一种减反射膜的制备方法及大角度入射减反射膜

摘要

本发明涉及一种减反射膜的制备方法，包括以下步骤：步骤S100，在基底上，采用真空热沉积方法交替进行正入射沉积高折射率单层膜及低折射率单层膜；步骤S200，在最外层采用真空热沉积方法，以预设的入射沉积角度α倾斜沉积低折射率单层膜；其中，所述入射沉积角度α为基底法线方向与膜料蒸汽入射方向的夹角，所述预设的入射沉积角度α的取值范围为50°‑85°。利用该制备方法制得的减反射膜应用在扩束棱镜中，可有效提高大入射角时的透射率，降低残余反射率。

说明书

技术领域

本发明涉及准分子激光应用技术领域，尤其涉及一种减反射膜的制备方法及大角度入射减反射膜。

背景技术

近年来，包括ArF准分子激光在内的准分子激光技术和应用获得了快速的发展，尤其是在极大规模集成电路光刻制备领域，具有十分重大的社会和经济价值。

在准分子激光器中，为了实现窄的波长输出，需要采用线宽压窄光学模块。该模块是准分子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，直接决定了ArF准分子激光器的输出线宽，而且对于准分子激光器的输出功率和偏振度也有影响，因此，直接影响准分子激光输出的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。

由P偏振态激光光束在扩束棱镜之间的这种大角度斜入射将引起菲涅耳反射损耗的增加，其多次振荡产生的光学损耗会大大降低激光器的输出能量。为了降低上述扩束棱镜之间的光学损耗，有两种措施：第一种是在每个棱镜的入射面和出射面均镀制减反射射膜以减小表面的反射，从而增大每个棱镜的透过率，从而增大整个棱镜组的透过率；第二种是通过增大入射角度，进而增大扩束率，可以减少扩束棱镜的数量，从而减少反射的次数，降低总的损耗。通常，线宽压窄光学模块包含4个用于光学扩束的色散棱镜，参见附图1。为了获得更大的扩束率从而将4棱镜结构变成3棱镜结构，参见附图2，通常使P偏振态激光在扩束棱镜斜面入射角需要尽可能大，最大可达到74度。这种大角度斜入射导致的菲涅耳反射损耗随入射角度增大而快速增加。理论计算表明，入射角度从71度到74度，残余反射率将从0.5％增加到2.0％以上。因此，扩束棱镜的数量和具体参数需要综合考虑扩束率和镀膜难易程度而确定，其斜面入射角通常选定在68°-74°之间，如附图3的C面入射角θ。

设计和制备扩束棱镜斜面大角度入射减反射射膜时，不仅需要使特定入射角时的透过率尽可能高，还要求残余反射率尽可能低，同时具有一定的角度容差。因此，如何提高大入射角时的透过率，降低残余反射率，是扩束棱镜斜面大角度入射减反射射膜设计和制备的关键。目前，扩束棱镜斜面的大角度入射减反射射膜采用常规减反射射膜系及其制备方法，当入射角小于71°所能得到的残余反射率可以小于0.5％，单面透过率则在97.5％以上。当入射角达到74°所能得到的残余反射率将达到2.0％左右，单面透过率则在96.0％左右。

随着光刻技术的快速发展，对准分子激光器的波长、输出功率、以及工作重频都提出了更高的要求。尽可能降低线宽压窄模块内部的光学损耗，提高其总的透过率，对于提高准分子激光器的输出功率和工作重频具有至关重要的作用。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中针对扩束棱镜大入射角时透过率低、参与反射率高而导致的准分子激光器线宽压窄模块光学损耗大的技术问题，提供了一种减反射膜的制备方法，利用该制备方法制得的减反射膜应用在扩束棱镜中，可有效提高大入射角时的透射率，降低残余反射率。

本发明的实施例提供了一种减反射膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤S100，在基底上，采用真空热沉积方法交替进行正入射沉积高折射率单层膜及低折射率单层膜；

步骤S200，在最外层采用真空热沉积方法，以预设的入射沉积角度α倾斜沉积低折射率单层膜；

其中，所述入射沉积角度α为基底法线方向与膜料蒸汽入射方向的夹角，所述预设的入射沉积角度α的取值范围为50°-85°。

优选地，在所述步骤S100获得的膜系中，所述高折射率单层膜在深紫外波段的光学常数：在193nm波长的折射率为1.68-1.72，消光系数为0.0025-0.003。

