2024年5月9日发(作者：虞翰飞)
第
28
卷第
3
期 应 用 激 光
2008
年
6
月
Vol.28,No.3
June2008
APPLIEDLASER
高性能
193nm
反射膜的制备与误差分析
尚淑珍
1
,
徐山清
1
邵建达
2
(
1
华东理工大学机械与动力工程学院承压系统安全科学教育部重点实验室
,
上海
200237;
2
3
中国科学院上海光学精密机械研究所光学薄膜技术与研究发展中心
,
上海
201800
)
提要 分析了膜厚控制误差对反射膜设计曲线的影响
,
发现高低折射率材料厚度反方向变化时
(
高折射率膜层厚度增加
,
低
折射率膜层厚度减小
)
,
反射膜的反射率变化不明显
,
设计的膜系结构对这种膜厚变化方式的制造误差宽容。在此基础上制
备了
193nm
反射膜
,
结果表明退火前光学损耗相对较大
,
实验结果与理论计算结果存在一定差距
,
并且散射损耗在总的光学
损耗中所占比例很小
,
而吸收损耗占光学损耗的主要部分
,
起主导作用。退火后光学损耗明显下降
,
实验结果与理论计算结
果更为接近
,193nm
反射膜的反射率达
98%
以上。散射损耗增加至接近吸收损耗的水平
,
不过在总的光学损耗中仍然占比较
小的比例。说明当吸收损耗下降到一定程度时
,
散射损耗所起的作用也是不可忽视的。
关键词
193nm;
反射膜
;
误差分析
;
吸收
;
散射
ThePreparationandErrorAnalysisofHigh
2
property193nmHRMirrors
ShangShuzhen
1
,
XuShanqing
1
,
ShaoJianda
2
(
1
KeyLabofSafetyScienceofPressurizedSystem,MinistryofEducation,SchoolofMechanicalEngineering,
EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai
200237
,China;
2
ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai
201800
,China
)
Abstract
Theeffectsoferrorsofoptaled
thatthereflectanceoftheHRmirrorschangedslightlyiftheopticalthicknessofthehigh
2
andlow
2
refractiveindexlayers
changeddifferently
(
theopticalthicknessofthehigh
2
refractiveindexlayersincreasedandtheopticalthicknessofthelow
2
re
2
fractiveindexlayersdecreased
)
.Thedesignedfilmsystemcouldendurethiskindofmanufacturederrorperfectly.
The193nmdseethattheopticalloss
tteringlosswasmuchlowerthantheabsorbancelosswhich
icallossreducedconsiderablysothatthereflectanceoftheHRmirrorreached
morethan98%tteringlossincreasedtothelevelwhichwasalittlelower
thantheabsorbancelosssoitcouldnotbeomitted.
Keywords
193nm;
HRCoating;
errorAnalysis;
absorption;
scattering
1
引言
在紫外光学系统中要用到大量的光学元件来改
变光路、减少杂散光干扰、提高光能转换率。对紫外
薄膜不断增长的需求
,
给紫外薄膜的发展带来了新
的挑战
,
紫外薄膜元件光学性能的改善是提高紫外
光学系统的整体性能的关键之一
[1-18]
。特别是在
大规模集成光刻系统中
,
最常用的高反膜、增透膜的
光学性能直接决定着光的能量传输效率
