JP4549019B2 - 複製された回折格子のための保護膜 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折格子に関し、特に、回折格子の動作の改善及び寿命の延長のために使用される技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回折格子は、レーザの共振キャビティ内に、一つの特定の波長に中心を持つ狭い範囲の波長の光だけを反射させて戻すためのレーザでしばしば用いられる。この狭い範囲の波長の光エネルギーは、キャビティー内で共振し、キャビティーの他端部にある、部分的に反射性を持つミラーを通して放射される。そのような回折格子の例及び、これらの回折格子を作成する種々の方法は、米国特許番号5,080,465号、5,436,764号、及び5,493,393号に記載され、ここに参照として取りこまれる。
【０００３】
一般的に、主回折格子（master diffraction grating）が最初に作成される。この主格子が、多くの複製格子を作るために、その後用いられる。これらの複製格子の夫々が、その後、他の複製格子を作るための主格子として用いられる。
【０００４】
’465特許に記載されるように、主格子は、ガラスのような基板上にアルミニウムを成長させる（depositing）ことによって形成され得る。アルミニウム層内で、非常に近接して間隔が空けられた溝の線を引く（rule）ために、干渉制御される（under interferometric control）ダイヤモンドツールが、その後使用され得る。溝の分離は、格子によって反射されるべき光の波長、及び、それが反射することを必要とされる波長の範囲の狭さに関係する。一つの例では、ダイヤモンドツールが、2.54cm（1インチ）当り10,000の溝のオーダーで線を引く。回折格子表面は、25.4cm（１０インチ）の長さで、2.54cm（１インチ）の幅であり得る。物理的線引き（ruling）によって正確な主格子を作成することは、極めて時間がかかるものであり、高価なプロセスである。
【０００５】
一旦主格子が作成されると、格子の複製は、Soviet Journal of Optical Technology, Vol. 40(3)（1973年3月）：192-196のTorbin及びWiskinによる記事に記載されたような技術を用いて作成され得る。そのような方法の一つでは、銀,金,銅グリセリン,カルヌーバ・ワックス（carnuba wax）,デブチフタレート（debutyphthalate）あるいは低蒸気圧オイルのような離型剤（release agent）が、主（master）格子の表面の上に被覆される。アルミニウムのような薄い（例えば1ミクロン）反射層が、その後、離型剤の上に成長させられる。加工の施してない（uncured）ポリスターセメント（polyster cement）(エポキシ)が、その後、アルミニウム層の上に成長させられ得る。そしてガラスあるいは金属の基板がその後、エポキシの頂部の上に配置される。セメントが加工された（cured）後に、ガラス層,エポキシ層,及びアルミニウム層が、その後、主格子から分離され、その結果、主格子の複製がもたらされる。
【０００６】
フッ化マグネシウムが既知の光学的被覆である。不要な反射を減少させるために、λ/4の厚さを有するこの材料の被覆が用いられる。また、MgF2被覆が、約500から600ｎｍより大きい波長で動作する格子の効率を改善することを示している。（Maystre他、Applied Optics, Vol. 19(18)(1980年９月15日)：3099-3102を参照頂きたい。）Al2O3及びSiO2がまた、紫外線波長のための、良く知られた被覆材料である。
【０００７】
複製された格子の一つの重要な使用は、248ｎｍと193ｎｍ波長での紫外線光を生成する狭いエキシマーレーザを並べることである。出願人は、強度の紫外線放射（特により高いエネルギーの193ｎｍ波長での）に曝される際に、先行技術の複製格子が、実質的な動作劣化を被ることを発見した。必要とされるものは、強度紫外光放射のもとでの、長期間の高品質の動作能力を持つ複製格子である。
【０００８】
【発明の概要】
本出願は、1997年９月29日に出願された米国シリアル番号08/939,611号（２０００年１２月１９日に発行された、現時点では米国特許6,162,495号である）の一部継続出願であった２０００年１２月７日に出願された、米国シリアル番号09/731,938号の一部継続出願である。
【０００９】
本発明は、被覆によって保護された回折格子を提供する。薄いアルミニウム反射格子表面を持つ複製格子が、主格子あるいはサブマスター格子（submaster）を複製することによって生成される。薄いアルミニウム反射表面は、亀裂が生じ得るか、あるいは、アルミニウムの酸化物及び水酸化物を含む比較的厚い粒界（grain boundary）を持ち得、また一般的に自然に、アルミニウム酸化物フィルム（aluminum oxide film）で被覆され得る。格子は引き続き、一つあるいは２つの、薄い、純粋な、高濃度のアルミニウム被覆層で、真空チャンバ内で被覆され、その後、真空中でアルミニウム被覆層あるいは複数のアルミニウム被覆層が、一つあるいはそれ以上の、紫外線放射に対して透明な材料の保護層で被覆される。この保護層の好ましい実施例では、MgF2,SiO2,あるいはAl2O3の単一層である。他の模範的実施例で、この層は、Al2O3で覆われたMgF2あるいはSiO2の層であり、第３の好ましい実施例では、保護層は、MgF2及びAl2O3の４つの交代層、あるいはSiO2及びAl2O3の４つの交代層から成る。好ましくは、透明な保護層の厚さは、２πの整数倍（integral number）の、提案される動作波長での位相シフトをもたらすように選択される。薄い保護層は、紫外線によって引き起こされる劣化からアルミニウムを保護するのみならず、格子の反射面の通常の反射の改善もする。格子は特に、約193ｎｍの波長での紫外線レーザビームを生成しながら動作するArFレーザでの波長選択のための使用に適している。酸素フリーなアルミニウム被覆は、アルミニウム格子表面下で、あるいはアルミニウム酸化物フィルム下で、格子材料での化学反応を刺激することによって、紫外光による破壊を引き起こすのを防ぐ。保護層は、酸素がアルミニウムに付くのを防ぐ。
【００１０】
【発明の実施の形態】
出願人の実験
出願人は、複製プロセス中に成長させられる、一般的に約1ミクロン厚のアルミニウム被覆が、引き続く複製プロセスでの引き外しステップ中に力に曝されて、アルミニウム被覆中に非常に小さい亀裂を生成し、また、粒界にアルミニウムの酸化物と水酸化物を含む傾向のあることを発見した。これらの亀裂と粒界領域は、格子がエキシマーレーザの運用に供される際に、少ない量の紫外線放射が下にあるエポキシを通じて漏れることを許容する。エポキシに達する紫外光は、エポキシの光分解とガスの放出をもたらし、これによって、上にあるアルミニウム被覆での膨れ（blister）を引き起こす。この膨れは、格子の反射面からの散乱ロス（scatter loss）を非常に増大させる。紫外光は、元の溝形状を歪ませて、所望の回折オーダー（diffraction order）の反射率のロスを引き起こすエポキシの体積収縮をも引き起こす。これらの効果は、格子の有用な寿命を厳しく制限し、比較的頻繁に使用される装置を利用不可能とする。出願人は、複製格子の元のアルミニウム層内の亀裂によって引き起こされる問題を、複製物が主格子から除去されて掃除された後に、約１００ｎｍから200ｎｍの、複製の表面上の他の薄い反射被覆を成長させることによって部分的に解決することが出来てきた。被覆は、真空チャンバでスパッタリング、あるいは蒸着によって実施される。この被覆は、特に、約248ｎｍの波長で動作するKrFエキシマレーザでの波長選択のために使用される際に、格子動作において、大きな改善を作り出す。しかし、出願人は、アルミニウム被覆を伴う場合でさえ、約193ｎｍの波長で動作するArFエキシマレーザで波長選択について格子が使用される時に、実質的な動作劣化が起こることを発見した。