优选地，在所述步骤S100获得的膜系中，所述低折射率单层膜在深紫外波段的光学常数：在193nm波长的折射率为1.40-1.42，消光系数为0.0004-0.0006。

优选地，在所述步骤S200获得的膜系中，所述入射沉积角度α为78°时，所述倾斜沉积低折射率单层膜的膜层厚度200nm以内，所述倾斜沉积的低折射率单层膜在深紫外波段的光学常数：在193nm波长的折射率为1.2111，消光系数为0.0005。

优选地，在所述步骤S100中，采用钼舟或钽舟作为蒸发容器，镀膜基底选用紫外CaF2或蓝宝石紫外光学基底,本底真空度<10^-6mbar，基底加温温度为250℃-300℃之间，薄膜厚度控制采用晶控方法。

优选地，所述光学常数的获得方法为：采用Lambda950分光光度计测量所制备单层膜的透射光谱和反射光谱，并对所述透射光谱及反射光谱进行多极值光谱反演解析，得到单层膜的光学常数。

优选地，在所述步骤S200之后，还包括，

步骤S300，采用VUV光度计测试所述减反射膜的残余反射光谱和透射光谱；其中，测试时，在整个光路中吹扫高纯N₂，测试光偏振态可以选择P或S偏振，测试波长范围160nm-300nm。

优选地，所述沉积高折射率单层膜采用的高折射率材料为LaF₃，所述沉积低折射率单层膜采用的低折射率材料为MgF₂。

本发明的实施例还提供一种大角度入射减反射膜，所述减反射膜采用上述的制备方法制的，所述减反射膜的结构为：CaF₂/LaF₃(24.6nm)，MgF₂(53.8nm)，LaF₃(28.2nm)，MgF₂(53.8nm)，LaF₃(28.2nm)，MgF₂(53.7nm)，LaF₃(28.3nm)，MgF₂(3.5nm)，MgF₂(107.2nm)/空气。

优选地，靠近空气的最外侧MgF₂膜采用真空热沉积方法，以入射沉积角度78°倾斜沉积而成。

本发明的技术方案与现有技术相比，有益效果在于：本发明利用预设的入射沉积角度α倾斜沉积低折射率单层膜，通过控制沉积薄膜内部晶柱的倾斜方向与棱镜斜面的入射方向的夹角，在与常规方法制备的相似薄膜基础上进一步降低反射膜的残余反射率，同时有效提高透过率。而且有效减少扩束棱镜的数量，从而有效降低线宽压窄模块的光学损耗，最终提高了准分子激光的输出能量和光斑性能。

附图说明

图1为现有的准分子激光器四棱镜组合结构线宽压窄模块示意图；

图2为现有的准分子激光器三棱镜组合结构线宽压窄模块示意图；

图3为一种直角扩束棱镜的光路示意图；

图4为本发明一种实施例的减反射膜的制备方法流程图；

图5为本发明一种实施例的以预设的入射沉积角度α倾斜沉积低折射率单层膜的结构示意图；

图6为现有的一种深紫外P光大角度减反射膜结构示意图；

图7为本发明一种实施例的深紫外P光大角度减反射膜的结构示意图；

图8为深紫外P光大角度减反射膜的反射和透射光谱比较示意图。

图中，10-光学基底；20-高折射率单层膜；30-低折射率单层膜；40-倾斜沉积低折射率单层膜；41-薄膜内部晶柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图4所示，本发明的实施例提供了一种减反射膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤S100，在基底10上，采用真空热沉积方法交替进行正入射沉积高折射率单层膜20及低折射率单层膜30；

步骤S200，在最外层采用真空热沉积方法，以预设的入射沉积角度α倾斜沉积低折射率单层膜40；

其中，所述入射沉积角度α为基底法线方向与膜料蒸汽入射方向的夹角。

进一步地，在步骤100中，可能并不会一次就能够制得所述的高折射率单层膜及低折射率单层膜，需要通过单层膜沉积工艺进行工艺参数的优化，本步骤可以分成两部分：

首先是常规单层膜，即采用正入射沉积氟化物单层膜，即采用真空热蒸发沉积技术制备单层膜。选择合适的紫外波段基底，沉积方法采用真空热沉积方法，针对具体的氟化物单层膜，确定合适的沉积工艺参数范围，对不同的工艺参数进行变化，测量所沉积单层膜的反射和透射光谱，并解析确定单层膜的光学常数。在此基础上，比较不同工艺参数所得单层膜的折射率和消光系数，综合确定针对具体氟化物单层膜的最佳沉积工艺。