,
从而成为
影响芯片生产效率的关键因素之一。
193nm
处于
真空紫外边缘
,
已经接近材料的吸收带
,
导致线性吸
基金项目
:
上海市重点学科建设项目资助
(
项目编号
:B503
)
收稿日期
:2007
2
12
2
10
3
收损耗增加
,
材料问题成为一个新的挑战
,
其主要难
点在于解决吸收和散射等损耗问题
[1,4,6-8,11,16-17]
。
在
193nm
波段透明的基底材料主要有熔融石
英和
CaF
2
,
对于高反膜来说
,
由于膜层数较多
,
基底
对膜层的影响相对减小
,
因此
193nm
反射膜基底材
料除了采用氟化钙和熔融石英玻璃之外
,
也可以采
用
K9
玻璃。波长越短
,
可用的镀膜材料越少
,
特别
是高折射率的镀膜材料
,
在
193nm
波段最常用的材
料为
Al
2
O
3
、
SiO
2
、
LaF
3
及
MgF
2
[1,4,6-8,11,16-17]
。经
典的
PVD
技术是比较好的
193nm
镀膜技术
,
采用
—
207
—
的膜系主要是氧化物膜系、氟化物膜系和氧化物与
氟化物的组合膜系
,
国外
193nm
波长介质反射镜
0
°
入射的反射率达
97%
～
99%,
总的膜层数一般在
40
层以上
[2-3,5,9,10,12-15,18]
。
膜层沉积之后在空气中进行退火处理对膜层性
质也有很大影响
,
它使膜层结构和成分发生变化。
同时退火处理对改善光学性质和机械性能有明显的
作用
,
特别是包含氧化物膜层的薄膜。因此镀膜后
退火处理是减少多层介质反射膜的光学损耗的一个
常规而有效的方法
,
而且镀膜后退火处理能够提高
薄膜的耐久性及稳定性等性能。
本文首先分析了膜厚控制误差对
193nm
反射
膜设计曲线的影响
,
目的是指导反射膜制备过程中
的膜厚控制
,
采用制造误差宽容的膜系结构。采用
电子束热蒸发方法制备了
193nm
反射膜
,
并且进行
了镀膜后退火处理工艺
,
从吸收损耗与散射损耗两
个方面对退火前后反射膜的性能进行了分析。
图
1
所示为高低折射率材料厚度同时增大或者
减小时对反射膜的反射率的影响
,
厚度的变化范围
取±
3%
、±
4%
、±
5%
及±
6%,
当厚度的改变量超
过
-3%
或者
+5%
时
,
反射膜的设计反射率将达不
到
98%
。
图
2
所示为高低折射率材料厚度反方向变化时
对反射膜的反射率的影响
,
高折射率膜层厚度增加
,
低折射率膜层厚度减小
,
变化量取
2%
、
3%
、
4%
及
5%,
可见
,
反射膜的反射率变化不明显
,
设计的膜系
结构对这种变化方式的制造误差宽容。
2
反射膜的膜厚控制误差分析与制备
光学薄膜设计已渐趋成熟
,
只要特性要求合理
,
我们总能设计出适合的多层膜结构。关键问题是多
层膜的实际制造
,
这涉及到设计制造误差宽容的膜
系结构、选择合适的薄膜材料和沉积方法、有效的优
化制造工艺、精确控制各层薄膜的厚度和光学常数
等问题
,
以得到预期的光学和机械性能。
2.1
膜厚控制误差分析
设计中采用
1/4
规整膜系
(
HL
)
p
H,
其中
H
代表
λλ
光学厚度的高折射率材料
Al
2
O
3
膜层
,L
代表光
44
学厚度的低折射率材料
MgF
2
膜层
,
角标‘
p
’代表
(
HL
)
重复周期数
,
高低折射率材料的光学常数色散曲线采
用文献
[12]
中的报道数据
,
设计反射率在
98%
以上。
图
2
高低折射率材料厚度不同方向变化时对反射率的影响
Fig.2
Thicknesseffectsonreflectance
(
high
2
and
low
2
refractiveindexlayerschangedinthesameway
)
2.2
反射膜的制备与光谱测量
图
1
高低折射率材料厚度同方向变化时对反射率的影响
Fig.1
Thicknesseffectsonreflectance
(
high
2
and
low
2
refractiveindexlayerschangedoppositely
)
采用电子束热蒸发方法沉积
193nm
反射膜
,
所
有高反膜都分别镀制在直径为
40mm,
厚度为
4mm
的
K9
玻璃基片和
JGS1
