CN103235353A - 一种使深紫外光学薄膜具有光学稳定性的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使深紫外光学薄膜具有光学稳定性的处理方法，该方法包括以下步骤：去除需要镀膜的衬底表面的吸附物；应用先进等离子体源对真空室中的衬底进行预处理，以清理衬底表面的附着物；根据薄膜的膜系结构，在清洗后的衬底上，采用热舟蒸发沉积工艺进行深紫外氟化物多层膜的制备，实现深紫外光学薄膜的设计光谱；利用先进等离子体源，以异于预处理的能量密度对沉积后的薄膜再次进行轰击处理。本发明的处理方法可以很好地解决了现有技术中的不足，在确保光学性能的前提下有效的改善了薄膜的光学稳定性。

Description

一种使深紫外光学薄膜具有光学稳定性的处理方法

技术领域

本发明涉及深紫外薄膜光学技术应用领域，特别涉及一种使深紫外光学薄膜具有光学稳定性的处理方法。

背景技术

近年来，随着大规模集成电路的飞速发展，光刻技术成为微电子领域最活跃的研究课题之一。集成电路的特征尺寸越来越小，加工精度已经进入纳米量级，这给光刻技术提出了越来越高的要求。激光以优良的单色性、准直性、相干性及可调谐等特性满足光刻曝光的要求，进而成为理想的光刻光源。曝光光源在光刻系统中起着关键作用，为了提高分辨率，不断缩小曝光波长是有效的方法之一，相关方面的研究已经从436nm，365nm近紫外波段进入248nm，193nm的深紫外波段。

在深紫外波段的研究领域中，无论是ArF准分子激光器还是其它相关光学系统，都离不开深紫外的镀膜光学元件，因此迫切需要研制出在深紫外波段范围内性能优异的光学薄膜。

由于深紫外波段靠近大多数介质材料的禁带，本征吸收、杂质吸收和缺陷吸收等变得更加严重，只有极少量的材料能够满足深紫外薄膜的应用，这是深紫外光学薄膜研究所面临的根本问题。薄膜材料的局限性进一步带来了对深紫外光学薄膜制备工艺的制约，针对氟化物材料，为了避免薄膜出现化学计量比失配而导致的吸收，以及薄膜在低温时迁移能力弱和膜层不牢固等问题，氟化物薄膜只能选择热舟蒸发沉积工艺。采用这种高温热舟蒸发的沉积工艺，可以得到吸收很小的深紫外薄膜，但同时也伴随着薄膜聚集密度低，光学稳定性差等缺点。

随着应用时间的增加，疏松的薄膜吸附环境中的污染物，使得深紫外光学薄膜的光学性能明显退化。为此研究人员尝试了去除深紫外氟化物薄膜污染的方法，并发现采用紫外光辐照深紫外薄膜的表面后，可以有效的去除有机污染物，使薄膜的光学性能得到改善。但经过紫外光辐照后的薄膜，在空气等使用环境中又被重新污染，其光学性能再次退化。因此，迫切需要在上述紫外光辐照处理技术之外，寻找其它能有效解决深紫外氟化物薄膜光学性能退化的问题，实现具有较好光学稳定性的深紫外薄膜。

发明内容

本发明要解决现有技术中的深紫外氟化物光学薄膜在实际应用中因污染而导致的光学性能退化问题，通过对薄膜退化原因的分析，以及考虑到制备工艺的实际可操作性，本发明提供一种使深紫外光学薄膜具有光学稳定性的处理方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种使深紫外光学薄膜具有光学稳定性的处理方法，该方法包括以下步骤：

