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用于极紫外实验的多层膜镀膜技术

2021-01-04 10:59:42 38


EUV多层膜是为像高次谐波应用这样的实验设计和制作的。在本文中,我们将展示适用于8nm -50nm波段的 Ru/B4C 、 Mo/Si、 Zr/Al Si和 SiC/Mg 多层膜的最新成果。这些多层膜都容易根据实验的具体要求定制参数,包括入射角、峰值波长和带宽。


01

引言

不论是对基础研究还是工业领域来说,EUV光源都是很强大的工具。高次谐波(HHG)和X射线自由电子激光(XFELs)被用于许多超快和高强度的的光学实验。在工业领域,等离子体光源实现了将EUV光刻和EUV检测作为大批量生产的工具。从1976年EUV多层膜的首次出现开始,到今天多层膜的研究和开发取得了较大的进展。尤其是Mo/Si多层膜在13nm波长附近的峰值反射率超过了60%。且Mo/Si多层膜具有高耐热性、窄带和宽带性能也已经被证实。此外,许多其他的多层膜也相继问世,如应用于波长大于25nm的基于Mg和Sc的多层膜,用于8nm-12nm波段的Mo的多层膜。


在本文中,会介绍NTT-AT最近研制的用于8nm-50nm波段的EUV多层膜。45度入射角的Ru/B4C多层膜有可能被用作研究磁性材料性的反射偏振器。用于约13.5 nm波段的高反射率的Mo/Si,窄带MoSi2/Si和宽带Ru/Si多层膜将用于EUV光刻等相关应用在超过17 nm波段的窄带Zr/Al-Si和SiC/Mg多层膜可以从高次谐波离散谱中分离出单次谐波谱,而宽带Mo/Si多层膜将用于阿秒科学实验。

02

 8-12nm波段适用的多层膜

Ru和B4C被选作了8-12nm波段的多层膜涂层材料。图1给出了Ru/B4C多层膜的计算反射率,并与其他材料组合进行了比较。每中多层膜都针对峰值波长(a) 8 nm、(b) 10 nm和(c) 12 nm进行了优化,同时入射角为0度。这个计算结果是假设材料表面未氧化且层间光滑,也假设了大部分的光学常数。从图中可以看出,虽然Pd/B4C多层膜在8 nm和10 nm波段的反射率略高于Ru/B4C多层膜,但在波长12 nm附近,Ru/B4C的反射率较高。这是因为虽然在较长的波长处,Pd的吸收系数有所增加,但是在波长12 nm附近,Ru的吸收系数仍然很低。这意味着Ru/B4C多层膜的涂层设计更加灵活。此外,Ru的材料价格比Pd更加稳定。因此,尽管在8-12nm波段已经有过Pd/B4C的多层膜,NTT-AT还是选择了以Ru和B4C作为一种新的多层膜材料组合。


图2显示了Ru/B4C多层膜的实测反射率曲线。该曲线是在劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源BL 6.3.2上测量得到的。它与假设层间粗糙度为 0.4 nm的模拟曲线具有良好的一致性。峰值反射率为33%,与传统的Pd基多层膜相当。该45度多层膜的p偏振反射率大约为0.1%,不仅可以作为反射镜或聚焦镜,还可以作为反射偏光片。


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图1. Pd/B4C(蓝线)、Ru/B4C(红线)和Mo/B4C(绿线)多层膜的反射率;(a) 8 nm、(b) 10 nm和(c) 12 nm。

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图2. 设计用于在入射角为45°,峰值波长为8.8 nm时的Ru/B4C多层膜(蓝点)的反射率谱图,红线为假设层间粗糙度为0.4 nm时的的模拟反射率。

03

波长13.5nm适用的多层膜

对于大于硅L边(约12.4 nm)的波长区域,硅已经被用作低折射率的多层膜材料。Mo/Si多层膜是用于13.5 nm波长附近最标准的多层膜之一。这种镜子被广泛应用于EUV光刻、天文学和阿秒科学等领域。图3是NTT-AT所制造的标准Mo/Si多层膜的反射率测量结果。正常入射角下的反射率接近70%,45度入射角的反射率约为65%。覆盖层的作用是防止氧化、污染和离子辐照,阻挡层的作用是提高多层膜的耐热性。NTT-AT有几种用作覆盖层和阻挡层的材料,如Ru、B4C、C、TiO2和MoSi2/Si。


MoSi2/Si是适用于13.5 nm左右的窄带多层膜镜,而Ru/Si多层膜在该波长附近具有较宽的带宽。图4(a)和(b)将窄带MoSi2/Si多层膜和宽带Ru/Si多层膜的模拟反射率曲线与Mo/Si多层膜的模拟反射率曲线进行了对比。虽然Mo/Si多层膜也经过改良已适用于窄带反射和宽带反射,但MoSi2/Si和Ru/Si多层膜分别对窄带反射和宽带反射展示出了更好的性能。


