一种聚合物辐照损伤测试装置与测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种材料辐照损伤测试装置与测试方法，具体涉及一种准分子激光对 聚合物材料的辐照损伤测试装置与测试方法，属于材料性能的测试技术领域。
【背景技术】
[0002] 激光应用系统（如光刻机）会使用各种类型的材料，激光直射或散射到材料表面， 可能会对材料产生辐照损伤，从而使材料发生功能性失效。一些短波长的激光（如准分子 激光）的峰值功率高、单光子能量高且材料对其吸收率也高，能将一些聚合物的化学键直 接打断，产生的某些气体碎片会污染光学系统，影响光刻性能。因此，必须准确获得聚合物 的辐照损伤阈值，分析损伤产生的气体碎片组分，计算损伤组分中污染物（如碳氢化合物） 的总量，从而指导光刻机材料的选型。
[0003] 图1为现有技术中典型的光学薄膜激光损伤测试装置结构示意图，其是一种基于 光学显微成像和偏振衰减的光学薄膜激光损伤测试装置，但该装置不能实时检测样品的辐 照损伤，因此得到的损伤阈值会有一定的误差；并且该装置不能实时定性和定量地分析出 聚合物辐照损伤产生的气体碎片组分。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明提出了一种聚合物辐照损伤的测试装置与方法。本发明首先准 确测试辐照到聚合物上的准分子激光能量密度，精确得到聚合物的辐照损伤阈值；其次，定 性分析聚合物发生辐照损伤的物质组分，结合其化学组成结构进一步分析断裂的化学键； 最后，计算得到辐照损伤产生的污染物总量。
[0005] 为解决上述问题，本发明提出一种聚合物辐照损伤的测试装置，包括相互独立的 光源室、光路室和样品室，所述光路室和样品室为真空腔室，且所述光源室、光路室和样品 室之间通过法兰窗口隔断；
[0006] 所述光源室中设置有用于产生预定波长的准分子激光的准分子激光源，所产生的 准分子激光入射到光路室中；
[0007] 所述光路室内设置有光路传输部件和光学检测部件；所述光路传输部件包括：光 束衰减器、匀束器、快门、聚焦透镜、第一分束镜和第二分束镜，用于将入射到所述光路室的 准分子激光变为能量可调节的、能量密度均匀的和辐照时间可控制的聚焦光斑而出射出 去；所述光学检测部件包括能量计和光束质量分析仪，用于测试所在位置的光束能量和光 斑面积，以获得辐照到样品上的能量密度；
[0008] 所述样品室放置有样品座、样品、质谱计和真空栗组，其中样品座具有三维调节装 置，用于对所述样品座进行X、y和Z轴三维调节，所述质谱计在线测试所述样品室的气体组 分，以实时监测与判断样品是否发生辐照损伤，同时分析样品发生辐照损伤产生的碎片气 体组分，所述真空栗组用于对样品室进行抽真空。
[0009] 本发明还提出了一种利用上述装置进行聚合物辐照损伤的测试方法，其包括：
[0010] 将聚合物样品放置到样品室中的样品座上，三维调节样品座，记录X、y和Z轴坐 标，以计算样品的被辐照面与聚焦透镜中心的距离；
[0011] 对光路室和样品室抽真空，打开质谱计持续测试样品室中气体组分；
[0012] 关闭快门，打开准分子激光光源并调到一个预定的辐照能量密度；
[0013] 当样品室的真空度进入107Pa后，打开快门并控制辐照时间，对样品的第一个辐 照点进行辐照，同时观察质谱计的谱峰；若无明显突变，保持样品座的z轴坐标不变，调节 其X轴和y轴坐标，使辐照光斑移至样品的下一辐照点，调节光束衰减器增大辐照能量密 度，同时观察质谱峰变化；以此类推，直至发现质谱峰的明显突变，则判断聚合物发生了辐 照损伤，此时辐照到样品上的激光能量密度即为样品的辐照损伤阈值。
[0014] 与现有技术相比，本发明提出的上述装置的准分子激光在真空中传输，减小了光 路传输过程中的能量衰减和测试误差，有利于更准确地测试辐照能量密度，结合高灵敏度 的辐照损伤实时监测部件，进而更精准地得到聚合物的辐照损伤阈值。本发明提出的上述 装置和方法能分析聚合物发生辐照损伤产生的气体碎片组分，进而分析聚合物断裂的化学 键和计算辐照损伤产生的污物总量。测试结果可指导实际工程应用。
【附图说明】
[0015] 图1为现有的一种典型的光学薄膜激光损伤测试装置结构示意图。
[0016] 图2为本发明中聚合物辐照损伤测试装置的结构示意图。