型石英基片上。基片清洗
采用先在石油醚与温水的混合溶液中进行超声波处
理
,
再用乙醚溶液清洗工序。所有薄膜的本底真空
度为
6.5
×
10
-3
Pa,
烘烤温度为
300
℃。
退火工艺如下
:
退火温度为
400
℃
,
退火时间为
1.5h,
退火时采用缓慢升温与降温的方式
,
退火炉
中的气体为空气。
光谱测量均由
PerkinElmer
公司生产的
Lambda900
光谱测试仪获得
,
仪器的波长分辨率为
0.08nm
。反射率的测量通过添加绝对反射率的测
量附件进行
,
测量光路示意图见图
3
。为防止空气
中的水、氧气等对测量结果的影响
,
测量过程中充入
高纯氮气
,
氮气流量在测量过程中保持在
7
—
10L/min
。
采用
Veeco
公司生产的
WYKONT1100
型光
学轮廓仪测量样品的表面形貌与表面粗糙度。
—
208
—
为了进一步分析光学损耗产生的原因
,
有必要
区分吸收损耗与散射损耗。散射基本上分为体积散
射和表面散射两类
:
体积散射是薄膜内部结构不完
善性所引起的
,
由于体积散射消光系数与吸收消光
系数具有完全相同的性质
,
都使透射率按其指数规
律衰减
,
因此吸收损耗和体积散射损耗可以合在一
起计算
,
并把两者之和称为体积损耗
;
表面散射则主
要由粗糙表面的不规则程度所决定
,
而且在散射中
占主导作用。反射镜总的表面散射损耗可由下式
给出
:
n
H
-
n
L
σ
2
2
(
SSL
)
=32
π
n
0
n
H
()
(
1
)
n
H
+
n
L
λ
0
图
6
所示为采用
Veeco
公司生产的
WYKO
NT1100
型光学轮廓仪测量的
193nm
反射膜的表
面形貌图
,
表面均方根粗糙度为
1.23nm
。散射损
耗根据式
(
1
)
计算得
0.35%,
可见散射损耗在总的
光学损耗中所占比例很小
,
而吸收损耗占光学损耗
的主要部分
,
起主导作用。
图
3
绝对反射率测量原理图
Fig.3Theoreticalsketchformeasuringtheabsolutereflectance
3
结果讨论
图
4
及图
5
所示分别为制备所得的
193nm
反
射膜退火前的反射率与透射率光谱测量曲线
,
在
193nm
波长处反射率为
97.2%,
透射率为
0.5%,
光
学损耗
(
由公式
L=1-T-R
计算得出
)
为
2.3%
。
可见
,
实验结果与理论计算结果存在一定差距。
图
6
193nm
反射膜的表面形貌图
Fig.6
Surfacemorphologyof193nmHRmirror
图
7
所示为退火后获得的
193nm
反射膜的反
射率光谱测量曲线
,
反射率在
98%
以上。图
8
所示
为采用
Veeco
公司生产的
WYKONT1100
型光学
轮廓仪测量的
193nm
反射膜的表面形貌图
,
表面均
方根粗糙度为
1.57nm,
散射损耗根据式
(
1
)
计算得
0.57%
。
可见退火后样品的光学损耗下降
,
而散射损耗
随着表面粗糙度的增加而增加
,
说明光学损耗的下
降是由于吸收损耗的下降所引起。散射损耗在总的
光学损耗中所占比例提高
,
已经接近吸收损耗的水
—
209
—
平。说明当吸收损耗下降到一定程度时
,
散射损耗
所起的作用也是不可忽视的
,193nm
反射膜的反射
率还有一定的上升空间。
近。散射损耗在退火后有一定的增加
,
说明退火后
光学损耗的下降由吸收损耗的下降所引起。退火后
散射损耗在总的光学损耗中所占比例显著提高
,
已
经接近吸收损耗的水平
,
说明当吸收损耗下降到一
定程度时
,
散射损耗所起的作用也是不可忽视的。
参考文献
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2
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结论
通过对
193nm
反射膜膜厚控制误差的分析
,
发
现高低折射率材料厚度反方向变化时
(
高折射率膜
层厚度增加
,
低折射率膜层厚度减小
)
,
反射膜的反
射率变化不明显。说明设计的膜系结构对这种膜厚
变化方式的制造误差宽容
,
为
193nm
反射膜的制备
提供了理论指导。