【００１１】
出願人は劣化は、高エネルギーＵＶ（紫外）フォトンの、アルミニウムフィルム内に析出された（deposited）酸素との相互作用を伴う、量子光化学的、量子光物理的機構によるものであると信じる。あるいは、格子上にアルミニウム被覆が成長された（deposited）後に、これらの表面が空気に露呈される時にアルミニウム表面上に自然に形成する、酸化層の境界における、酸素との相互作用を伴う、量子光化学的、量子光物理的機構によるものであると信じる。もしアルミニウム表面のＵＶ放射が、空気のような酸素を含む環境で行われるならば、この劣化は、強調され得る。しかし例え、ＵＶ照射の期間中に、アルミニウム表面の上の空間が窒素でパージされる（pergeｄ）場合でさえ、Al2O3表面フィルムでの酸素との反応、あるいは粒界領域での酸素との反応は、動作を劣化させ得る。
【００１２】
MgF2 被覆による密（ dense ）アルミニウム被覆
図１は、高い強度の紫外線環境での長期間の使用に適した格子を提供する格子を被覆する方法を示す。
【００１３】
出願人は、約250ｍｍの長さで、35ｍｍの厚さ、35ｍｍの幅の寸法を持つ先行技術の格子で、実質的に延長された寿命を持ち、改善された性能を持つ格子を生成するためのの被覆動作を実施した。この格子の溝は、１ｍｍ当り約84.77溝の間隔が空けられる。図２は、格子表面の断面図である。格子基板40は、1ミクロンのアルミニウム層44で覆われた、約１５ミクロン厚のエポキシ層42で覆われたガラスである。溝は、11.7966ミクロンの間隔で、間隔が空けられ、三角形の形状であり、各溝での深い端部において約3.5ミクロンの深さである。溝の3.5ミクロンの面は、格子面の法線に対して11.3°の角度を作る。レーザでの波長選択のためのリトロー・コンフィグレーション（Littrow configuration）で用いられるときには、入射ビームが短い表面で90°で受け取られるように、格子は入射ビームに対して11.3°傾斜される。3.5ミクロンの面は、反射面である。193.38ｎｍの波長で動作するArFレーザでは、連続する短い面の間の２倍の距離は、正確に、193.38ｎｍのArF光の122波長と等しい。短い面と短い面との間の２倍の距離はまた正確に、248.35ｎｍでのKrF光の95波長と等しい。それゆえ、KrFレーザあるいはArFレーザのいずれかの波長選択のためにも、同じ格子が使用され得る。
【００１４】
図１を参照する。先行技術における複製される格子2が、アルミニウム金属及びフッ化マグネシウムの蒸気源の上の物理的蒸着真空チャンバ4内に載置される。アルミニウムは、アルミニウムるつぼ6内に含まれ、フッ化マグネシウムは、フッ化マグネシウムるつぼ8内に含まれ、両者は回転サポート10（第１のアルミニウムの被覆と、第２のMgF2の被覆を提供するように回転され得る）の上に載置される。真空ポンプ12は、10-6torrあるいはそれ以下の真空圧力（ソースと格子との間の距離より数倍長い平均自由経路（mean free path）を保証するために十分である）を提供する。これにより、実質的に衝突の無い原子蒸着及び分子蒸着が提供される。また、この圧力において、酸素あるいは水素のようなバックグラウンドガスと被覆されるべき表面との衝突率（collision rate）は実質的に、アルミニウム原子あるいはフッ化マグネシウム分子の到達率（arrival rate）より小さい。これによって、純粋で、密なアルミニウムとフッ化マグネシウムの蒸着が、格子表面上に得られる。それ故、バルク被覆材料（bulk coating material）中には、非常に少ない酸素あるいは水素しか存在しない。表面は通常のやり方で、電子ビーム源14からの電子ビーム16で加熱され、ビームは、磁気源（図示せず）からの磁界によってるつぼ位置に曲げられる。
【００１５】
第２のアルミニウム被覆とMgF2被覆を提供するために格子2が、被覆原子が法線に対して約50°の角度で格子表面にぶつかるような角度で、真空チャンバ4内に載置される。これは、原子が短い表面上に、短い表面の法線に対して29°の角度で衝突し、原子が長い表面上に、長い表面の法線に対して61°の角度で衝突することを意味する。被覆プロセスは、約100ｎｍの密なアルミニウム厚みが達成されるまで継続すべきである。チャンバ4での真空を破らずに、その場所でMgF2源を回転させるためにサポート10が用いられる。そして、約54ｎｍのMgF2の被覆が、格子の短い表面上のアルミニウム被覆の上に配置される。長い表面上の双方の被覆の厚さは、短い表面上の対応する厚さの約55％となる。二重被覆の結果が、図３及び４に示される。
【００１６】
テスト結果
ArFレーザでの波長選択モジュールにおいて、密なアルミニウムとMgF2被覆によって被覆された格子が、出願人によってテストされ、先行技術の密でない非被覆格子と比較された。
【００１７】
ＡｒＦ実験からのデータが図５に示される。193nmでのパルス当り10ｍＪにおいて、約2000万パルスの後、先行技術の格子は、反射率が、その初期値の約75％まで減少した。一方、本発明による格子被覆は、依然として、その初期値の95％より大きい反射率を提供する。図７は、単一のMgF2の被覆が、最大２０億パルスまでの優れた結果を提供することを示すデータを表す。しかし出願人の連続テストは格子が、約20億パルス後急速に劣化することを示した。
【００１８】
出願人は、格子のより高い電磁束部分（higher flux regions）で劣化が始まることを記載した。これは、２０億パルス後の劣化は、蓄積されたＵＶ放射によることを示す。出願人は放射が、MgF2の小さなクラック（tiny crack）（これが時間と共に成長して、ＵＶによって助長される、下にある純粋な密なアルミニウム被覆の酸化を許容する）を引き起こすのではないかと疑う。
【００１９】
他の被覆
図３及び４のMgF2被覆は、ArFレーザLNPでの格子に対して膨大な寿命の改善を提供するが、MgF2の代わりの、あるいは、MgF2に付加された他の被覆が、格子表面を２０億パルスを越えても劣化から保護するために必要とされる。さらに、出願人は、反射率における実質的な改善が、多重被覆の使用から得られ得ることを発見した。
【００２０】
反射率を改善するための被覆厚さ
純粋なアルミニウムは、193ｎｍで約92.5％の最大反射係数を持つ。いくつかの応用にとっては、これは十分な反射率であるが、反射率を更に増加させることがしばしば必要とされる。より高い反射率は、レーザをより効率的に動作させることになるのみならず、格子表面によって吸収されるレーザパワーのパーセントを減少させることにもなる。上述のアルミニウム表面の場合には、193ｎｍでの最大92.5％の光が反射されるが、残りの光の7.5％が吸収される。最新のレーザでは、動作中に10-20Ｗの光パワーが格子を通過する。このパワーの7.5％の吸収によって、格子表面が加熱される。これは、次に、これらのレーザによって生成されたレーザビームの特性（properties）（例えばスペクトラム帯域幅,発散（divergence）,及び、レ−ザビームの形とサイズさえも）でのかなりの歪を引き起こし得る。これらの歪みは、マイクロリソグラフィ（microlithography）露光についてこれらのレーザを不適切とし、パワーが減少し、それによって、マイクロリソグラフィ・スループット（throughput）を減少させ、集積回路のコストを増加させることにさえも繋がる。それ故、格子表面の反射率を増加させることが望ましい。