参照上述的步骤，根据所获得的正入射沉积单层膜的光学常数进行优化设计，目标是使残余反射率最低，同时控制各膜层的厚度尽可能远大于系统沉积误差。可以分别对常见的高折射率材料，如LaF₃和GdF₃，低折射率材料，如MgF₂和AlF₃，进行沉积工艺的参数优化。

本发明实施例中分别优选采用LaF₃作为高折射率材料，采用MgF₂作为低折射率材料。所述的光学基底10优选采用紫外CaF₂或蓝宝石光学基底。首先在紫外CaF₂或蓝宝石光学基底上沉积LaF3高折射率单层膜20，热蒸发沉积速率选为0.2-0.4nm/s，厚度为80-120nm左右；采用Lambda950分光光度计分别测量所制备LaF3高折射率单层膜20的透射光谱和反射光谱，并采用多极值模型反演解析LaF3高折射率单层膜20的光学常数，发现LaF₃高折射率单层膜20具有一定程度的非均匀性，采用一阶非均匀性模型反演得到的拟合效果较好，然后对沉积工艺参数进行优化，得到优化后的LaF₃高折射率单层膜20在深紫外波段的典型光学常数：在193nm波长的折射率为1.68-1.72左右，消光系数在0.0025-0.003之间。

同样的，在紫外CaF₂或蓝宝石光学基底上沉积MgF₂低折射率单层膜30，热蒸发沉积速率选为0.2-0.6nm/s，厚度为200nm左右；然后采用Lambda950分光光度计分别测量所制备MgF₂低折射率单层膜30的透射光谱和反射光谱；采用多极值模型反演解析MgF₂低折射率单层膜30的光学常数，发现MgF₂低折射率单层膜30的非均匀性很小；对沉积工艺参数进行优化，得到优化后的MgF₂低折射率单层膜30在深紫外波段的典型光学常数：在193nm波长的折射率为1.40-1.42左右，消光系数在0.0004-0.0006之间。

通过上述的技术方案，通过对不同工艺参数的设定及对最终所形成的单层膜的测试，可以得到步骤S100中所述的交替进行正入射沉积的高折射率单层膜20及低折射率单层膜30。

更进一步地，在所述步骤S200中，也需要进行多次的工艺参数的优化才能得到性能最佳的倾斜沉积的低折射率单层膜40。结合图5所示，选择合适的紫外波段光学基底，沉积方法同样采用真空热沉积方法，但是光学基底与蒸发膜料的沉积入射方向成一定的角度，此时，所沉积的薄膜内部晶柱41也将倾斜。在上述正入射沉积氟化物单层膜优化的基础上，重点对沉积的倾斜角度进行变化，测量所沉积单层膜的反射和透射光谱，并解析确定单层膜的光学常数，获得不同沉积角度时折射率随厚度的变化值，最后综合确定合适的沉积倾斜角度。

本实施例中，采用低折射率材料MgF₂作为制备倾斜单层膜的材料，在上述步骤中MgF₂正入射单层膜沉积优化的基础上，改变光学基底10与水平方向的夹角，使光学基底10的法线方向与膜料蒸汽入射方向成一定角度α。结合附图5所示，变化光学基底法线与膜料蒸汽入射方向之间的角度α，使α角度在50-85度之间变化。在沉积过程中，使光学基底10以一定速率进行自转，从而保证整个光学基底沉积薄膜的均匀性。

然后采用Lambda950分光光度计分别测量倾斜沉积所制备MgF₂单层膜的透射光谱和反射光谱，并且采用多极值模型反演解析倾斜沉积的低折射率MgF₂单层膜40的光学常数，发现MgF₂单层膜的光学常数随厚度变化具有较显著的非均匀性，采用二阶非均匀性模型反演得到的效果较好；然后对倾斜沉积角度进行优化，得到优化倾斜沉积α角度约为78度，此时，在膜层厚度200nm以内，MgF₂单层膜在193nm波长的折射率从1.3735逐渐降低到1.2111左右，消光系数在0.0005左右。

综上，根据上述步骤所获得的深紫外大角度入射减反射膜的最终优化结果，在CaF₂基底上，首先采用真空热沉积方法交替制备膜系所包含的正入射沉积高折射率LaF₃膜和低折射率MgF₂膜。之后选择倾斜角度78度左右，进行膜系包含的最外层倾斜入射沉积低折射率MgF₂单层膜的制备。最后完成深紫外波段大角度入射减反射膜的制备，并采用VUV光度计测试所制备的大角度入射P光减反射膜的残余反射光谱和透射光谱。