[0017] 其中：1_光源室，2-光路室，3-样品室，4-法兰窗口，5-光束衰减器，6-匀束器， 7-第一分束镜，8-聚焦透镜，9-第二分束镜，10-快门，11-能量计，12-光束质量分析仪， 13-样品，14-样品座，15-质谱仪，16-真空栗组。
【具体实施方式】
[0018] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0019] 如图2所示，本发明提出的一种聚合物辐照损伤的测试装置，包括3个相对独立的 腔室，分别是光源室1、光路室2和样品室3,其中所述光路室2和样品室3为真空腔室，上 述三个腔室间采用法兰窗口 4隔断，窗口为CaF2材质，可透过准分子激光，其透射率为T4， T4通常在99. 9 %以上。
[0020] 所述光源室1中容纳有辐照用的准分子激光光源，其用于产生预定波长的准分子 激光，本实施例中优选为193nm的ArF准分子激光，当然也可以根据实际需要选用其他的准 分子激光。
[0021] 所述光路室2用于传输和检测准分子激光，包括光路传输部件和光学检测部件。 其中光路传输部件包括：沿光路方向依次放置的光束衰减器5、勾束器6、、第一分束镜7、聚 焦透镜8、第二分束镜9和快门10。所述光束衰减器5中沿光路依次且对称放置有镀膜衰 减镜片和补偿镜片，通过齿轮耦合同时调节两镜片的倾斜角度，来控制所述准分子激光光 源辐照到样品上的能量；当角度为0°时，透射率为100%，角度为45°时，透射率<5%。 从光束衰减器5出射的准分子激光入射到匀束器6,使得从匀束器6出射的光束变为能量 密度均匀的准分子激光。第一分束镜7与光路呈45°角放置，将光束分为两部分，一部分 从第一分束镜7反射到能量计11上，另一部分透过第一分束镜7入射到聚焦透镜8上，第 一分束镜7的透射率为T7，其范围为50 %~80%。聚焦透镜8能将光束进行汇聚，其焦距 固定为F，焦距F的优选范围为100~500mm，聚焦透镜8的透射率T8通常在99 %以上。第 二分束镜9置于聚焦透镜8和快门10之间，第二分束镜9与聚焦透镜8中心间的距离固定 为L，其与光路也呈45°角放置，该距离L与所述装置的具体尺寸有关；第二分束镜9也将 光束分为两部分，一部分被反射到光束质量分析仪12上，另一部分透过第二分束镜9入射 到快门10,第二分束镜9的透射率为T9，其范围为50%~80%。快门10用于控制光路的迅 速通断，从而控制激光辐照到样品上的时间，其打开时透射率100%，关闭时透射率0。光学 检测部件包括能量计11和光束质量分析仪12,用于直接测量所在位置处光束的能量E11和 光斑面积A12。
[0022] 所述样品室3中放置有聚合物样品13、样品座14、质谱计15和真空栗组16。样品 座14可进行x、y和z轴三维调节，调节和测量精度为0. 01mm。所述样品13置于样品座14 上，且被辐照面与光路垂直。假设样品座14左端面与聚焦透镜8中心的垂直距离固定且已 知为L。，当z坐标为零时，聚焦透镜8的焦点正好在样品座14的左端面上；调节z轴坐标， 可改变样品座14左端面和聚焦透镜8中心的距离，从而改变辐照到样品13上的光斑面积， 当调节z轴靠近聚焦透镜8时，z坐标为正；调节样品座14的X轴和y轴坐标，可对样品13 的辐照点进行选择。测量得到样品13的厚度为d。真空栗组16用于对样品室3进行抽真 空，其有效抽速已知为S。质谱计15可实时测试样品室3中的气体组分。
[0023] 所述材料辐照损伤测试装置还包括一套控制单元，其用于电动控制准分子激光光 源1、光束衰减器5、快门10、能量计11、光束质量分析仪12、样品座14和真空栗组16。通 过软件操作，可控制准分子激光光源1的充放气，调节其放电电压和重复频率；可控制光束 衰减器5镜片的倾斜角度，从而控制能量的衰减；操控快门10可控制辐照时间和辐照脉冲 个数；操控能量计11和光束质量分析仪12的启动、采集和停止；调控样品座14的三轴坐 标，可使准分子激光垂直辐照到样品13被辐照面的各个位置；控制真空栗组16的启停，使 辐照实验前样品室3的真空度优于IX10 6Pa。
[0024] 材料辐照损伤的测试装置还包括一套数据采集单元，用于实时采集能量计11、光 束质量分析仪12和质谱计15探测到的信号，其可进行简单的计算、显示和保存数据。
[0025] 辐照到样品上的光斑面积A计算如公式（1)。其中，F为聚焦透镜8的焦距；L。为 固定且已知的样品座14左端面与聚焦透镜8中心的垂直距离；d为