对制备的
193nm
反射膜退火前后光学损耗进
行了分析
,
结果表明退火后光学损耗明显下降
,
反射
率在
98%
以上
,
实验结果与理论计算结果更为接
—
210
—
(
下转
229
页
)
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提要 分析了膜厚控制误差对反射膜设计曲线的影响
,
发现高低折射率材料厚度反方向变化时
(
高折射率膜层厚度增加
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低
折射率膜层厚度减小
)
,
反射膜的反射率变化不明显
,
设计的膜系结构对这种膜厚变化方式的制造误差宽容。在此基础上制
备了
193nm
反射膜
,
结果表明退火前光学损耗相对较大
,
实验结果与理论计算结果存在一定差距
,
并且散射损耗在总的光学
损耗中所占比例很小
,
而吸收损耗占光学损耗的主要部分
,
起主导作用。退火后光学损耗明显下降
,
实验结果与理论计算结
果更为接近
,193nm
反射膜的反射率达
98%
以上。散射损耗增加至接近吸收损耗的水平
,
不过在总的光学损耗中仍然占比较
小的比例。说明当吸收损耗下降到一定程度时
,
散射损耗所起的作用也是不可忽视的。
关键词
193nm;
反射膜
;
误差分析
;
吸收
;
散射
ThePreparationandErrorAnalysisofHigh
2
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ShangShuzhen
1
,
XuShanqing
1
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ShaoJianda
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(
1
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Abstract
Theeffectsoferrorsofoptaled
thatthereflectanceoftheHRmirrorschangedslightlyiftheopticalthicknessofthehigh
2
andlow
2
refractiveindexlayers
changeddifferently
(
theopticalthicknessofthehigh
2
refractiveindexlayersincreasedandtheopticalthicknessofthelow
2
re
2
fractiveindexlayersdecreased
)
.Thedesignedfilmsystemcouldendurethiskindofmanufacturederrorperfectly.
The193nmdseethattheopticalloss
tteringlosswasmuchlowerthantheabsorbancelosswhich
icallossreducedconsiderablysothatthereflectanceoftheHRmirrorreached
morethan98%tteringlossincreasedtothelevelwhichwasalittlelower
thantheabsorbancelosssoitcouldnotbeomitted.
Keywords
193nm;
HRCoating;
errorAnalysis;
absorption;
scattering
1
引言
在紫外光学系统中要用到大量的光学元件来改
变光路、减少杂散光干扰、提高光能转换率。对紫外
薄膜不断增长的需求
,
给紫外薄膜的发展带来了新
的挑战
,
紫外薄膜元件光学性能的改善是提高紫外
光学系统的整体性能的关键之一
[1-18]
。特别是在
大规模集成光刻系统中
,
最常用的高反膜、增透膜的
光学性能直接决定着光的能量传输效率
,
从而成为
影响芯片生产效率的关键因素之一。
193nm
处于
真空紫外边缘
,
已经接近材料的吸收带
,
导致线性吸
基金项目
:
上海市重点学科建设项目资助
(
项目编号
:B503
)
收稿日期
:2007
2
12
2
10
3
收损耗增加
,
材料问题成为一个新的挑战
,
其主要难
点在于解决吸收和散射等损耗问题
[1,4,6-8,11,16-17]
。
在
193nm
波段透明的基底材料主要有熔融石
英和
CaF
2
,
对于高反膜来说
,
由于膜层数较多
,
基底
对膜层的影响相对减小
,
因此
193nm
反射膜基底材
料除了采用氟化钙和熔融石英玻璃之外
,
也可以采
用
K9
玻璃。波长越短
,
可用的镀膜材料越少
,
特别
是高折射率的镀膜材料
,
在
193nm
波段最常用的材
料为
Al
2
O
3
、
SiO
2
、
LaF
3
及
MgF
2
[1,4,6-8,11,16-17]
。经
典的
PVD
技术是比较好的
193nm
镀膜技术
,
采用
—
207
—
的膜系主要是氧化物膜系、氟化物膜系和氧化物与
氟化物的组合膜系
,
国外
193nm
波长介质反射镜
0
°
入射的反射率达
97%
～
99%,
总的膜层数一般在
40
层以上
[2-3,5,9,10,12-15,18]
。
膜层沉积之后在空气中进行退火处理对膜层性
质也有很大影响
,
它使膜层结构和成分发生变化。
同时退火处理对改善光学性质和机械性能有明显的
作用
,
特别是包含氧化物膜层的薄膜。因此镀膜后
退火处理是减少多层介质反射膜的光学损耗的一个
常规而有效的方法
,
而且镀膜后退火处理能够提高
薄膜的耐久性及稳定性等性能。
本文首先分析了膜厚控制误差对
193nm
反射
膜设计曲线的影响
,
目的是指导反射膜制备过程中
的膜厚控制
,
采用制造误差宽容的膜系结构。采用
电子束热蒸发方法制备了
193nm
反射膜
,
并且进行
了镀膜后退火处理工艺
,
从吸收损耗与散射损耗两
个方面对退火前后反射膜的性能进行了分析。
图
1
所示为高低折射率材料厚度同时增大或者
减小时对反射膜的反射率的影响
,
厚度的变化范围
取±
3%
、±
4%
、±
5%
及±
6%,
当厚度的改变量超
过
-3%
或者
+5%
时
,
反射膜的设计反射率将达不
到
98%
。
图
2
所示为高低折射率材料厚度反方向变化时
对反射膜的反射率的影响
,
高折射率膜层厚度增加
,
低折射率膜层厚度减小
,
变化量取
2%
、
3%
、
4%
及
5%,
可见
,
反射膜的反射率变化不明显
,
设计的膜系
结构对这种变化方式的制造误差宽容。
2
反射膜的膜厚控制误差分析与制备
光学薄膜设计已渐趋成熟
,
只要特性要求合理
,
我们总能设计出适合的多层膜结构。关键问题是多
层膜的实际制造
,
这涉及到设计制造误差宽容的膜
系结构、选择合适的薄膜材料和沉积方法、有效的优
化制造工艺、精确控制各层薄膜的厚度和光学常数
等问题
,
以得到预期的光学和机械性能。
2.1
膜厚控制误差分析
设计中采用
1/4
规整膜系
(
HL
)
p
H,
其中
H
代表
λλ
光学厚度的高折射率材料
Al
2
O
3
膜层
,L
代表光
44
学厚度的低折射率材料
MgF
2
膜层
,
角标‘
p
’代表
(
HL
)
重复周期数
,
高低折射率材料的光学常数色散曲线采
用文献
[12]
中的报道数据
,
设计反射率在
98%
以上。
图
2
高低折射率材料厚度不同方向变化时对反射率的影响
Fig.2
Thicknesseffectsonreflectance
(
high
2
and
low
2
refractiveindexlayerschangedinthesameway
)
2.2
反射膜的制备与光谱测量
图
1
高低折射率材料厚度同方向变化时对反射率的影响
Fig.1
Thicknesseffectsonreflectance
(
high
2
and
low
2
refractiveindexlayerschangedoppositely
)
采用电子束热蒸发方法沉积
193nm
反射膜
,
所
有高反膜都分别镀制在直径为
40mm,
厚度为
4mm
的
K9
玻璃基片和
JGS1
型石英基片上。基片清洗
采用先在石油醚与温水的混合溶液中进行超声波处
理
,
再用乙醚溶液清洗工序。所有薄膜的本底真空
度为
6.5
×
10
-3
Pa,