图3. Mo/Si多层膜反射率实测图

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入射角为6°

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入射角为45°


图4. MoSi2/Si窄带多层膜和Ru/Si宽带多层膜的反射率(假设层间粗糙度为0.7 nm)

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04

17nm-25nm波段适用的多层膜

在波长大于17nm的范围内,Al是一种广为人知的的低吸收材料。铝薄膜滤光片是一种能从可见光中分离出高次谐波谱的标准光学元件。针对同步辐射应用,铝薄膜滤光片用于从EUV光栅的高阶衍射中分离出一阶衍射。另一方面,有关Al多层膜的研究很有限。这是因为Al很容易氧化和结晶。氧化和结晶都会导致多层膜的反射率下降,因此在这个波段内NTT-AT采用了更稳定的Si基的多层膜,尤其是Mo/Si多层膜。但是由于Mo和Si的吸收问题,使用这些材料组合很难获得足够高的反射率。NTT-AT在17nm - 25nm的波段提供了基于Hypereutectic Al-Si多层膜的窄带高反射镜。过共晶铝硅作为一种高导热性、高强度的材料,在力学工程领域用途很广,与纯铝多层膜相比,Hypereutectic Al-Si多层膜可能更具优势。


图5分别为Zr/Al-Si、C/Al-Si和Y/Al-Si多层膜的模拟反射率曲线。在计算时,NTT-AT将铝硅的占比分别规定为0.7和0.3,该值大于共晶点(Si为12.7%)。计算得到的Zr/Al-Si高反射率、窄带和宽带多层膜的反射率曲线如图6所示,并与Mo/Si多层膜进行了比较。


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图5. Zr/Al-Si(蓝线)、C/Al-Si(红线)和Y/Al-Si(绿线)的模拟反射率

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图6.  (a) (d)高反射率、(b) (e)窄带反射率和(c) (f)宽带反射率Zr/Al-Si(蓝线)和Mo/Si(红虚线)多层膜的计算反射曲线。(a)、(b)和(c)AOI=0℃,(d)、(e)和(f)AOI=45℃。


注:图5和图6中的计算是假设在像表面无氧化、层间光滑等理想情况下的得到的。


窄带Zr/Al-Si多层膜在入射角为45度时的反射率测量结果如图7所示,峰值波长为(a) 18 nm和(b) 21 nm。表面氧化和层间粗糙度大约为4nm和0.5 nm。该窄带镜在18 nm处的反射率峰值为45%,带宽(半峰全宽FWHM)为0.7 nm,在21 nm处的反射率峰值为34%,带宽(半高全宽FWHM)为0.8 nm。

图7. Zr/Al-Si多层膜在入射角为45°时的反射率

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18nm优化

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21nm优化

05

25nm-50nm波段适用的多层膜

25 nm - 50 nm波段对于高次谐波、天文学、x射线激光以及其他应用来说都非常重要。特别是高次谐波,如阿秒动力学测量、角分辨光电子能谱和双光子吸收等基础材料。


SiC/Mg多层膜已用于窄带高反射镜。与Mo/Si和B4C/Mo/Si等其他材料组合的多层膜相比,SiC/Mg多层膜具有带宽窄的优点。在高次谐波实验特别是单级次分离实验中,这一点特别重要。图8是经测量的SiC/Mg多层膜反射镜的反射率曲线。峰值波长为42.1 nm,峰值反射率为51%,半峰全宽FWHM为3.0 nm。带宽(2.15 eV)足够窄,就可以将3.1eV的单阶谐波光从将800nm泵浦光中分离出来。


另一方面,Mo/Si的宽带多层膜也出现了。可以通过优化每层的厚度、层数量和覆盖层,来控制带宽和反射范围以满足不同的应用。采用两种不同周期长度叠加的多层膜可以扩大带宽,特殊覆盖层的设计可以将反射拓展到全反射范围。图9给出了(a)两区块多层膜和(b)拖影增强覆盖层多层膜的设计反射率曲线。这些多层膜只有有限的层数(通常少于20层),而且层结构简单,因此,这些多层膜的光谱相位几乎是线性的。因此,这些宽带多层膜可用于需要在sub-100区域进行脉冲持续时间测量的区域的各种应用中。

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图8. SiC/Mg窄带多层膜反射率的实测结果;入射角为6度

图9.  Mo/Si宽带多层膜的反射率(蓝线)和反射相位(红虚线),6度入射

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两块多层膜

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指定覆盖层

06

结论

在本文中,我们展示了各种高反射率、窄带和宽带的多层膜。在8nm - 12nm波段,Ru/B4C表现出良好的性能;在13.5 nm波长附近,Mo/Si、MoSi2/Si和Ru/Si表现出不同的性能。对于20nm甚至大于25nm的波段,Zr/Al-Si多层膜是有用的,窄带SiC/Mg和宽带Mo/Si将根据应用进行选择。这些多层膜结构被广泛应用于各种研究领域,如高次谐波、天文学、等离子体物理学和EUV光刻等。

07

应用实例

NTT 定制 EUV/X-ray 光学元件:

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参考文章:

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