这里采用VUV光度计测试所述深紫外波段大角度入射减反射膜的残余反射光谱和透射光谱。该测量装置采用Rochon光学棱镜作为偏振起偏器，包含高精度角度定位装置。测试时在整个光路中吹扫高纯N₂，测试光偏振态可以选择P或S偏振，测试波长范围160nm-300nm。

结合图6、图7及图8所示，对于大角度入射减反射膜，常规1/4波长规整膜系的减反射效果远远不能满足实际需要，为了获得最佳的减反射效果，通常采用上述的非规整膜系设计，优化采用OptiLayer或Macleod光学薄膜软件进行。

参见图6，首先进行不包含最外层倾斜沉积低折射率层的膜系优化设计。采用本实施例上述的正入射沉积单层膜光学常数进行优化设计，优化目标是使残余反射率尽可能低，同时控制各层的厚度尽可能远大于系统沉积误差。本实施例得到的不包含最外层倾斜沉积低折射率层的74度入射深紫外减反射膜系优化结果为：

CaF₂/LaF₃(24.6nm),MgF₂(53.8nm),LaF₃(28.2nm),MgF₂(53.8nm),LaF₃(28.2nm),MgF₂(53.7nm),LaF₃(28.3nm),MgF₂(3.5nm)/空气，其在192nm-195nm之间的透过光谱和反射光谱分别如图8中的T0线及R0线所示。其次，参见图7，在上述所得膜系基础上，利用本发明的步骤S200的制备方法增加一层低折射率MgF₂薄膜，所采用的光学常数为上述实施例中所得到的倾斜沉积MgF₂膜光学常数。在优化过程中，固定之前的膜系不变，只对最外层倾斜沉积薄膜的厚度进行优化，获得对应最低残余反射率和最高透过率的MgF₂厚度为107.2nm。因此，本实施例得到的包含最外层倾斜沉积低折射率层的74度入射深紫外减反射膜系的最终优化结果为：CaF₂/LaF₃(24.6nm),MgF₂(53.8nm),LaF₃(28.2nm),MgF₂(53.8nm),LaF₃(28.2nm),MgF₂(53.7nm),LaF₃(28.3nm),MgF₂(3.5nm),MgF₂(107.2nm,倾斜沉积)/空气，其在192nm-195nm之间的透过光谱和反射光谱分别如图8中的T1线及R0线所示。

通过图8可以得到，所述包含最外层倾斜沉积低折射率层的膜系的折射率及效果系数明显优于无最外层倾斜沉积低折射率层的膜系。

本发明的实施例还提供了一种大角度入射减反射膜，所述减反射膜通过上述实施例的制备方法制得。所述减反射膜的结构为：CaF₂/LaF₃(24.6nm)，MgF₂(53.8nm)，LaF₃(28.2nm)，MgF₂(53.8nm)，LaF₃(28.2nm)，MgF₂(53.7nm)，LaF₃(28.3nm)，MgF₂(3.5nm)，MgF₂(107.2nm)/空气，靠近空气的最外侧MgF₂膜采用真空热沉积方法，以入射沉积角度78°倾斜沉积而成。

假定线宽亚窄模块采用图2所示的三棱镜组合，每个棱镜斜面镀制本实施例所述74度入射减反射膜，激光在线宽亚窄模块内部要往返振荡4次。从193nm的透过率来计算，采用不包含最外层倾斜沉积低折射率层的74度入射减反射薄膜透过率为96.0％左右，则振荡4次之后线宽亚窄模块的累积透过率为27.1％左右，采用包含最外层倾斜沉积低折射率层的74度入射减反射薄膜透过率为97.0％左右，则振荡4次之后线宽亚窄模块的累积透过率为37.7％左右，输出能量提高近40％左右。从193nm的残余反射率来计算，采用不包含最外层倾斜沉积低折射率层的74度入射减反射薄膜残余反射率为1.80％左右，则振荡4次之后线宽亚窄模块的累积反射率约为57.0％左右，采用包含最外层倾斜沉积低折射率层的74度入射减反射薄膜残余反射率为0.5％左右，则振荡4次之后线宽亚窄模块的累积反射率约16.0％左右。可以看到残余反射率的降低效果是比较大的，残余反射率的降低对于线宽亚窄模块输出光斑的质量具有重要意义。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。