一种极紫外高反射率的钯/钇多层膜反射镜的制备方法

摘要

本发明涉及一种极紫外高反射率的钯/钇多层膜反射镜的制备方法，包括以下步骤：1)在镀膜溅射真空腔内的样品架上设置一基底，该基底的表面粗糙度为0.2纳米以下；2)在所述镀膜溅射真空腔内充入由高纯氩气和高纯氮气混合而成的混合工作气体；3)开启直流磁控溅射电源，执行钯靶材和钇靶材的预溅射；4)将设置有基底的样品架重复交替转到钯靶材和钇靶材上方的溅射区域，控制样品架的停留时间或运动速度，完成钯膜层和钇膜层交替的钯/钇多层膜反射镜的镀制。与现有技术相比，本发明制备的钯/钇多层膜成膜质量和反射率都有明显提高，该方法工艺重复性好，可控性强，在高效率极紫外多层膜元件和相应光学系统领域有重要应用。

说明书

技术领域

本发明属于光学薄膜技术领域，涉及一种多层膜反射镜的制备，尤其是涉及 一种极紫外高反射率的钯/钇多层膜反射镜的制备方法。

背景技术

极紫外软X射线和X射线多层膜反射镜在极紫外光刻、天文观测、等离子体 诊断等领域得到广泛的应用。Mo/Si多层膜成为12.5-25nm波段具有较高的反射率 和稳定性，但由于Si的L吸收边位于12.4nm处，使得Mo/Si多层膜并不适用于 12.4nm以下波段。8-12nm的极紫外波段在天文观测、等离子体诊断和自由电子激 光领域有广泛应用。太阳光谱中的极紫外波段有许多高电离硅、氧、铁等元素的重 要谱线，包括FeXVIII(9.4nm)、SiVI(9.9nm)、OVIII(10.2nm)等。位于9.4nm 处的FeXVIII线，是对太阳色球和日冕间过渡层和耀斑活动研究很重要的谱线之 一。极紫外自由电子激光装置例如德国的FLASH和中国正在建设的上海自由电子 激光也需要该波段高反射率的反射镜。8-12nm波段的多层膜，主要以B4C基和钇 基为主，通过计算对比Pd/Y、Mo/Y、Mo/B4C、Pd/B4C、La/B4C等多种组合的正 入射理想反射率，其中钯(Pd)/钇(Y)多层膜在该波段理论反射率最高。

钯/钇多层膜虽然有很高的理论反射率，但是由于钯和钇易于反应生成化合物， 其界面扩散严重，使得实际制备出的钯/钇多层膜几乎难以形成层状结构，反射率 远低于理论值。这直接限制了8-12nm波段反射镜及相关光学系统的工作效率。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种极紫外高反 射率的钯/钇多层膜反射镜的制备方法，该方法与现有的薄膜制备工艺完全兼容， 且工艺重复性好，可控性强，在高效率极紫外多层膜元件和相应光学系统领域有重 要应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种极紫外高反射率的钯/钇多层膜反射镜的制备方法，包括以下步骤：

1)在镀膜溅射真空腔内的样品架上设置一基底，该基底的表面粗糙度为0.2 纳米以下，以保证较低的多层膜界面粗糙度；

2)在所述镀膜溅射真空腔内充入由高纯氩气和高纯氮气混合而成的混合工作 气体，调整镀膜溅射真空腔的腔内气压为0.2-0.3Pa，以保证真空腔内的混合气体 含量不低于反应临界值；

3)开启直流磁控溅射电源，执行钯靶材和钇靶材的预溅射，预溅射的时间为 20-30分钟；

4)将设置有基底的样品架重复交替转到钯靶材和钇靶材上方的溅射区域，控 制样品架的停留时间或运动速度，改变钯膜层和钇膜层的厚度，完成钯膜层和钇膜 层交替的钯/钇多层膜反射镜的镀制，镀制的同时持续充入混合工作气体。

所述基底为超光滑抛光的硅或玻璃。

所述步骤2)中，高纯氩气和高纯氮气的纯度均高于99.99％。

所述步骤2)中，混合工作气体的混合比例为9％-15％，所述混合比例指高纯 氮气分压占混合气体总压强的百分比。混合比例设定为9％-15％，可以保证氮气反 应钝化作用充分，且使镀制的结构具有较好的稳定性。

所述步骤4)中，混合工作气体的充入包括以下两种方式：

A)在镀制钯膜层和钇膜层时都充入混合工作气体；

B)在镀制钯膜层充入混合工作气体，在镀制每层钇膜层的开始和最后0.3-0.5 纳米时充入混合工作气体，在镀制每层钇膜层的中间部分膜层时充入纯氩气。这种 方式可以只对钯膜层和界面处起到钝化作用，以避免在钇层内生成过多氮化钇从而 进一步提高多层膜性能。

所述步骤3)中，钯靶材的直流磁控溅射电源功率为15W-25W，电压为 300V-350V；钇靶材的直流磁控溅射电源功率为15-30W，电压为250V-350V。

所述钯/钇多层膜反射镜中，由基底向上的第一层和最后一层均为钯膜层，所 述第一层和最后一层的膜厚度为2-3纳米。

所述钯膜层的厚度为1.0纳米-4.0纳米，钇膜层的厚度为1.5纳米-5.0纳米。

所述钯/钇多层膜反射镜中，钯膜层和钇膜层交替设置的膜对数为20-150对。

所述钯/钇多层膜反射镜为每个周期膜厚相同的周期多层膜或为由基底向上每 个周期膜厚逐渐变大的非周期多层膜。非周期多层膜可以增大常规周期膜的带宽， 以实现具有宽带响应的反射镜。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)使用具有较高混合比例的氮气和氩气的混合气体作为溅射时的工作气体， 充足的氮原子和电离后的氮离子优先与膜层和界面处的部分钇结合生成氮化钇，从 而抑制了钯钇化合物的形成和界面扩散，改善多层膜的界面。

