离子束溅射制备低应力深紫外光学薄膜
2017-02-22 22:27:35   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

随着光刻技术的发展，曝光光源波长不断缩小，相关研究沿着436nm（线）→365nm（线）→248nm（KrF）→193nm（ArF）→157nm（F2）→NGL（下一代光刻技术）路线发展，而目前193nm ArF准分子激光光刻已经成为主流的曝光技术。为实现193nm投影光刻的性能指标，光学元件的表面须镀制低损耗并具有长期激光辐照稳定性的光学薄膜。

在深紫外波段，可用的镀膜材料仅有少数的氧化物和氟化物，相比于氧化物，氟化物的消光系数更小，是深紫外波段光学薄膜的理想材料。氟化物薄膜通常采用热蒸发方法制备，由于热蒸发方法沉积粒子的能量较低，为获得致密的低损耗光学薄膜，基底需要加热至300℃甚至更高的温度。由于193nm光刻物镜中的光学元件具有纳米至亚纳米量级的面形精度，在如此高的温度下镀膜并保障元件的面形具有较大难度。并且基底与镀膜材料间热膨胀系数存在差异，导致降温过程中产生较大的残余热应力，对于数百纳米厚的膜堆，如由几十层氟化物构成的高反膜系，过大的累积残余应力甚至会导致膜层的破裂，此外高温下制备的薄膜表面粗糙度也偏高。利用热蒸发方法在融石英上制备的氟化物通常具有张应力，一般采用在膜系中加入氧化物的方法平衡应力，但也可能因此制约薄膜的光学性能。

近年来，离子束溅射方法制备的氟化物，具有沉积温度低、膜层致密及表面粗糙度低等优点，表现出良好的应用前景，尤其对于投影物镜中的面形精修元件，须采用低温冷镀方法，因此离子束溅射是理想的选择。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所才玺坤及其研究团队采用离子束溅射方法制备了深紫外光学薄膜，获得了低损耗和低应力的AlF3和GdF3单层膜，由这两种材料制备的减反和高反膜系，具有良好的光学特性。

图1 离子束溅射镀膜机结构示意图

研究团队采用离子束溅射镀膜机制备AlF3、GdF3单层膜、193 nm减反和高反膜系。图1给出了镀膜机内部结构示意图，该设备配置了16cm的溅射源和12cm的辅助源，沉积薄膜过程中仅使用溅射源，12cm辅助源用于镀膜前基底的清洁。基底真空度为5x10-5Pa，Xe气为溅射气体，靶材是纯度为99.9%的金属Gd和Al，NF3为辅助气体反应溅射。

测量的透射和反射光谱

分别使用分光光度计、原子力显微镜和应力仪研究了薄膜的光学特性、微观结构以及残余应力。在优选的沉积参数下制备出消光系数分别为1.1x10-4和3.0x10-4的低损耗AlF3和GdF3薄膜，对应的折射率分别为1.43和1.67，193nm减反膜系的透过率为99.6%，剩余反射几乎为零，而高反膜系的反射率为99.2%，透过率为0.1%。应力测量结果表明，AlF3薄膜表现为张应力而GdF3薄膜具有压应力，与沉积条件相关的低生长应力是AlF3和GdF3薄膜残余应力较小的主要原因，采用这两种材料制备的减反及高反膜系应力均低于50MPa。针对平面和曲率半径为240mm的凸面元件，通过设计修正挡板，250 mm 口径膜厚均匀性均优于97%。为亚纳米精度的平面元件镀制193nm减反膜系，镀膜后RMS由0.177nm变为0.219nm。

结论

北京埃德万斯离子束技术研究所股份有限公司自主研发的离子束溅射镀膜机是非硅微纳机电制造的核心设备。采用离子束溅射方法制备了低损耗、低应力的AlF3和GdF3薄膜。在优选的工艺条件下，AlF3薄膜具有张应力，GdF3为压应力，因此由这两种材料组成的多层膜系残余应力较小。通过数值计算模型实现了大口径元件膜厚的快速调整，使用纳米量级精度元件验证镀膜后面形，使离子束溅射方法具备了制备高性能深紫外光学薄膜的良好应用前景。

该研究成果发表在近期的《中国光学》杂志上，并且本研究获得了国家重大科技专项（02专项）基金资助（No. 2009ZX02205）。