CN111344609A - 介电体多层膜镜 - Google Patents

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CN111344609A CN201880073727.9A CN201880073727A CN111344609A CN 111344609 A CN111344609 A CN 111344609A CN 201880073727 A CN201880073727 A CN 201880073727A CN 111344609 A CN111344609 A CN 111344609A
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古川泰之
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Abstract

一种介电体多层膜镜，包括：基板10；第一多层膜结构体20，形成于基板10上，且所述第一多层膜结构体20是将折射率与第二低折射率材料32相同或者小于所述第二低折射率材料32的第一低折射率材料22与折射率大于第二高折射率材料31的第一高折射率材料21交替层叠而成；以及第二多层膜结构体30，形成于第一多层膜结构体20上，且所述第二多层膜结构体30是将第二低折射率材料32与折射率大于所述第二低折射率材料32、衰减系数小于第一高折射率材料21的第二高折射率材料31交替层叠而成。

Description

介电体多层膜镜
技术领域
本发明涉及一种用于反射紫外光的介电体多层膜镜。
背景技术
在要求微细的测量或高精度的加工的半导体制造工艺等广泛的领域中，可使用紫外光。在测量装置或加工装置中，为了提高其精度或效率，有效的是提高紫外光的强度。在使用紫外光的测量装置或加工装置中，为了无损耗地使用从光源发出的紫外光，可使用介电体多层膜镜。
图1表示之前使用的介电体多层膜镜的例子。
所述介电体多层膜镜100是在基板110上将由折射率不同的两种材料构成的层(低折射率材料层122、高折射率材料层121)交替层叠而成。作为低折射率材料层122，例如可使用折射率为1.49(波长250nm下的值。以下，将其表述为“@250nm”)的氧化硅SiO2。另外，作为高折射率材料层121，例如可使用折射率为2.18(@250nm)的氧化铪HfO2。在介电体多层膜镜100中，低折射率材料层122与高折射率材料层121的折射率的差越大，越可提高它们的界面的反射率。对于位于最表面侧的层(在图1中为低折射率材料层123)，使用耐环境性优异的氧化硅SiO2，以反射效率变得最佳的膜厚(典型而言光学膜厚为目标波长的1/2)形成。在激光用途中，还具有保护高折射率材料免受激光的空气击穿的效果。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1：日本专利特开2007-133325号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
在介电体多层膜镜100中，越增加介电体的层叠数，低折射率材料层122与高折射率材料层121的界面的数量越会增加，与界面的数量对应地紫外光反射的机会越增加。但是，在靠近基板110的(深度)位置的界面反射的光在到达镜表面的期间穿过多个介电体层，因此在这些介电体层中反射光的一部分被吸收。
图2表示关于将氧化硅SiO2与氧化铪HfO2交替层叠而成的介电体多层膜镜，将层叠数设为10层(5对)、20层(10对)、30层(15对)及40层(20对)时的反射率特性。图2(b)是图2(a)的部分放大图。在将氧化硅SiO2与氧化铪HfO2交替层叠而成的介电体多层膜镜的情况下，直到30层(15对)左右为止，伴随着层叠数的增加反射率提高至99.67％，但即使再增加层叠数也无法提高反射率。
本发明所欲解决的问题在于提供一种在紫外区域中可获得反射率比之前更高的介电体多层膜镜。
[解决问题的技术手段]