(2)氮化钇和钯在界面的光学衬度在理论上仍可以实现较高的极紫外反射率， 加上较为清晰的物理界面，从而实现较高的实际反射率。

(3)使用混合气体代替传统的纯氩气，不会增加任何制备难度，与常规磁控 溅射设备完全兼容，且重复性和可控性高，适于实现多层膜反射镜实用元件的制作。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为传统镀制方法制备的20对钯/钇多层膜的X射线反射测量(XRR)曲 线；

图3为本发明方法制备的20对钯/钇多层膜的XRR曲线；

图4为本发明方法制备的80对钯/钇多层膜的XRR曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方 案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范 围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种极紫外高反射率的钯/钇多层膜反射镜的制备 方法，包括以下步骤：

步骤S1，在镀膜溅射腔内的样品架上设置一基底，该基底的表面粗糙度为0.17 纳米，可为超光滑抛光的硅。对镀膜溅射腔进行抽真空，抽到2×10^-4Pa以下，形 成镀膜溅射真空腔。本实施例选用超光滑抛光的硅，真空抽至8×10^-5Pa。

步骤S2，在镀膜溅射真空腔内充入由高纯氩气和高纯氮气混合而成的混合工 作气体，通过改变真空泵的抽气阀门大小，调整镀膜溅射真空腔的腔内气压为 0.25Pa，为预溅射做准备。

高纯氩气和高纯氮气的纯度均高于99.99％。混合工作气体的混合比例指高纯 氮气分压占混合气体总压强的百分比，本实施例中，混合比例为10％。混合工作 气体先在高压气瓶内混合后再充入镀膜溅射真空腔内，高压气瓶的总压强在 10-15Mpa。

混合工作气体通过同一流量计和管道充入镀膜溅射真空腔真空腔内。腔体口径 为0.5-1.0米，高度为0.5-1.0米，充入混合工作气体的流量保持在6-20sccm之间。 通过改变真空泵的抽气阀门大小，调整腔内气压到0.25Pa，等待10分钟，待气体 的气压和比例在腔内分布均匀。

步骤S3，开启直流磁控溅射电源，执行钯靶材和钇靶材的预溅射，预溅射的 时间为20-30分钟，靶材表面产生氩气和氮气混合气体的等离子体，通过预溅射将 钯靶材和钇靶材表面的氧化和污染物去除。钯靶材的直流磁控溅射电源功率为 15W-25W，电压为300V-350V；钇靶材的直流磁控溅射电源功率为15-30W，电压 为250V-350V。钯的沉积速率为0.2-0.3nm/s，钇的沉积速率为0.05-0.1nm/s。

步骤S4，将设置有基底的样品架重复交替转到钯靶材和钇靶材上方的溅射区 域，控制样品架的停留时间或运动速度，改变钯膜层和钇膜层的厚度，镀制过程中 持续充入混合工作气体，往复20次，完成20对钯/钇多层膜反射镜的镀制。此实 施例中钯和钇膜层镀制时都是充入混合气体。

钯/钇多层膜反射镜中，由基底向上的第一层和最后一层均为钯膜层，所述第 一层和最后一层的膜厚度为2-3纳米，以避免钇与基底和后续使用中与空气环境的 接触。本实施例镀制成的钯/钇多层膜反射镜中，钯膜层和钇膜层交替设置的膜对 数为20对，除所述第一层和最后一层外，钯膜层的厚度为2.0纳米，钇膜层的厚 度为3.0纳米，是每个周期厚度相同的周期多层膜。

制备钯/钇多层膜中20％-50％的钇原子和氮原子结合生成氮化钇，70％及以上 的钯原子仍以单质形态存在，钇化钯的生成被明显抑制；界面扩散区宽度减小到 0.9nm以下。钯/钇多层膜反射镜在极紫外波段的工作波长范围为λ＝7nm-12nm， 其正入射反射率最大值出现在λ＝9.5nm。

利用X射线掠入射反射测试(XRR)表征利用传统方法(采用纯氩气为溅射气 体)制备的钯/钇多层膜和利用本发明方法制备的钯/钇多层膜和的结构。如图2和 图3所示，使用传统方法制备的20对钯/钇多层膜，只能看到微弱的1级布拉格峰， 没有高级次的布拉格峰。说明传统镀制方法制备的20对钯/钇多层膜，膜层之间有 严重的扩散和化合，以致不同材料之间几乎没有形成物理界面。而用本发明方法制 备的掺氮比为10％的20对钯/钇多层膜，可以看到3级布拉格峰，且1级峰强度明 显增大。膜层界面宽度仅为0.8-0.9纳米。这说明本方法制备的钯/钇多层膜形成了 清晰的界面，结构质量大为提升。

实施例2

本实施例中，在步骤S4中，将样品架在钯靶材和钇靶材上方的溅射区域内分 别停留10秒和50秒，往复80次完成80对钯/钇多层膜的镀制，该钯/钇多层膜为 每个周期膜厚相同的周期多层膜。此实施例中钯和钇膜层镀制时都是充入混合气 体，混合比例为10％。

利用X射线掠入射反射测试(XRR)表征制备的80对Pd/Y多层膜，结果如图4 所示。反射曲线可以看到6个级次的明锐的布拉格峰，说明膜层界面清晰，成膜质 量好。该多层膜结构在9.5纳米极紫外波段具有25％以上的高反射率。