为500nm。本发明还提供了上述技术方案所述极紫外波段薄膜滤片的制备方法，包括以下步骤：利用si靶和mg靶，在基底表面进行直流磁控溅射，得到所述极紫外波段薄膜滤片。在本发明中，所述si靶和mg靶的溅射功率均优选为40w。在本发明中，所述直流磁控溅射的本底真空度优选小于2.0×10-4pa，溅射气压优选为0.2pa。本发明对所述基底的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的基底即可。本发明对所述直流磁控溅射的时间没有特殊的限定，能够达到mg单层膜的厚度即可。本发明还提供了上述技术方案所述极紫外波段薄膜滤片或上述技术方案所述制备方法制得的极紫外波段薄膜滤片作为光学元件的应用。为了进一步说明本发明，下面结合实例对本发明提供的极紫外波段薄膜滤片及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。实施例1测试厚度分别为0.2μm、0.5μm、1.0μm和1.5μm的纯mg单层膜的透射率，结果如图1所示。利用si靶和mg靶，在基底表面进行直流磁控溅射(本底真空度为1.0×10-4pa，溅射气压为0.2pa)，si靶和mg靶的溅射功率均为40w，分别得到si的质量百分数为20％、30％、厚度分别为0.2μm、0.5μm、1.0μm和1.5μm的极紫外波段薄膜滤片。图2为实施例1中mg(20％wtsi)单层膜不同厚度透射率曲线；图3为实施例1中mg(30％wtsi)单层膜不同厚度透射率曲线，根据图1～3可知，本发明提供的极紫外波段薄膜滤片的透过率与纯mg单层膜相当。实施例2利用si靶和mg靶，在基底表面进行直流磁控溅射(本底真空度为1.0×10-4pa，溅射气压为0.2pa)，si靶和mg靶的溅射功率均为40w，分别得到si的质量百分数为0、10％、20％、30％和50％，厚度均为150nm的极紫外波段薄膜滤片(mg(x％wtsi)单层膜，x分别为0、10、20、30和50，x为0时即为纯mg)。利用实时应力测量装置分别测量纯mg、mg(10％wtsi)、mg(20％wtsi)、mg(30％wtsi)和mg(50％wtsi)单层膜沉积过程中的应力变化，设计每次应力测试的间隔厚度为30nm，整个薄膜沉积过程会进行10次应力测试。各膜系的曲率变化如图4所示，可知，随着薄膜厚度增加，曲率逐渐增大，其中mg、mg(10％wtsi)和mg(20％wtsi)单层膜往负方向增大，为压应力趋势，mg(30％wtsi)和mg(50％wtsi)单层膜往正方向增大，为张应力趋势。图5是计算得到的对应mg(x％wtsi)单层膜应力变化趋势图，所有膜系沉积完第一层时均显示较大的压应力，而后随着沉积厚度的增加，各膜系的平均压应力逐渐减小，当沉积厚度大于150nm后，平均压应力有小幅度波动，最后各个膜系的平均压应力逐渐趋于平稳。表1给出了不同si掺杂质量分数mg(x％wtsi)单层膜的平均应力值。结合图5和表1，可知在mg单层膜中掺si可以抑制mg的压应力，且si掺杂质量分数越大，对mg压应力的抑制作用越强，mg的压应力越小，当si掺杂质量分数达到50％，mg压应力近乎趋于零，计算得到的平均应力如表1所示。表1mg(x％wtsi)单层膜的应力值膜系mgmg10wt％si)mg(20wt％si)mg(30wt％si)mg(50wt％si)应力值/mpa-108.08-83.87-30.76-13.32-3.51实施例3在超光滑单晶si基底上利用si靶mg靶，在基底表面进行直流磁控溅射(本底真空度为1.0×10-4pa，溅射气压为0.2pa)，si靶和mg靶的溅射功率均为40w，分别得到si的质量百分数为0、10％、20％、30％和50％，厚度均为300nm的极紫外波段薄膜滤片(mg(x％wtsi)单层膜，x分别为0、10、20、30和50)，对极紫外波段薄膜滤片进行x射线衍射测试，测试结果如图6所示，当mg中没有掺杂si时，mg在34.8°处具有较强的择优取向，该衍射峰对应于mg(002)晶向，峰形完整，显示单层膜的中mg处于结晶态。当向mg单层膜中掺杂10％质量分数si时，mg(002)衍射峰强度减弱，峰形变宽，表明薄膜中结晶mg相减少，mg的结晶被抑制。对比不掺杂si的mg衍射图谱，掺杂10％质量分数si的mg衍射图谱上出现了新的结晶相，该峰为mg2si(220)晶向，表明mg和si发生了化合反应，随着si掺杂质量分数的增大，mg(002)晶向衍射峰强度进一步减小，当si掺杂质量分数达到30％时，mg(002)晶向几乎消失不见，si掺杂质量分数进一步增大到50％，mg(002)晶向完全消失不见，表明mg的结晶被完全抑制。相反，mg2si(220)晶向的衍射峰强度随着si掺杂质量分数的增大而逐渐增强，表明mg和si大量的发生反应，产物mg2si增多，但是si掺杂质量分数达到30％后，mg2si(220)晶向衍射峰强度增加有所减弱，根据scherrer公式计算得到mg(30％wtsi)和mg(50％wtsi)的mg2si晶粒大小分别为6.7和6.9nm。综上，本发明在mg中掺si能减小mg的压应力，随着si在mg中掺杂质量分数的增大，mg的压应力进一步减小，并且结晶mg相也呈现减少的趋势，mg的结晶被抑制，这是由于共溅射制备薄膜的方式使mg和si反应生成了硅化物mg2si，si原子在mg膜中发生扩散，较小的si原子拉伸到mg膜中的空位位置，从而产生张应力，导致mg的压应力减小，si掺杂质量分数继续增大使张应力增大，压应力进一步减小。以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12