【００２１】
Al表面の反射率は、もしそれが一つあるいはそれ以上の、MgF2,Al2O3,SiO2他のような誘電体材料の層で被覆されていれば、増加させられ得る。この場合には、アルミニウム表面は、高い及び低い屈折率（refractive index）材料の交代層（alternating layers）で被覆される。低い屈折率材料としては、MgF2,及びSiO2が使用され得る。他方Al2O3は、高い屈折率材料の例である。
【００２２】
好ましくは被覆厚は、各層からの反射が全て互いに位相が同じ（in phase with ）となることによって、トータルの反射がそれによって増加されるようなやり方で選ばれる。位相が同じ、とは、これらの反射波の位相差が、２πラジアンの整数倍であることを意味する。図９Ａ,９Ｂ及び９Ｃは、１つ、２つ、及び４つの層の被覆の被覆構造を示す。これらの被覆の設計で、アルミニウム表面に隣接する層を除く全ての層が、約λ/４・ｎの地理的厚さ（geometric thickness）を持つ。ここで、ｎは層材料の屈折率で、λは波長である。この厚さは、光がこの層を通して２回移動すると、位相シフトがπとなることを意味する。この事実及び、光が高い屈折率の側から到来するならば、高い屈折率材料及び低い屈折率材料のインターフェースから反射する際に光がπの付加的位相シフトを持つという事実,及びもし光が低い屈折率の側から到来するならば、位相シフトがゼロ、という事実によって、全ての反射された波の位相差が２πの総数である（それらが全て作図的に（constructively）干渉して全体的な反射率を増加する）ということがもたらされる。
【００２３】
上述のように、好ましくは各透明な保護層の厚さが、２πの位相シフトに対応する厚さを持つが、もしこれが容易になされなければ、他の好ましいアプローチは、全ての透明保護層を、それを通してトータルの位相シフトが２πの整数倍となるように設計することである。
【００２４】
この層とＡｌ表面のインターフェースでの位相シフトは0とπの間なので、アルミニウム表面上の第1の層について、２層及び４層の設計ではその厚さはλ/４ｎより薄い。同様に、単一層設計でのMgF2の単一層の厚さは、λ/４ｎとλ/２ｎとの間である。最大反射を達成するための、これらの被覆厚さを選択するための詳細な技術を説明する、膨大な光学技術の参考書を参照頂きたい。特に、推薦される参考書は、ニューヨーク及び他の多くの都市にオフィスを持つマグロウヒルにより出版される、光学ハンドブック、ボリュームＩ,42-１頁から42-54頁の40章である。編集長はMichael Bassである。
【００２５】
単一層MgF2被覆を行うことによって、アルミニウム表面の反射率は、わずかに増加され得る。例えば、ＡｌをMgF2で約50ｎｍの厚さだけ被覆することによって、93.2％まで増加され得る。反射率を更に大きく増加させることが望ましい。そのために、多層被覆が使用され得る。この被覆は、高い屈折率材料と低い屈折率材料の交代層からなる。Ａｌ表面の上の第1の層としての２３ｎｍの厚さのMgF2層、及び、MgF2の上の26ｎｍ厚さのAl2O3の層、を持つ２層被覆は、193ｎｍでのの約95.5％のトータルの反射率を誇る。以下のような４層被覆を用いて、更に高い反射率さえもが、達成され得る。
空気
26ｎｍ厚 Al2O3
34ｎｍ厚 MgF2
26ｎｍ厚 Al2O3
23ｎｍ厚 MgF2
アルミニウム
【００２６】
図８に示されるこの被覆は、193ｎｍにおいて、トータルで約97.1％の反射率を持つことになる。これらの被覆全てにおいて、低屈折率材料（ｎ＝1.43）としてMgF2が用いられる一方、高屈折率材料（ｎ＝1.8）としてAl2O3が用いられる。当業者は、他の高い及び低い屈折率材料が使用され得ることを認識できるであろう。
【００２７】
この多層被覆の利点は、トータルの誘電体フィルム厚さがむしろ小さい（２層被覆の場合には約48ｎｍで、４層被覆の場合には約109ｎｍ）ことである。それ故、一般的にいくらか3,000ｎｍより大きな溝のサイズに比べて非常に小さい。約92.5％（非被覆のAl）から、97.1％（４層被覆されたAl）へののトータルの反射率の増加は非常に重要であり、もしこの被覆が、エキシマ・リソグラフィ・レーザのような高平均パワーＵＶレーザ内で動作する格子上で使用されるならば特に重要である。
【００２８】
Al被覆は、反射されなかった全ての光を吸収する。つまり、非被覆アルミニウムの場合には入射光の、100％-92.5％＝7.5％が吸収される。他方、４層被覆の場合には入射光の、100-97.1％＝2.9％だけが吸収される。それゆえ、トータルの反射率を、92.5％から97.1％にを増加させることによって、我々は実際に吸収を、7.5％／2.9％＝2.59倍減少させた。回折格子によって吸収されたトータルパワーの減少は、格子のバルク加熱によって引き起こされたレーザビーム特性での全ての熱効果及び熱歪を減少させるので、回折格子によって吸収されたトータルパワーの減少は非常に重要である。なぜなら、これらの光効果は通常吸収されたパワーに比例するからである。
【００２９】
通常の反射率を強化するための多層の応用に対する他の技術は、非被覆のアルミニウム表面に比較して、通常の反射率を増加させるために利用され得る。この発明の非常に重要な特徴は、次の２つの目的達成するために被覆が選択されることである。（１）格子表面を紫外線から引き起こされた劣化から保護すること、及び、（２）反射格子の面からの通常の反射率を改善すること。反射率についてのこの改善は、２つの非常に重要な効果を持つ。つまり、（１）より大きな反射率は、格子の効率を増加させて、レーザの全体動作を改善する。そして、（２）より大きな反射率は、より小さなエネルギーが格子表面に吸収され、格子上の熱負荷（これが温度上昇と、その結果としての表面の歪（これが更に格子の動作に有害な影響を与え得る）を引き起こし得る）を減少させることを意味する。
【００３０】
MgF 2 及び Al 2 O 3
上述のように、Al2O3の24ｎｍ厚の単一の被覆が、23ｎｍ厚のMgF2被覆の上になされ得る。好ましくは、図１の回転サポート10上にAl2O3るつぼを付加することによってAl2O3があてがわれる。Al2O3は、MgF2に比べてより硬い。上述のように、これはMgF2をＵＶによる損傷から保護し、反射率を改善する。図８は、上述の４層被覆（その上に23ｎｍのMgF2,26ｎｍのAl2O3,34ｎｍのMgF2、及び26ｎｍのAl2O3が存在する）を示す。
【００３１】
MgF 2 , 及び SiO 2
Al2O3を用いた場合の類似の結果をもたらすために、上述のようにMgF2上へのSiO2の被覆が、あてがわれ得る。SiO2はガラスであり、よって、MgF2に比べてより脆い。そして、Al2O3のように、MgF2をＵＶによる損傷から保護し、格子の使用可能な寿命を延ばす。SiO2の薄いフィルムもまた、ＵＶ放射に対して透明である。最適な反射率性能のための厚みを選択するために必要とされる標準的な既知の技術が、厚みを特定するために使用され得る。
【００３２】
密な非酸化 Al 被覆の重要性
アルミニウム被覆は純粋な密なアルミニウムの被覆であること、及び、被覆が酸化されないことが重要である。先行技術のMgF2を持つ格子上の、オリジナルの、亀裂が入った、及び／又は、密でない被覆、を単に被覆することは、実質的な改善を提供しない。実際、248ｎｍ環境での出願人による実験は、不充分な初期性能を示し、また、MgF2被覆を持つが、10-5torrより高い真空圧でアルミニウム被覆があてがわれた格子の劣化を示した（図６を見よ）。上述のように、何らかの大きなアルミニウム被覆の酸化が存在する前に、アルミニウム被覆上にMgF2被覆を為すこともまた重要である。もし酸化層がアルミニウム上に存在すれば、ＵＶは、MgF2層の下に化学変化を引き起こすことになり、格子表面を歪ませ、それによって反射率を減少させる。純粋で密なアルミニウム被覆のための要求は、天文学の作業におけるように格子がＵＶ強度が低い環境で使用されるときには、通常は重要ではないことを銘記されたい。しかし、純粋で密なアルミニウム被覆は、エキシマレーザによって生成される場合のようなＵＶレベルにおいて非常に重要である。図１２の例に示されるように、模範的実施例で出願人は、２つの別々の密なAl層を指定した。