本发明人认为，在将氧化硅SiO2与氧化铪HfO2交替层叠而成的介电体多层膜镜中，即使增加层叠数也无法使反射率高于其上限(99.67％)，因此为了获得更高的反射率，必须开发新结构的介电体多层膜镜，而研究了各种材料或构成。其结果，认为通过将配置于入射光量多的表面附近的高折射率材料替换为衰减系数小于之前使用的氧化铪HfO2的氧化铝Al2O3，可减少高折射率材料层中的光吸收，从而想到了本发明。此处，作为现有技术，列举将氧化铪HfO2与氧化硅SiO2组合而成的介电体多层膜镜作为例子而进行了说明，但在使用其他的高折射率材料与低折射率材料的组合的情况下也存在所述同样的问题，可应用所述同样的技术思想。
即，为了解决所述问题而形成的本发明的介电体多层膜镜的特征在于包括：
a)基板；
b)第一多层膜结构体，形成于所述基板上，且所述第一多层膜结构体是将第一低折射率材料与第一高折射率材料交替层叠而成，所述第一低折射率材料的折射率与后述第二低折射率材料相同或者小于所述第二低折射率材料，所述第一高折射率材料的折射率大于所述第一低折射率材料及后述第二高折射率材料；以及
c)第二多层膜结构体，形成于所述第一多层膜结构体上，且所述第二多层膜结构体是将第二低折射率材料与第二高折射率材料交替层叠而成，所述第二高折射率材料的折射率大于所述第二低折射率材料、衰减系数小于所述第一高折射率材料。
所述第一低折射率材料与所述第二低折射率材料可不同，也可相同。所述第一低折射率材料与所述第二低折射率材料例如可适宜地使用氧化硅。
作为所述第一高折射率材料及所述第二高折射率材料，例如可适宜地使用氧化铪与氧化铝。
在介电体多层膜镜中，越靠近其表面，反射越多光量的光。本发明的介电体多层膜镜在表面附近配置有将衰减系数小于第一高折射率材料的第二高折射率材料(例如氧化铝Al2O3)与第二低折射率材料(例如氧化硅SiO2)交替层叠而成的第二多层膜结构体，因此表面附近的光吸收引起的光量损失比之前少。穿过第二多层膜结构体的光在第一多层膜结构体的内部的界面被高效反射，所述第一多层膜结构体是将折射率大于第二高折射率材料(例如氧化铝Al2O3)的材料、即、第一高折射率材料(例如氧化铪HfO2)与第一低折射率材料(例如氧化硅SiO2)交替层叠而成。如此，本发明的介电体多层膜镜与之前的介电体多层膜镜相比，表面附近的光吸收引起的光量损失得到抑制，因此可获得比之前更高的反射率。层叠数等的详情将后述，若本发明人使用所制作的介电体多层膜镜，则可将250nm的紫外光反射99.82％。
[发明的效果]
通过使用本发明的介电体多层膜镜，可使紫外区域的光反射率比之前更高。
附图说明
[图1]是之前的介电体多层膜镜的构成。
[图2]是表示将氧化硅与氧化铪交替层叠而成的之前的介电体多层膜镜中的层叠数与反射率的关系的曲线图。
[图3]是表示将氧化硅与氧化铝交替层叠而成的之前的介电体多层膜镜中的层叠数与反射率的关系的曲线图。
[图4]是说明将氧化硅与氧化铝交替层叠而成的介电体多层膜镜的表面附近的反射率的图。
[图5]是表示本发明的介电体多层膜镜的一实施例的结构的图。
[图6]是表示本实施例的介电体多层膜镜的反射率特性的曲线图。
具体实施方式
如上所述，本发明人认为，在将氧化硅SiO2与氧化铪HfO2交替层叠而成的介电体多层膜镜中，即使增加层叠数也无法使反射率高于其上限(99.67％)，因此为了获得更高的反射率，必须开发新结构的介电体多层膜镜，而研究了各种材料或构成。在说明本发明的介电体多层膜镜的具体的实施例之前，说明这些研究的内容。
本发明人为了获得比之前的介电体多层膜镜更高的反射率而考虑使用衰减系数小于氧化铪HfO2的材料、即、氧化铝Al2O3作为高折射率材料。而且，关于将氧化铝Al2O3与氧化硅SiO2交替配置而成的介电体多层膜镜，调查了其层叠数与反射率的关系。图3(a)表示其结果。另外，图3(b)表示所述介电体多层膜镜的反射对象、即、紫外光的中心波长(250nm)附近的部分放大图。
在使用氧化铝Al2O3作为高折射率材料的情况下，也与使用氧化铪HfO2的情况同样地，随着层叠数的增多反射率变高。如图2所示，在使用了氧化铪HfO2的介电体多层膜中，在层叠数增加到30层(15对)时反射率达到上限(99.67％)，但在使用了氧化铝Al2O3的介电体多层膜中，直至70层(35对)为止反射率提高，在所述层叠数下反射率达到上限(99.80％)