烘烤温度为
300
℃。
退火工艺如下
:
退火温度为
400
℃
,
退火时间为
1.5h,
退火时采用缓慢升温与降温的方式
,
退火炉
中的气体为空气。
光谱测量均由
PerkinElmer
公司生产的
Lambda900
光谱测试仪获得
,
仪器的波长分辨率为
0.08nm
。反射率的测量通过添加绝对反射率的测
量附件进行
,
测量光路示意图见图
3
。为防止空气
中的水、氧气等对测量结果的影响
,
测量过程中充入
高纯氮气
,
氮气流量在测量过程中保持在
7
—
10L/min
。
采用
Veeco
公司生产的
WYKONT1100
型光
学轮廓仪测量样品的表面形貌与表面粗糙度。
—
208
—
为了进一步分析光学损耗产生的原因
,
有必要
区分吸收损耗与散射损耗。散射基本上分为体积散
射和表面散射两类
:
体积散射是薄膜内部结构不完
善性所引起的
,
由于体积散射消光系数与吸收消光
系数具有完全相同的性质
,
都使透射率按其指数规
律衰减
,
因此吸收损耗和体积散射损耗可以合在一
起计算
,
并把两者之和称为体积损耗
;
表面散射则主
要由粗糙表面的不规则程度所决定
,
而且在散射中
占主导作用。反射镜总的表面散射损耗可由下式
给出
:
n
H
-
n
L
σ
2
2
(
SSL
)
=32
π
n
0
n
H
()
(
1
)
n
H
+
n
L
λ
0
图
6
所示为采用
Veeco
公司生产的
WYKO
NT1100
型光学轮廓仪测量的
193nm
反射膜的表
面形貌图
,
表面均方根粗糙度为
1.23nm
。散射损
耗根据式
(
1
)
计算得
0.35%,
可见散射损耗在总的
光学损耗中所占比例很小
,
而吸收损耗占光学损耗
的主要部分
,
起主导作用。
图
3
绝对反射率测量原理图
Fig.3Theoreticalsketchformeasuringtheabsolutereflectance
3
结果讨论
图
4
及图
5
所示分别为制备所得的
193nm
反
射膜退火前的反射率与透射率光谱测量曲线
,
在
193nm
波长处反射率为
97.2%,
透射率为
0.5%,
光
学损耗
(
由公式
L=1-T-R
计算得出
)
为
2.3%
。
可见
,
实验结果与理论计算结果存在一定差距。
图
6
193nm
反射膜的表面形貌图
Fig.6
Surfacemorphologyof193nmHRmirror
图
7
所示为退火后获得的
193nm
反射膜的反
射率光谱测量曲线
,
反射率在
98%
以上。图
8
所示
为采用
Veeco
公司生产的
WYKONT1100
型光学
轮廓仪测量的
193nm
反射膜的表面形貌图
,
表面均
方根粗糙度为
1.57nm,
散射损耗根据式
(
1
)
计算得
0.57%
。
可见退火后样品的光学损耗下降
,
而散射损耗
随着表面粗糙度的增加而增加
,
说明光学损耗的下
降是由于吸收损耗的下降所引起。散射损耗在总的
光学损耗中所占比例提高
,
已经接近吸收损耗的水
—
209
—
平。说明当吸收损耗下降到一定程度时
,
散射损耗
所起的作用也是不可忽视的
,193nm
反射膜的反射
率还有一定的上升空间。
近。散射损耗在退火后有一定的增加
,
说明退火后
光学损耗的下降由吸收损耗的下降所引起。退火后
散射损耗在总的光学损耗中所占比例显著提高
,
已
经接近吸收损耗的水平
,
说明当吸收损耗下降到一
定程度时
,
散射损耗所起的作用也是不可忽视的。
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结论
通过对
193nm
反射膜膜厚控制误差的分析
,
发
现高低折射率材料厚度反方向变化时
(
高折射率膜
层厚度增加
,
低折射率膜层厚度减小
)
,
反射膜的反
射率变化不明显。说明设计的膜系结构对这种膜厚
变化方式的制造误差宽容
,
为
193nm
反射膜的制备
提供了理论指导。
对制备的
193nm
反射膜退火前后光学损耗进
行了分析
,
结果表明退火后光学损耗明显下降
,
反射
率在
98%
以上
,
实验结果与理论计算结果更为接
—
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