【００３３】
比較テスト− MgF 2 , SiO 2 ,Al 2 O 3
SiO2,及びAl2のそれに比べてMgF2はより低い屈折率を持つので、被覆厚変動に対する格子効率（反射率）をより低感度にする。MgF2材料は、193ｎｍ放射に対して優れている。しかしMgF2被覆は、一定の局所的微細構造（これがチャンネルを酸素浸透させたままとし得る）を有する傾向を持つ。格子保護被覆のためには、格子表面が平坦でない場合のMgF2被覆のこの特徴は更に悪いもので有り得る。MgF2被覆のハイドロスコープ的（Hydroscopic）特性が、他の懸念である。
【００３４】
SiO2,及びAl2 O 3 のような他の材料は、異なった構造（四辺形の代わりに六辺形）を持ち、被覆プロセスにおいて、MgF2に比べてより非晶質である。例えば、SiO2の被覆は、MgF2と比べて、格子表面上でより均一で有り得、周囲環境に対して、より化学的に不活性で有り得る。193ｎｍ紫外線環境で被覆をテストするために、アルミニウムミラーがMgF2,SiO2,及びAl2O3で被覆され、比較テストが実行された。テスト結果は図10にプロットされた。SiO2が、被覆保護の最も永い耐久性を示した。暴露レーザエネルギーは、193ｎｍでパルス当り5ｍＪであった。平均強度は、4.5ｍＪ／cm2であった。図１の結果が示すように、各ミラーは数億パルスに暴露された。テストミラーは、室内の気中に存在した。全ての３つのミラーの初期反射は、90％より低かった。Al2O3の、比較的低い初期反射は、被覆前のミラー表面上の表面汚染（contamination）によって引き起こされたと信じられている。
【００３５】
MgF2より少し高いSiO2の屈折率は、被覆厚みの上の格子効率の不感度を大きくは変更させない。図１１は、193ｎｍでアルミニウムの屈折率の複素表現が0.11＋2.2ｉである際に、計算されたAl2O3被覆反射が、与えられた保護被覆の厚みにつれて、いくらか（しかし大きくは無く）変動することを示す（E. Palik, Optical Constants of Solids）。SiO2とMgF2の被覆材料の屈折率もまた、図に示される。
【００３６】
図１０に示された結果は、SiO2とAl2O3との双方が、MgF2に比べて実質的な付加的保護を提供したことを示す。好ましい厚みは、図１１のグラフの高反射に対応する厚みである。例えば、SiO2に対して約20ｎｍあるいは80ｎｍ、及び、Al2O3に対して約15ｎｍあるいは64ｎｍが好ましい。
【００３７】
推奨される被覆
図１２が、ArF エキシマレーザを絞るラインとして使用されるべき格子に対する、推奨される被覆のマトリックスを提供する。
【００３８】
本発明の特定の実施例が示されて説明されてきた一方、当業者にとって、本発明の広い面の中から離れることなしに、変更と修正が為され得ることが明白である。例えば、当業者は、酸素フリーの、密なアルミニウム被覆を生成するために、真空蒸発以外の方法が使用され得ることを理解するであろう。本発明の２つの重要な目的、即ち表面保護と反射率の増加、を達成するために、多くの異なった種々の厚さの層の組合わせが利用され得る。アルミニウム被覆に対する好ましい厚みは、約50ｎｍから約200ｎｍまでであるか、あるいは、図１２に示されるような、それぞれ150ｎｍの２つの密な被覆が使用され得る。説明したように、単一のMgF2層は、SiO2とAl2O3のいずれかの層と置換され得る。また、GdF3あるいはAlF3のような他の類似の被覆が使用され得る。好ましくは、保護層あるいは複数の保護層のトータルの厚みは、格子の反射面の幅の10％より小さい。しかし、これらの範囲外の厚みが指定され得る。強力な紫外線光に暴露される表面に、良い被覆が為されることが最も重要である。図２及び３に示される格子について、その表面は短い、3.5ミクロンの表面である。上記のように議論されたテスト結果が、Littrow構成で配置された被覆材料回折格子とともに、３プリズム・ビーム・エキスパンダ（three-prism beam expander）及びビーム角度調整ミラーを含む波長選択モジュールを用いて得られた。しかし、当業者は、本発明によって製造された格子についての多くの他の応用を認識するであろう。それ故、添付の請求項はその視野の中に、本発明の真の精神と範囲内に入る、それらの全ての変更と修正を包含するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 真空蒸着チャンバの図。
【図２】 先行技術の複製格子の断面。
【図３】 本発明の実施例による被覆を持つ図２と同じ断面の図。
【図４】 図３の断面の拡大図。
【図５】 従来技術の格子と、被覆された格子の動作比較を示すテストデータのグラフ。
【図６】 密でない（non-dense）アルミニウム、そしてその後MgF2で被覆された先行技術の格子の不満足な動作を示すグラフ。
【図７】 密な（dense）アルミニウム層及びMgF2で被覆された格子を用いた動作データ。
【図８】 改善された反射を狙って設計された４層保護被覆。
【図９Ａ】 保護被覆を通した反射における位相。
【図９Ｂ】 保護被覆を通した反射における位相。
【図９Ｃ】 保護被覆を通した反射における位相。
【図１０】 193ｎｍ紫外線環境での、ミラーでのMgF2,SiO2及びAl2O3被覆のテスト結果。
【図１１】 MgF2,SiO2及びAl2O3被覆についての、被覆厚さの関数としての反射。
【図１２】 模範的保護層の厚さを示す表。
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折格子に関し、特に、回折格子の動作の改善及び寿命の延長のために使用される技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回折格子は、レーザの共振キャビティ内に、一つの特定の波長に中心を持つ狭い範囲の波長の光だけを反射させて戻すためのレーザでしばしば用いられる。この狭い範囲の波長の光エネルギーは、キャビティー内で共振し、キャビティーの他端部にある、部分的に反射性を持つミラーを通して放射される。そのような回折格子の例及び、これらの回折格子を作成する種々の方法は、米国特許番号5,080,465号、5,436,764号、及び5,493,393号に記載され、ここに参照として取りこまれる。
【０００３】
一般的に、主回折格子（master diffraction grating）が最初に作成される。この主格子が、多くの複製格子を作るために、その後用いられる。これらの複製格子の夫々が、その後、他の複製格子を作るための主格子として用いられる。
【０００４】
’465特許に記載されるように、主格子は、ガラスのような基板上にアルミニウムを成長させる（depositing）ことによって形成され得る。アルミニウム層内で、非常に近接して間隔が空けられた溝の線を引く（rule）ために、干渉制御される（under interferometric control）ダイヤモンドツールが、その後使用され得る。溝の分離は、格子によって反射されるべき光の波長、及び、それが反射することを必要とされる波長の範囲の狭さに関係する。一つの例では、ダイヤモンドツールが、2.54cm（1インチ）当り10,000の溝のオーダーで線を引く。回折格子表面は、25.4cm（１０インチ）の長さで、2.54cm（１インチ）の幅であり得る。物理的線引き（ruling）によって正確な主格子を作成することは、極めて時間がかかるものであり、高価なプロセスである。