与氧化铪HfO2相比，氧化铝Al2O3的250nm的衰减系数小，因此反射率持续上升，直至达到比使用氧化铪HfO2时更多的层叠数为止。但是，与氧化铪HfO2的折射率2.18(@250nm)相比，氧化铝Al2O3的折射率小至1.68(@250nm)，因此与使用氧化铪HfO2作为高折射率材料的介电体多层膜镜相比，与氧化硅SiO2的折射率差变小。因此，在使用氧化铝Al2O3的介电体多层膜镜中，为了将其反射率提高到上限，需要70层(35对)者层叠数。所述最高反射率比使用了氧化铪HfO2的介电体多层膜的最高反射率(99.67％)高，但层叠数变多，因此制作花费时间，而且成本也变高。
经过所述研究，本发明人想到了将250nm的衰减系数小的氧化铝Al2O3配置于入射光量多的区域(即作为所述第二高折射率材料使用)，抑制光吸收引起的光量损失，且在入射光量较少的区域配置折射率高的氧化铪HfO2(即作为所述第一高折射率材料使用)，提高与氧化硅SiO2的界面的反射效率。
如图4所示，根据本发明人进行的模拟(波长250nm)，在将氧化铝Al2O3与氧化硅SiO2交替层叠而成的介电体多层膜镜中，被位于最表面的2层(1对)反射入射光的14％，被4层(2对)反射入射光的23％(即，通过第3层与第4层的追加而为入射光的9％)，被6层(3对)反射入射光的32％(即，通过第5层与第6层的追加而为入射光的9％)。即，被位于最表面的少数层反射入射光的大部分，因此到达了位于比其更深层的层，被这些层吸收的光量并没有那么多。因此，得出了如下结论：通过采用如下构成，可制作提高了反射率且抑制了成本的介电体多层膜镜，所述构成是在靠近表面的一侧配置将氧化铝Al2O3与氧化硅SiO2交替层叠而成的多层膜结构体，在靠近基板的一侧(深层侧)配置将氧化铪HfO2与氧化硅SiO2交替层叠而成的多层膜结构体。
图5表示本发明的介电体多层膜镜的一实施例的构成。本实施例的介电体多层膜镜大致由基板10、形成于所述基板10上的第一多层膜结构体20、以及形成于所述第一多层膜结构体20上的第二多层膜结构体30构成。第一多层膜结构体20是将第一低折射率材料层22与第一高折射率材料层21交替层叠而成的结构体，第二多层膜结构体30是将第二低折射率材料层32与第二高折射率材料层31交替层叠而成的结构体。
由于第二多层膜结构体30位于入射光量较多的镜的表面侧，因此基于所述观点，第二高折射率材料层31使用了衰减系数小于氧化铪HfO2的氧化铝Al2O3。第二低折射率材料层32与之前同样地为氧化硅SiO2。由此在抑制光吸收量的同时，反射大部分入射光量。再者，第二多层膜结构体30的最表层，兼作为用于防止镜表面的破损的保护层33，在本实施例中，与第二低折射率材料层32相同的氧化硅SiO2以第一多层膜结构体20及第二多层膜结构体30内的第一低折射率材料层22及第二低折射率材料层32(氧化硅)的2倍的厚度形成。保护层33可使用在相邻位置的第二多层膜结构体30中使用的第二高折射率材料31(氧化铝Al2O3)，但本实施例中，使用耐环境性更优异的氧化硅SiO2。另外，本实施例中，将保护层33的厚度设为其他层的2倍(即光学膜厚λ/2)。再者，保护层33的光学膜厚只要是λ/2的整数倍即可，并非仅限定为λ/2。
另一方面，由于第一多层膜结构体20位于入射光量少的深层部，因此基于所述观点，使用折射率大于氧化铝Al2O3的氧化铪HfO2作为第一高折射率材料层21。第一低折射率材料层22与第二多层膜结构体30中使用的第二低折射率材料层32同样为氧化硅SiO2。由此，第一多层膜结构体20与第二多层膜结构体30相比，高折射率材料与低折射率材料的折射率差变大，因此效率良好地反射穿过第二多层膜结构体30的光。本实施例中，将第一低折射率材料层22与第二低折射率材料层32均设为氧化硅SiO2，但通过将折射率低于第二低折射率材料层32的材料用于第一低折射率材料层22中，也可进一步增大折射率差。
在图5所示的构成中，将第一多层膜结构体20的层叠数设为30层(15对)，将第二多层膜结构体30的层叠数设为10层(5对)，如图6所示，对于250nm的紫外光可获得99.82％的高反射率。所述反射率高于层叠了40层(20对)氧化铪HfO2与氧化硅SiO2的介电体多层膜镜的最高反射率(99.67％)以及层叠了70层(35对)氧化铝Al2O3与氧化硅SiO2的介电体多层膜镜的最高反射率(99.80％)中的任一者。构成本实施例的介电体多层膜反射镜的各层的材料及物理膜厚如下表所示。
[表1]
层编号 材料 折射率(@250nm) 物理膜厚(nm)