步骤i：去除需要镀膜的衬底表面的吸附物；

步骤ii：应用先进等离子体源对真空室中的衬底进行预处理，以清理衬底表面的附着物；

步骤iii：根据薄膜的膜系结构，在清洗后的衬底上，采用热舟蒸发沉积工艺进行深紫外氟化物多层膜的制备，实现深紫外光学薄膜的设计光谱；

步骤iv：利用先进等离子体源，以异于步骤ii中的预处理的能量密度对沉积后的薄膜再次进行轰击处理。

上述技术方案中，所述步骤i中去除需要镀膜的光学衬底表面的吸附物的步骤具体包括：超声清洗、慢拉脱水和氮气吹干。

上述技术方案中，以先进等离子体源对沉积后的薄膜再次进行轰击处理时，

放电电流的调整范围为：30-50A；

放电电压的调整范围为：80-120V。

上述技术方案中，所述步骤iii中的深紫外氟化物多层膜包括：LaF₃、GdF₃、MgF₂和AlF₃薄膜材料。

上述技术方案中，所述步骤iii中的深紫外氟化物多层膜包括：高反射膜、增透膜和偏振膜。

本发明具有以下的有益效果：

本发明的使深紫外光学薄膜具有光学稳定性的处理方法与已有的深紫外氟化物薄膜制备和处理方法相比，其突出特点是：

首先，在制备完成后对薄膜进行有效的APS源处理，薄膜在整个处理过程中没有离开真空室，有效的避免薄膜采用其它沉积设备（离子束溅射或磁控溅射）镀制保护层（SiO₂）时所产生的污染可能。即使该过程中将污染的可能性降到最小，还有不同沉积工艺手段之间的应力匹配问题不能忽略。热蒸发制备的氟化物薄膜和溅射方式沉积的氧化物薄膜之间的应力有所不同，不同应力匹配的薄膜容易产生龟裂现象，这样使氟化物薄膜外层加镀氧化物薄膜的工艺显得更加难以实现；

其次，避免了在同一真空室内沉积不同类型薄膜所产生的污染。制备薄膜的过程中，不可避免的会有少量的薄膜材料被分解，如果外保护层镀制二氧化硅（SiO₂）薄膜的情况下，活跃的氧元素将氧化氟化物薄膜，使薄膜因组分改变而被污染，也因化学计量比失配而产生严重的吸收，薄膜的光学性能受到影响。因此，本发明的处理方法可以很好地解决上述两种情况的不足，在确保光学性能的前提下有效的改善了薄膜的光学稳定性。

附图说明

图1一种光学稳定性的深紫外薄膜处理工艺原理示意图。

具体实施方式

本发明的发明思想为：

本发明涉及通过在深紫外氟化物薄膜沉积后，通过优化先进等离子体源（Advanced Plasma Source,APS）参数，其中放电电流的调整范围为30-50A，放电电压的调整范围为：80-120V，对沉积后的薄膜进行轰击处理，从而改善薄膜的填充密度，使深紫外氟化物薄膜具有良好的光学稳定性。

本发明的基本原理主要是基于以下几点：首先，先进的等离子源APS是德国Leylold公司所生产，它可以产生很高的离化率。离子源放电室的工作气体采用Ar气，电离后的Ar离子轰击基底上的薄膜，将离子携带的动能传递给淀积原子或分子，可望淀积原子或分子的迁移率提高，进而使薄膜柱体结构生长受到抑制，薄膜聚集密度增加。APS源轰击除了增加淀积分子的迁移率外，还存在着“轰平薄膜”的机械过程，两种机理的共同作用使膜层的聚集密度增加，膜层更加牢固，如图1所示。其次，通过选用合适的APS源参数，可以得到比较合理的能量密度值，在控制好轰击的时间，则可以产生理想的效果。这种致密而牢固的薄膜对污染物的吸附能力将大大减弱，同时还不影响薄膜的光学性能，有利于提高深紫外氟化物薄膜的光学稳定性。