【０００５】
一旦主格子が作成されると、格子の複製は、Soviet Journal of Optical Technology, Vol. 40(3)（1973年3月）：192-196のTorbin及びWiskinによる記事に記載されたような技術を用いて作成され得る。そのような方法の一つでは、銀,金,銅グリセリン,カルヌーバ・ワックス（carnuba wax）,デブチフタレート（debutyphthalate）あるいは低蒸気圧オイルのような離型剤（release agent）が、主（master）格子の表面の上に被覆される。アルミニウムのような薄い（例えば1ミクロン）反射層が、その後、離型剤の上に成長させられる。加工の施してない（uncured）ポリスターセメント（polyster cement）(エポキシ)が、その後、アルミニウム層の上に成長させられ得る。そしてガラスあるいは金属の基板がその後、エポキシの頂部の上に配置される。セメントが加工された（cured）後に、ガラス層,エポキシ層,及びアルミニウム層が、その後、主格子から分離され、その結果、主格子の複製がもたらされる。
【０００６】
フッ化マグネシウムが既知の光学的被覆である。不要な反射を減少させるために、λ/4の厚さを有するこの材料の被覆が用いられる。また、MgF2被覆が、約500から600ｎｍより大きい波長で動作する格子の効率を改善することを示している。（Maystre他、Applied Optics, Vol. 19(18)(1980年９月15日)：3099-3102を参照頂きたい。）Al2O3及びSiO2がまた、紫外線波長のための、良く知られた被覆材料である。
【０００７】
複製された格子の一つの重要な使用は、248ｎｍと193ｎｍ波長での紫外線光を生成する狭いエキシマーレーザを並べることである。出願人は、強度の紫外線放射（特により高いエネルギーの193ｎｍ波長での）に曝される際に、先行技術の複製格子が、実質的な動作劣化を被ることを発見した。必要とされるものは、強度紫外光放射のもとでの、長期間の高品質の動作能力を持つ複製格子である。
【０００８】
【発明の概要】
本出願は、1997年９月29日に出願された米国シリアル番号08/939,611号（２０００年１２月１９日に発行された、現時点では米国特許6,162,495号である）の一部継続出願であった２０００年１２月７日に出願された、米国シリアル番号09/731,938号の一部継続出願である。
【０００９】
本発明は、被覆によって保護された回折格子を提供する。薄いアルミニウム反射格子表面を持つ複製格子が、主格子あるいはサブマスター格子（submaster）を複製することによって生成される。薄いアルミニウム反射表面は、亀裂が生じ得るか、あるいは、アルミニウムの酸化物及び水酸化物を含む比較的厚い粒界（grain boundary）を持ち得、また一般的に自然に、アルミニウム酸化物フィルム（aluminum oxide film）で被覆され得る。格子は引き続き、一つあるいは２つの、薄い、純粋な、高濃度のアルミニウム被覆層で、真空チャンバ内で被覆され、その後、真空中でアルミニウム被覆層あるいは複数のアルミニウム被覆層が、一つあるいはそれ以上の、紫外線放射に対して透明な材料の保護層で被覆される。この保護層の好ましい実施例では、MgF2,SiO2,あるいはAl2O3の単一層である。他の模範的実施例で、この層は、Al2O3で覆われたMgF2あるいはSiO2の層であり、第３の好ましい実施例では、保護層は、MgF2及びAl2O3の４つの交代層、あるいはSiO2及びAl2O3の４つの交代層から成る。好ましくは、透明な保護層の厚さは、２πの整数倍（integral number）の、提案される動作波長での位相シフトをもたらすように選択される。薄い保護層は、紫外線によって引き起こされる劣化からアルミニウムを保護するのみならず、格子の反射面の通常の反射の改善もする。格子は特に、約193ｎｍの波長での紫外線レーザビームを生成しながら動作するArFレーザでの波長選択のための使用に適している。酸素フリーなアルミニウム被覆は、アルミニウム格子表面下で、あるいはアルミニウム酸化物フィルム下で、格子材料での化学反応を刺激することによって、紫外光による破壊を引き起こすのを防ぐ。保護層は、酸素がアルミニウムに付くのを防ぐ。
【００１０】
【発明の実施の形態】
出願人の実験
出願人は、複製プロセス中に成長させられる、一般的に約1ミクロン厚のアルミニウム被覆が、引き続く複製プロセスでの引き外しステップ中に力に曝されて、アルミニウム被覆中に非常に小さい亀裂を生成し、また、粒界にアルミニウムの酸化物と水酸化物を含む傾向のあることを発見した。これらの亀裂と粒界領域は、格子がエキシマーレーザの運用に供される際に、少ない量の紫外線放射が下にあるエポキシを通じて漏れることを許容する。エポキシに達する紫外光は、エポキシの光分解とガスの放出をもたらし、これによって、上にあるアルミニウム被覆での膨れ（blister）を引き起こす。この膨れは、格子の反射面からの散乱ロス（scatter loss）を非常に増大させる。紫外光は、元の溝形状を歪ませて、所望の回折オーダー（diffraction order）の反射率のロスを引き起こすエポキシの体積収縮をも引き起こす。これらの効果は、格子の有用な寿命を厳しく制限し、比較的頻繁に使用される装置を利用不可能とする。出願人は、複製格子の元のアルミニウム層内の亀裂によって引き起こされる問題を、複製物が主格子から除去されて掃除された後に、約１００ｎｍから200ｎｍの、複製の表面上の他の薄い反射被覆を成長させることによって部分的に解決することが出来てきた。被覆は、真空チャンバでスパッタリング、あるいは蒸着によって実施される。この被覆は、特に、約248ｎｍの波長で動作するKrFエキシマレーザでの波長選択のために使用される際に、格子動作において、大きな改善を作り出す。しかし、出願人は、アルミニウム被覆を伴う場合でさえ、約193ｎｍの波長で動作するArFエキシマレーザで波長選択について格子が使用される時に、実質的な動作劣化が起こることを発見した。
【００１１】
出願人は劣化は、高エネルギーＵＶ（紫外）フォトンの、アルミニウムフィルム内に析出された（deposited）酸素との相互作用を伴う、量子光化学的、量子光物理的機構によるものであると信じる。あるいは、格子上にアルミニウム被覆が成長された（deposited）後に、これらの表面が空気に露呈される時にアルミニウム表面上に自然に形成する、酸化層の境界における、酸素との相互作用を伴う、量子光化学的、量子光物理的機構によるものであると信じる。もしアルミニウム表面のＵＶ放射が、空気のような酸素を含む環境で行われるならば、この劣化は、強調され得る。しかし例え、ＵＶ照射の期間中に、アルミニウム表面の上の空間が窒素でパージされる（pergeｄ）場合でさえ、Al2O3表面フィルムでの酸素との反応、あるいは粒界領域での酸素との反応は、動作を劣化させ得る。
【００１２】
MgF2 被覆による密（ dense ）アルミニウム被覆
図１は、高い強度の紫外線環境での長期間の使用に適した格子を提供する格子を被覆する方法を示す。
【００１３】