入射介质 空气 1.00
40 SiO<sub>2</sub> 1.49 83.98
39 Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 1.68 37.11
38 SiO<sub>2</sub> 1.49 41.99
37 Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 1.68 37.11
36 SiO<sub>2</sub> 1.49 41.99
35 Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 1.68 37.11
34 SiO<sub>2</sub> 1.49 41.99
33 Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 1.68 37.11
32 SiO<sub>2</sub> 1.49 41.99
31 Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 1.68 37.11
30 SiO<sub>2</sub> 1.49 41.99
29 HfO<sub>2</sub> 2.18 28.64
28 SiO<sub>2</sub> 1.49 41.99
27 HfO<sub>2</sub> 2.18 28.64
26 SiO<sub>2</sub> 1.49 41.99
25 HfO<sub>2</sub> 2.18 28.64
24 SiO<sub>2</sub> 1.49 41.99
23 HfO<sub>2</sub> 2.18 28.64
22 SiO<sub>2</sub> 1.49 41.99
21 HfO<sub>2</sub> 2.18 28.64
20 SiO<sub>2</sub> 1.49 41.99
19 HfO<sub>2</sub> 2.18 28.64
18 SiO<sub>2</sub> 1.49 41.99
17 HfO<sub>2</sub> 2.18 28.64
16 SiO<sub>2</sub> 1.49 41.99
15 HfO<sub>2</sub> 2.18 28.64
14 SiO<sub>2</sub> 1.49 41.99
13 HfO<sub>2</sub> 2.18 28.64
12 SiO<sub>2</sub> 1.49 41.99
11 HfO<sub>2</sub> 2.18 28.64
10 SiO<sub>2</sub> 1.49 41.99
9 HfO<sub>2</sub> 2.18 28.64
8 SiO<sub>2</sub> 1.49 41.99
7 HfO<sub>2</sub> 2.18 28.64
6 SiO<sub>2</sub> 1.49 41.99
5 HfO<sub>2</sub> 2.18 28.64
4 SiO<sub>2</sub> 1.49 41.99
3 HfO<sub>2</sub> 2.18 28.64
2 SiO<sub>2</sub> 1.49 41.99
1 HfO<sub>2</sub> 2.18 28.64
基板 合成石英 1.51
总膜厚：1496.94
第一多层膜结构体20及第二多层膜结构体30的各层的物理膜厚设定为所述物理膜厚与折射率的积为目标波长(本实施例中为250nm)的1/4。即，第一多层膜结构体20中的第一低折射率材料层22(氧化硅)的物理膜厚为41.99nm，第一高折射率材料层21(氧化铪)的物理膜厚为28.64nm，第二多层膜结构体30中的第二低折射率材料层32(氧化硅)的物理膜厚为41.99nm，第二高折射率材料层31(氧化铝)的物理膜厚为37.11nm。其中，位于最表面的保护层33的物理膜厚为83.98nm。
在由入射光的波长λ的四分之一(λ/4)的光学膜厚层叠的层的各边界反射的光中产生二分之一波长(λ/4+λ/4)的光程差。另外，从低折射率层入射且在与高折射率层的边界反射的光的相位在反射时反转(产生了与产生λ/2的光程差为相同的效果)。另一方面，从高折射率层入射且在与低折射率层的边界反射的光的相位不反转。它们的结果为在高折射率层/低折射率层的各边界反射的光的相位一致(光程差λ/2+相位反转效果引起的效果λ/2＝λ)。