由上面的基本原理可以看到：

首先，本发明对于采用热舟蒸发方式制备的深紫外氟化物特别适合。这是因为该工艺的特点是制备的氟化物薄膜内部结构比较疏松，容易受到污染，光学稳定性较差。

其次，本发明不限制何种用于深紫外薄膜材料制备的氟化物薄膜，特别适用于LaF₃、GdF₃、MgF₂和AlF₃等薄膜材料。

第三，本发明所述的深紫外氟化物薄膜类型包括所有的薄膜类型，如高反射膜、增透膜、偏振膜等，及不同的入射角度，如0度入射、45度入射等。

第四，从工艺的兼容性来看，处理过程主要依靠离子源的参数调整，只要具备相应的APS源，与薄膜沉积设备型号没有任何关系。

下面结合附图对本发明做以详细说明。

实施例1

本实例针对采用热舟蒸发制备的多层氟化物高反射薄膜进行处理。镀膜光学基底主要采用在深紫外波段吸收较小的CaF₂和熔融石英两种材料，两种光学材料均需要进行精密光学表面加工以减小基底的表面粗糙度，考虑到多层氟化物薄膜的应力匹配，这里选用CaF₂作为镀膜基底。光学镀膜基底的清洗采用发明的基底处理装置，包括进行多次超声清洗、慢拉脱水和氮气吹干等过程，将基底表面的吸附物彻底去除，根据实际需要，清洗干燥后还可以采用紫外光辐照光学基底表面，来进一步清除基底表面的污染物。制备工艺前，采用低能量APS源对真空室中的衬底进行预处理，对衬底表面的附着物进行清理，以及将衬底表面活化，有利于薄膜与衬底之间附着力的增强。

制备的氟化物多层膜为0度入射的高反射薄膜，中心波长为193nm，采用LaF₃作为高折射率材料，MgF₂作为低折射率材料，每层的光学厚度均为四分之一中心波长，膜层总数为46层，中心波长的设计反射率大于98%。氟化物多层膜采用热舟蒸发工艺制备，真空室的初始真空度小于2×10^-4Pa，沉积温度为300度，LaF₃和MgF₂的沉积速率均控制在0.2nm/s，每层薄膜的厚度采用石英晶振进行控制，薄膜制备过程中APS源处于关闭状态。

多层高反射薄膜沉积后，开启APS源，选择放电电流为30A，放电电压为80V，这样的参数调整后对沉积的薄膜进行轰击处理，然后对处理后的薄膜样品进行光谱反射率和光学稳定性的测试。测试结果表明，在这组APS源参数条件下，光谱反射率测试结果比较理想，但薄膜的光学稳定性没有较大的改善。

实施例2

本实例继续针对热舟蒸发制备的多层氟化物高反射薄膜进行处理。与实施例1不同的是，APS源参数有所改变，选择放电电流为40A，放电电压为100V，使用调整后的参数对沉积的薄膜进行轰击处理，对处理后的薄膜样品进行光谱反射率和光学稳定性的测试。测试结果表明，在这组APS源参数条件下，薄膜的光谱反射率测试结果没有受到影响，且光学稳定性有了较大的改善。

实施例3

本实例再次针对热舟蒸发制备的多层氟化物高反射薄膜进行处理。与实施例1、2不同的是，APS源参数再次改变，选择放电电流为50A，放电电压为120V，使用调整后的参数对沉积的薄膜进行轰击处理，对处理后的薄膜样品进行光谱反射率和光学稳定性的测试。测试结果表明，在这组APS源参数条件下，薄膜光谱测试结果相比于实施例1、2的反射率有所下降，而光学稳定性与实施例2相比没有太大的变化，已经趋于饱和状态。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种使深紫外光学薄膜具有光学稳定性的处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤i：去除需要镀膜的衬底表面的吸附物；

步骤ii：应用先进等离子体源对真空室中的衬底进行预处理，以清理衬底表面的附着物；

步骤iii：根据薄膜的膜系结构，在清洗后的衬底上，采用热舟蒸发沉积工艺进行深紫外氟化物多层膜的制备，实现深紫外光学薄膜的设计光谱；

步骤iv：利用先进等离子体源，以异于步骤ii中的预处理的能量密度对沉积后的薄膜再次进行轰击处理。

2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述步骤i中去除需要镀膜的光学衬底表面的吸附物的步骤具体包括：超声清洗、慢拉脱水和氮气吹干。

3.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述步骤iv中，以先进等离子体源对沉积后的薄膜再次进行轰击处理时，

放电电流的调整范围为：30-50A；

放电电压的调整范围为：80-120V。

4.根据权利要求1-3任意一项中所述的处理方法，其特征在于，所述步骤iii中的深紫外氟化物多层膜包括：LaF₃、GdF₃、MgF₂和AlF₃薄膜材料。

5.根据权利要求1-3任意一项中所述的处理方法，其特征在于，所述步骤iii中的深紫外氟化物多层膜包括：高反射膜、增透膜和偏振膜。