出願人は、約250ｍｍの長さで、35ｍｍの厚さ、35ｍｍの幅の寸法を持つ先行技術の格子で、実質的に延長された寿命を持ち、改善された性能を持つ格子を生成するためのの被覆動作を実施した。この格子の溝は、１ｍｍ当り約84.77溝の間隔が空けられる。図２は、格子表面の断面図である。格子基板40は、1ミクロンのアルミニウム層44で覆われた、約１５ミクロン厚のエポキシ層42で覆われたガラスである。溝は、11.7966ミクロンの間隔で、間隔が空けられ、三角形の形状であり、各溝での深い端部において約3.5ミクロンの深さである。溝の3.5ミクロンの面は、格子面の法線に対して11.3°の角度を作る。レーザでの波長選択のためのリトロー・コンフィグレーション（Littrow configuration）で用いられるときには、入射ビームが短い表面で90°で受け取られるように、格子は入射ビームに対して11.3°傾斜される。3.5ミクロンの面は、反射面である。193.38ｎｍの波長で動作するArFレーザでは、連続する短い面の間の２倍の距離は、正確に、193.38ｎｍのArF光の122波長と等しい。短い面と短い面との間の２倍の距離はまた正確に、248.35ｎｍでのKrF光の95波長と等しい。それゆえ、KrFレーザあるいはArFレーザのいずれかの波長選択のためにも、同じ格子が使用され得る。
【００１４】
図１を参照する。先行技術における複製される格子2が、アルミニウム金属及びフッ化マグネシウムの蒸気源の上の物理的蒸着真空チャンバ4内に載置される。アルミニウムは、アルミニウムるつぼ6内に含まれ、フッ化マグネシウムは、フッ化マグネシウムるつぼ8内に含まれ、両者は回転サポート10（第１のアルミニウムの被覆と、第２のMgF2の被覆を提供するように回転され得る）の上に載置される。真空ポンプ12は、10-6torrあるいはそれ以下の真空圧力（ソースと格子との間の距離より数倍長い平均自由経路（mean free path）を保証するために十分である）を提供する。これにより、実質的に衝突の無い原子蒸着及び分子蒸着が提供される。また、この圧力において、酸素あるいは水素のようなバックグラウンドガスと被覆されるべき表面との衝突率（collision rate）は実質的に、アルミニウム原子あるいはフッ化マグネシウム分子の到達率（arrival rate）より小さい。これによって、純粋で、密なアルミニウムとフッ化マグネシウムの蒸着が、格子表面上に得られる。それ故、バルク被覆材料（bulk coating material）中には、非常に少ない酸素あるいは水素しか存在しない。表面は通常のやり方で、電子ビーム源14からの電子ビーム16で加熱され、ビームは、磁気源（図示せず）からの磁界によってるつぼ位置に曲げられる。
【００１５】
第２のアルミニウム被覆とMgF2被覆を提供するために格子2が、被覆原子が法線に対して約50°の角度で格子表面にぶつかるような角度で、真空チャンバ4内に載置される。これは、原子が短い表面上に、短い表面の法線に対して29°の角度で衝突し、原子が長い表面上に、長い表面の法線に対して61°の角度で衝突することを意味する。被覆プロセスは、約100ｎｍの密なアルミニウム厚みが達成されるまで継続すべきである。チャンバ4での真空を破らずに、その場所でMgF2源を回転させるためにサポート10が用いられる。そして、約54ｎｍのMgF2の被覆が、格子の短い表面上のアルミニウム被覆の上に配置される。長い表面上の双方の被覆の厚さは、短い表面上の対応する厚さの約55％となる。二重被覆の結果が、図３及び４に示される。
【００１６】
テスト結果
ArFレーザでの波長選択モジュールにおいて、密なアルミニウムとMgF2被覆によって被覆された格子が、出願人によってテストされ、先行技術の密でない非被覆格子と比較された。
【００１７】
ＡｒＦ実験からのデータが図５に示される。193nmでのパルス当り10ｍＪにおいて、約2000万パルスの後、先行技術の格子は、反射率が、その初期値の約75％まで減少した。一方、本発明による格子被覆は、依然として、その初期値の95％より大きい反射率を提供する。図７は、単一のMgF2の被覆が、最大２０億パルスまでの優れた結果を提供することを示すデータを表す。しかし出願人の連続テストは格子が、約20億パルス後急速に劣化することを示した。
【００１８】
出願人は、格子のより高い電磁束部分（higher flux regions）で劣化が始まることを記載した。これは、２０億パルス後の劣化は、蓄積されたＵＶ放射によることを示す。出願人は放射が、MgF2の小さなクラック（tiny crack）（これが時間と共に成長して、ＵＶによって助長される、下にある純粋な密なアルミニウム被覆の酸化を許容する）を引き起こすのではないかと疑う。
【００１９】
他の被覆
図３及び４のMgF2被覆は、ArFレーザLNPでの格子に対して膨大な寿命の改善を提供するが、MgF2の代わりの、あるいは、MgF2に付加された他の被覆が、格子表面を２０億パルスを越えても劣化から保護するために必要とされる。さらに、出願人は、反射率における実質的な改善が、多重被覆の使用から得られ得ることを発見した。
【００２０】
反射率を改善するための被覆厚さ
純粋なアルミニウムは、193ｎｍで約92.5％の最大反射係数を持つ。いくつかの応用にとっては、これは十分な反射率であるが、反射率を更に増加させることがしばしば必要とされる。より高い反射率は、レーザをより効率的に動作させることになるのみならず、格子表面によって吸収されるレーザパワーのパーセントを減少させることにもなる。上述のアルミニウム表面の場合には、193ｎｍでの最大92.5％の光が反射されるが、残りの光の7.5％が吸収される。最新のレーザでは、動作中に10-20Ｗの光パワーが格子を通過する。このパワーの7.5％の吸収によって、格子表面が加熱される。これは、次に、これらのレーザによって生成されたレーザビームの特性（properties）（例えばスペクトラム帯域幅,発散（divergence）,及び、レ−ザビームの形とサイズさえも）でのかなりの歪を引き起こし得る。これらの歪みは、マイクロリソグラフィ（microlithography）露光についてこれらのレーザを不適切とし、パワーが減少し、それによって、マイクロリソグラフィ・スループット（throughput）を減少させ、集積回路のコストを増加させることにさえも繋がる。それ故、格子表面の反射率を増加させることが望ましい。
【００２１】
Al表面の反射率は、もしそれが一つあるいはそれ以上の、MgF2,Al2O3,SiO2他のような誘電体材料の層で被覆されていれば、増加させられ得る。この場合には、アルミニウム表面は、高い及び低い屈折率（refractive index）材料の交代層（alternating layers）で被覆される。低い屈折率材料としては、MgF2,及びSiO2が使用され得る。他方Al2O3は、高い屈折率材料の例である。
【００２２】
好ましくは被覆厚は、各層からの反射が全て互いに位相が同じ（in phase with ）となることによって、トータルの反射がそれによって増加されるようなやり方で選ばれる。位相が同じ、とは、これらの反射波の位相差が、２πラジアンの整数倍であることを意味する。図９Ａ,９Ｂ及び９Ｃは、１つ、２つ、及び４つの層の被覆の被覆構造を示す。これらの被覆の設計で、アルミニウム表面に隣接する層を除く全ての層が、約λ/４・ｎの地理的厚さ（geometric thickness）を持つ。ここで、ｎは層材料の屈折率で、λは波長である。この厚さは、光がこの層を通して２回移動すると、位相シフトがπとなることを意味する。この事実及び、光が高い屈折率の側から到来するならば、高い屈折率材料及び低い屈折率材料のインターフェースから反射する際に光がπの付加的位相シフトを持つという事実,及びもし光が低い屈折率の側から到来するならば、位相シフトがゼロ、という事実によって、全ての反射された波の位相差が２πの総数である（それらが全て作図的に（constructively）干渉して全体的な反射率を増加する）ということがもたらされる。
【００２３】
上述のように、好ましくは各透明な保護層の厚さが、２πの位相シフトに対応する厚さを持つが、もしこれが容易になされなければ、他の好ましいアプローチは、全ての透明保護層を、それを通してトータルの位相シフトが２πの整数倍となるように設計することである。