如以上所说明那样，在本实施例的介电体多层膜镜中，可获得比之前使用的、将氧化铪HfO2与氧化硅SiO2交替层叠而成的多层膜反射镜的反射率的上限(99.67％)、以及将氧化铝Al2O3与氧化硅SiO2交替层叠而成的多层膜反射镜的反射率的上限(99.80％)的任一者均高的反射率(99.82％)。另外，在将氧化铝Al2O3与氧化硅SiO2交替层叠而成的介电体多层膜反射镜中，为了获得反射率的上限值，必须层叠70层(35对)，与此相对，在本实施例的介电体多层膜反射镜中，第一多层膜结构体20与第二多层膜结构体30的层数的合计被抑制为40层(20对)，因此容易制作，且也可抑制成本。再者，将氧化铝Al2O3与氧化硅SiO2层叠与本实施例相同的层数、即、合计40层(20对)时获得的反射率为98.17％，在本实施例的介电体多层膜镜中，可获得相较于其而言充分高的反射率。
所述实施例是一例，可按照本发明的主旨适宜变更。在所述实施例中，将第一多层膜结构体20的层叠数设为30层(15对)，将第二多层膜结构体30的层叠数设为10层(5对)，但这些层叠数可考虑所要求的反射率的高低与成本的平衡而适宜变更。例如，在以与之前相同程度的反射率抑制成本(即、抑制层叠数)的情况下，只要将第一多层膜结构体20的层叠数设为18层(9对)、将第二多层膜结构体30的层叠数设为8层(4对)即可(反射率：99.68％)，另外，在允许与将氧化铝Al2O3与氧化硅SiO2交替层叠而成的之前的介电体多层膜镜相同程度的层叠数(70层)的情况下，通过将第一多层膜结构体20的层叠数设为22层(11对)、将第二多层膜结构体30的层叠数设为48层(24对)，可获得99.84％的高反射率。
另外，所述实施例中，第一低折射率材料及第二低折射率材料使用氧化硅，使用氧化铪作为第一高折射率材料，使用氧化铝作为第二高折射率材料，但未必仅限定于这些组合。如上所述，第一低折射率材料可使用具有第二低折射率材料以下的折射率的适宜的材料，第一高折射率材料可使用折射率大于第一低折射率材料的适宜的材料，第二高折射率材料可使用折射率大于氧化硅且衰减系数小于所述第一材料的适宜的材料。
[符号的说明]
10：基板
20：第一多层膜结构体
21：第一高折射率材料层
22：第一低折射率材料层
30：第二多层膜结构体
31：第二高折射率材料层
32：第二低折射率材料层
33：保护层。

Claims (8)

1.一种介电体多层膜镜，其特征在于，包括：
a)基板；
b)第一多层膜结构体，形成于所述基板上，且所述第一多层膜结构体是将第一低折射率材料与第一高折射率材料交替层叠而成，所述第一低折射率材料的折射率与后述第二低折射率材料相同或者小于所述第二低折射率材料，所述第一高折射率材料的折射率大于所述第一低折射率材料及后述第二高折射率材料；以及
c)第二多层膜结构体，形成于所述第一多层膜结构体上，且所述第二多层膜结构体是将第二低折射率材料与第二高折射率材料交替层叠而成，所述第二高折射率材料的折射率大于所述第二低折射率材料、衰减系数小于所述第一高折射率材料。
2.根据权利要求1所述的介电体多层膜镜，其特征在于，所述第一低折射率材料及所述第二低折射率材料为氧化硅。
3.根据权利要求1所述的介电体多层膜镜，其特征在于，所述第一高折射率材料为氧化铪。
4.根据权利要求1所述的介电体多层膜镜，其特征在于，所述第二项折射率材料为氧化铝。
5.根据权利要求1所述的介电体多层膜镜，其特征在于，更包括
d)保护层，形成于所述第二多层膜结构体上，且所述保护层是由所述第二低折射率材料及所述第二高折射率材料中与的配置于所述第二多层膜结构体的最表面的物质不同的物质构成。
6.根据权利要求5所述的介电体多层膜镜，其特征在于，所述保护层的光学膜厚与目标波长λ相关而为λ/2的整数倍。
7.根据权利要求1所述的介电体多层膜镜，其特征在于，所述第二多层膜结构体中的层叠数为8层以上且48层以下。
8.根据权利要求1所述的介电体多层膜镜，其特征在于，所述第二多层膜结构体中的层叠数与所述第一多层膜结构体中的层叠数的合计为26层以上且70层以下。
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