【００２４】
この層とＡｌ表面のインターフェースでの位相シフトは0とπの間なので、アルミニウム表面上の第1の層について、２層及び４層の設計ではその厚さはλ/４ｎより薄い。同様に、単一層設計でのMgF2の単一層の厚さは、λ/４ｎとλ/２ｎとの間である。最大反射を達成するための、これらの被覆厚さを選択するための詳細な技術を説明する、膨大な光学技術の参考書を参照頂きたい。特に、推薦される参考書は、ニューヨーク及び他の多くの都市にオフィスを持つマグロウヒルにより出版される、光学ハンドブック、ボリュームＩ,42-１頁から42-54頁の40章である。編集長はMichael Bassである。
【００２５】
単一層MgF2被覆を行うことによって、アルミニウム表面の反射率は、わずかに増加され得る。例えば、ＡｌをMgF2で約50ｎｍの厚さだけ被覆することによって、93.2％まで増加され得る。反射率を更に大きく増加させることが望ましい。そのために、多層被覆が使用され得る。この被覆は、高い屈折率材料と低い屈折率材料の交代層からなる。Ａｌ表面の上の第1の層としての２３ｎｍの厚さのMgF2層、及び、MgF2の上の26ｎｍ厚さのAl2O3の層、を持つ２層被覆は、193ｎｍでのの約95.5％のトータルの反射率を誇る。以下のような４層被覆を用いて、更に高い反射率さえもが、達成され得る。
空気
26ｎｍ厚 Al2O3
34ｎｍ厚 MgF2
26ｎｍ厚 Al2O3
23ｎｍ厚 MgF2
アルミニウム
【００２６】
図８に示されるこの被覆は、193ｎｍにおいて、トータルで約97.1％の反射率を持つことになる。これらの被覆全てにおいて、低屈折率材料（ｎ＝1.43）としてMgF2が用いられる一方、高屈折率材料（ｎ＝1.8）としてAl2O3が用いられる。当業者は、他の高い及び低い屈折率材料が使用され得ることを認識できるであろう。
【００２７】
この多層被覆の利点は、トータルの誘電体フィルム厚さがむしろ小さい（２層被覆の場合には約48ｎｍで、４層被覆の場合には約109ｎｍ）ことである。それ故、一般的にいくらか3,000ｎｍより大きな溝のサイズに比べて非常に小さい。約92.5％（非被覆のAl）から、97.1％（４層被覆されたAl）へののトータルの反射率の増加は非常に重要であり、もしこの被覆が、エキシマ・リソグラフィ・レーザのような高平均パワーＵＶレーザ内で動作する格子上で使用されるならば特に重要である。
【００２８】
Al被覆は、反射されなかった全ての光を吸収する。つまり、非被覆アルミニウムの場合には入射光の、100％-92.5％＝7.5％が吸収される。他方、４層被覆の場合には入射光の、100-97.1％＝2.9％だけが吸収される。それゆえ、トータルの反射率を、92.5％から97.1％にを増加させることによって、我々は実際に吸収を、7.5％／2.9％＝2.59倍減少させた。回折格子によって吸収されたトータルパワーの減少は、格子のバルク加熱によって引き起こされたレーザビーム特性での全ての熱効果及び熱歪を減少させるので、回折格子によって吸収されたトータルパワーの減少は非常に重要である。なぜなら、これらの光効果は通常吸収されたパワーに比例するからである。
【００２９】
通常の反射率を強化するための多層の応用に対する他の技術は、非被覆のアルミニウム表面に比較して、通常の反射率を増加させるために利用され得る。この発明の非常に重要な特徴は、次の２つの目的達成するために被覆が選択されることである。（１）格子表面を紫外線から引き起こされた劣化から保護すること、及び、（２）反射格子の面からの通常の反射率を改善すること。反射率についてのこの改善は、２つの非常に重要な効果を持つ。つまり、（１）より大きな反射率は、格子の効率を増加させて、レーザの全体動作を改善する。そして、（２）より大きな反射率は、より小さなエネルギーが格子表面に吸収され、格子上の熱負荷（これが温度上昇と、その結果としての表面の歪（これが更に格子の動作に有害な影響を与え得る）を引き起こし得る）を減少させることを意味する。
【００３０】
MgF 2 及び Al 2 O 3
上述のように、Al2O3の24ｎｍ厚の単一の被覆が、23ｎｍ厚のMgF2被覆の上になされ得る。好ましくは、図１の回転サポート10上にAl2O3るつぼを付加することによってAl2O3があてがわれる。Al2O3は、MgF2に比べてより硬い。上述のように、これはMgF2をＵＶによる損傷から保護し、反射率を改善する。図８は、上述の４層被覆（その上に23ｎｍのMgF2,26ｎｍのAl2O3,34ｎｍのMgF2、及び26ｎｍのAl2O3が存在する）を示す。
【００３１】
MgF 2 , 及び SiO 2
Al2O3を用いた場合の類似の結果をもたらすために、上述のようにMgF2上へのSiO2の被覆が、あてがわれ得る。SiO2はガラスであり、よって、MgF2に比べてより脆い。そして、Al2O3のように、MgF2をＵＶによる損傷から保護し、格子の使用可能な寿命を延ばす。SiO2の薄いフィルムもまた、ＵＶ放射に対して透明である。最適な反射率性能のための厚みを選択するために必要とされる標準的な既知の技術が、厚みを特定するために使用され得る。
【００３２】
密な非酸化 Al 被覆の重要性
アルミニウム被覆は純粋な密なアルミニウムの被覆であること、及び、被覆が酸化されないことが重要である。先行技術のMgF2を持つ格子上の、オリジナルの、亀裂が入った、及び／又は、密でない被覆、を単に被覆することは、実質的な改善を提供しない。実際、248ｎｍ環境での出願人による実験は、不充分な初期性能を示し、また、MgF2被覆を持つが、10-5torrより高い真空圧でアルミニウム被覆があてがわれた格子の劣化を示した（図６を見よ）。上述のように、何らかの大きなアルミニウム被覆の酸化が存在する前に、アルミニウム被覆上にMgF2被覆を為すこともまた重要である。もし酸化層がアルミニウム上に存在すれば、ＵＶは、MgF2層の下に化学変化を引き起こすことになり、格子表面を歪ませ、それによって反射率を減少させる。純粋で密なアルミニウム被覆のための要求は、天文学の作業におけるように格子がＵＶ強度が低い環境で使用されるときには、通常は重要ではないことを銘記されたい。しかし、純粋で密なアルミニウム被覆は、エキシマレーザによって生成される場合のようなＵＶレベルにおいて非常に重要である。図１２の例に示されるように、模範的実施例で出願人は、２つの別々の密なAl層を指定した。
【００３３】
比較テスト− MgF 2 , SiO 2 ,Al 2 O 3
SiO2,及びAl2のそれに比べてMgF2はより低い屈折率を持つので、被覆厚変動に対する格子効率（反射率）をより低感度にする。MgF2材料は、193ｎｍ放射に対して優れている。しかしMgF2被覆は、一定の局所的微細構造（これがチャンネルを酸素浸透させたままとし得る）を有する傾向を持つ。格子保護被覆のためには、格子表面が平坦でない場合のMgF2被覆のこの特徴は更に悪いもので有り得る。MgF2被覆のハイドロスコープ的（Hydroscopic）特性が、他の懸念である。
【００３４】
SiO2,及びAl2 O 3 のような他の材料は、異なった構造（四辺形の代わりに六辺形）を持ち、被覆プロセスにおいて、MgF2に比べてより非晶質である。例えば、SiO2の被覆は、MgF2と比べて、格子表面上でより均一で有り得、周囲環境に対して、より化学的に不活性で有り得る。193ｎｍ紫外線環境で被覆をテストするために、アルミニウムミラーがMgF2,SiO2,及びAl2O3で被覆され、比較テストが実行された。テスト結果は図10にプロットされた。SiO2が、被覆保護の最も永い耐久性を示した。暴露レーザエネルギーは、193ｎｍでパルス当り5ｍＪであった。平均強度は、4.5ｍＪ／cm2であった。図１の結果が示すように、各ミラーは数億パルスに暴露された。テストミラーは、室内の気中に存在した。全ての３つのミラーの初期反射は、90％より低かった。Al2O3の、比較的低い初期反射は、被覆前のミラー表面上の表面汚染（contamination）によって引き起こされたと信じられている。
【００３５】
MgF2より少し高いSiO2の屈折率は、被覆厚みの上の格子効率の不感度を大きくは変更させない。図１１は、193ｎｍでアルミニウムの屈折率の複素表現が0.11＋2.2ｉである際に、計算されたAl2O3被覆反射が、与えられた保護被覆の厚みにつれて、いくらか（しかし大きくは無く）変動することを示す（E. Palik, Optical Constants of Solids）。SiO2とMgF2の被覆材料の屈折率もまた、図に示される。
【００３６】
図１０に示された結果は、SiO2とAl2O3との双方が、MgF2に比べて実質的な付加的保護を提供したことを示す。好ましい厚みは、図１１のグラフの高反射に対応する厚みである。例えば、SiO2に対して約20ｎｍあるいは80ｎｍ、及び、Al2O3に対して約15ｎｍあるいは64ｎｍが好ましい。
【００３７】
推奨される被覆
図１２が、ArF エキシマレーザを絞るラインとして使用されるべき格子に対する、推奨される被覆のマトリックスを提供する。
【００３８】
本発明の特定の実施例が示されて説明されてきた一方、当業者にとって、本発明の広い面の中から離れることなしに、変更と修正が為され得ることが明白である。例えば、当業者は、酸素フリーの、密なアルミニウム被覆を生成するために、真空蒸発以外の方法が使用され得ることを理解するであろう。本発明の２つの重要な目的、即ち表面保護と反射率の増加、を達成するために、多くの異なった種々の厚さの層の組合わせが利用され得る。アルミニウム被覆に対する好ましい厚みは、約50ｎｍから約200ｎｍまでであるか、あるいは、図１２に示されるような、それぞれ150ｎｍの２つの密な被覆が使用され得る。説明したように、単一のMgF2層は、SiO2とAl2O3のいずれかの層と置換され得る。また、GdF3あるいはAlF3のような他の類似の被覆が使用され得る。好ましくは、保護層あるいは複数の保護層のトータルの厚みは、格子の反射面の幅の10％より小さい。しかし、これらの範囲外の厚みが指定され得る。強力な紫外線光に暴露される表面に、良い被覆が為されることが最も重要である。図２及び３に示される格子について、その表面は短い、3.5ミクロンの表面である。上記のように議論されたテスト結果が、Littrow構成で配置された被覆材料回折格子とともに、３プリズム・ビーム・エキスパンダ（three-prism beam expander）及びビーム角度調整ミラーを含む波長選択モジュールを用いて得られた。しかし、当業者は、本発明によって製造された格子についての多くの他の応用を認識するであろう。それ故、添付の請求項はその視野の中に、本発明の真の精神と範囲内に入る、それらの全ての変更と修正を包含するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 真空蒸着チャンバの図。
【図２】 先行技術の複製格子の断面。
【図３】 本発明の実施例による被覆を持つ図２と同じ断面の図。
【図４】 図３の断面の拡大図。
【図５】 従来技術の格子と、被覆された格子の動作比較を示すテストデータのグラフ。
【図６】 密でない（non-dense）アルミニウム、そしてその後MgF2で被覆された先行技術の格子の不満足な動作を示すグラフ。
【図７】 密な（dense）アルミニウム層及びMgF2で被覆された格子を用いた動作データ。
【図８】 改善された反射を狙って設計された４層保護被覆。
【図９Ａ】 保護被覆を通した反射における位相。
【図９Ｂ】 保護被覆を通した反射における位相。
【図９Ｃ】 保護被覆を通した反射における位相。
【図１０】 193ｎｍ紫外線環境での、ミラーでのMgF2,SiO2及びAl2O3被覆のテスト結果。
【図１１】 MgF2,SiO2及びAl2O3被覆についての、被覆厚さの関数としての反射。
【図１２】 模範的保護層の厚さを示す表。
Claims (8)
- 反射面を規定する溝を有する格子表面を規定する回折格子の複製を被覆するための方法であって、
Ａ．真空チャンバ内に上記複製を配置して、当該チャンバ圧を１０-6torrより小さく減少させ、そして、
Ｂ．チャンバ圧を１０-6torrより小さく維持する間、少なくとも１つのアルミニウムの被覆反射層を上記格子表面上に成長させ、
Ｃ．チャンバ圧を１０-6torrより小さく維持する間、アルミニウムの上記被覆層上に、Al2O3を含む保護層を成長させ、
Ｄ．上記複製を、193nm以下の波長でレーザ放射(radiation)を生成するガス放電レーザ(gas discharge laser)の中に設置する
ステップを含み、
Al2O3の上記保護層が、動作波長において２πの整数倍の位相シフトをもたらすように選択された厚さを有する、前記方法。 - 前記アルミニウムの上記被覆層の上に保護層を成長させるステップが、MgF2の層およびAl2O3の層を含む２つの層を成長させることを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記アルミニウムの上記被覆層の上に保護層を成長させるステップが、SiO2の層およびAl2O3の層を含む２つの層を成長させることを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記アルミニウムの上記被覆層の上に保護層を成長させるステップが、MgF2層の第１の層、Al2O3層の第１の層、MgF2の第２の層、および、Al2O3の第２の層、を含む４つの層を成長させることを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記アルミニウムの上記被覆層の上に保護層を成長させるステップが、SiO2の第１の層、Al2O3の第１の層、SiO2の第２の層、および、Al2O3の第２の層、を含む４つの層を成長させることを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記アルミニウムの上記被覆層の上に保護層を成長させるステップが、各々が動作波長において２πの整数倍の位相シフトをもたらすように選択されたそれぞれの厚さを有するMgF2の層およびAl2O3の層を成長させることを含む、請求項２に記載の方法。
- 前記アルミニウムの上記被覆層の上に保護層を成長させるステップが、各々が動作波長において２πの整数倍の位相シフトをもたらすように選択されたそれぞれの厚さを有するMgF2の第１の層、Al2O3の第２の層、MgF2の第３の層、およびAl2O3の第４の層、を成長させることを含む、請求項４に記載の方法。
- 反射面を規定する溝を有する格子表面を規定する回折格子の複製を被覆するための方法であって、
Ａ．真空チャンバ内に上記複製を配置して、当該チャンバ圧を１０-6torrより小さく減少させ、そして、
Ｂ．チャンバ圧を１０-6torrより小さく維持する間、少なくとも１つのアルミニウムの被覆反射層を上記格子表面上に成長させ、
Ｃ．チャンバ圧を１０-6torrより小さく維持する間、アルミニウムの上記被覆層上に、Al2O3を含む保護層を成長させ、
Ｄ．上記複製を、193nm以下の波長でレーザ放射を生成するガス放電レーザの中に設置する
ステップを含み、
上記被覆の上に成長させられるいずれかの対応する保護層の厚さが、回折格子によって回折される光の波長、および、対応する保護層の材料の屈折率、に関し、動作波長において２πの整数倍の位相シフトをもたらすように選択される
ステップを更に含む、前記方法。
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