阅读说明：本技术 一种深紫外平板偏振分光镜及其设计方法 (Deep ultraviolet flat plate polarization spectroscope and design method thereof ) 是由 张伟丽 冯操 朱瑞 王建国 朱美萍 孙建 刘晓凤 沈雪峰 易葵 邵建达 于 2021-01-08 设计创作，主要内容包括：一种深紫外平板偏振分光镜及其设计方法,该偏振分光镜由基板及基板两面的偏振膜和增透膜三部分构成,其中偏振膜的膜系结构包括膜层应力调节层和偏振分光膜层；初始结构为：Air/(aHbL)～nM/Sub/HL/Air。本发明在非布儒斯特角度下实现深紫外波段高透过率和高消光比的同时,解决了氟化物多层薄膜张应力大导致的膜层龟裂难题,适用于ArF 0F级熔石英或紫外CaF-2基板,可实现入射角为65±1°,波长为180nm-220nm范围内的某一波长处p光透过率大于91％,消光比大于60:1,对于深紫外光学系统中的偏振控制以及系统轻量化设计有重要的意义。(A deep ultraviolet flat polarizing beam splitter and its design method, this polarizing beam splitter is formed by three parts of polarizing film and antireflection coating of base plate and base plate two sides, wherein the film system structure of the polarizing film includes membranous layer stress control layer and polarizing beam splitting membranous layer; the initial structure is as follows: Air/(aHbL) n M/Sub/HL/Air. The invention realizes high transmittance and high extinction ratio of deep ultraviolet waveband at non-Brewster angle, solves the problem of film cracking caused by large tensile stress of fluoride multilayer film, and is suitable for ArF 0F-grade fused quartz or ultraviolet CaF 2 The substrate can realize that the p-light transmittance at a certain wavelength within the range of the wavelength of 180nm-220nm is more than 91% and the extinction ratio is more than 60:1 when the incident angle is 65 +/-1 DEG, and has important significance for polarization control in a deep ultraviolet optical system and light weight design of the system.)

一种深紫外平板偏振分光镜及其设计方法

技术领域

本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种深紫外平板偏振分光镜及其设计方法。具体是180nm-220nm范围内的任一紫外波长的平板偏振分光镜。

背景技术

超大规模集成电路(VLSI)是现代一切高技术领域发展的基础。目前，集成电路已经从60年代的每个芯片上仅几十个器件发展到现在的每个芯片上可包含约10亿个器件，集成电路之所以能飞速发展，光刻技术的支持起到了极为关键的作用。每个新一代集成电路的出现，总是以光刻所获得的线宽为主要技术标志。而减小线宽的方法包括减小光源的波长，采用高分辨率的光刻胶，增大透镜半径，采用高折射率的介质，优化光学棱镜系统等。其中减少光源波长可以大幅度提高分辨率，也是光刻机分代的标志。曝光波长的发展经历了高压汞灯的g线(436nm)和i线(365nm)，KrF准分子激光器(248nm)，ArF准分子激光器(193nm)，并正向着极紫外(EUV)(13.5nm)方向发展。目前，193nm沉浸式光刻技术不仅是28nm节点的主流技术，也有望大规模应用于7nm节点光刻成产。

193nm光刻机中使用了大量的薄膜元件，其中偏振分光镜是将入射光分离成具有互相垂直偏振面的透射光和反射光的光学元件，在激光系统中经常用作光开关或光隔离元件。在激光系统中，尤其是紫外激光系统中，偏振分光镜的性能对整个激光系统有着至关重要的影响。目前在紫外激光系统中使用较多的包括α-BBO格兰激光棱镜、采用光胶的玻璃偏振分光棱镜或者平板偏振分光镜。

现有的玻璃偏振分光棱镜主要由一对45°直角棱镜组成，两个棱镜的斜面对接胶合或采用光胶而成，在紫外激光系统中，胶合的偏振分光棱镜在紫外几乎不能使用，常用的胶水几乎不透光，且光胶工艺复杂，不好光胶。

而深紫外平板偏振分光镜通过在基板上镀制深紫外平板偏振膜和背面的增透膜，在深紫外波段可实现高透过率和高消光比，同时深紫外平板偏振分光镜具有体积小、重量轻的优点，使用上述偏振分光镜的激光光学系统可以减少体积和重量，提高光学系统设计的灵活性。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种深紫外平板偏振分光镜及其设计方法，以解决深紫外波段的偏振分光的技术问题，减轻紫外激光光学系统的体积和重量，提高光学系统设计的灵活性。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案如下：

一方面，本发明提供一种深紫外平板偏振分光镜，其特点在于，由基板及基板两面的偏振膜和增透膜三部分构成，其中偏振膜的膜系结构包括膜层应力调节层和偏振分光膜层；初始结构为：Air/(aHbL)ⁿM/Sub/HL/Air，Sub表示基板，H和L分别代表光学厚度为λ₀/4的高低折射率材料，a和b分别为H和L层的系数，M为膜层应力调节层，n为偏振分光膜层(aHbL)的周期数。

所述的基板的材料包括熔ArF0F级石英或紫外CaF₂；所述的高折射率膜层的材料包括LaF₃，GdF₃或NdF₃；所述低折射率膜层的材料包括AlF₃或MgF₂；所述应力调节膜层的材料为SiO₂。

所述的紫外平板偏振分光镜的入射光的入射角为65±1°，波长为180nm-220nm范围内的某一波长处透过率大于91％，消光比大于60:1。

另一方面，本发明还提供一种深紫外平板偏振分光镜的设计方法，其特点在于，包括如下步骤：

(1)深紫外平板偏振分光镜中的偏振膜按如下步骤进行设计：

选定偏振膜初始结构Air/(aHbL)ⁿM/Sub，其中n为偏振分光膜层(aHbL)的周期数，数值在12-18之间；a和b分别为H和L层的系数，与材料折射率相关，数值在0.8-2之间；M为应力调节层，厚度为(aHbL)ⁿ膜堆厚度的1/3～1/2；

选定偏振膜的参考波λ₀，选择膜系结构所用基板材料，高折射率材料H和低折射材料L，应力调节层材料M；

根据偏振膜的技术指标要求设定优化目标值，包括使用波长、使用角度，p光和s光的透过率，根据目标值进行偏振膜的优化设计；

(2)深紫外平板偏振分光镜中的增透膜按如下步骤进行设计：

选定增透膜初始结构Sub/HLH/Air；

选定偏振膜的参考波λ₀，选择膜系结构所用基板材料，高折射率材料H和低折射材料L；

根据增透膜的技术指标要求设定优化目标值，包括使用波长、使用角度，p光透过率，根据目标值进行增透膜的优化设计；

(3)将优化后偏振膜和增透膜分别叠加到基板上，拟合计算深紫外平板偏振分光镜的透过率和消光比，若满足目标值，则完成设计，若不满足目标值，则返回步骤(1)。

所述参考波长λ₀为180nm-220nm之间的任一波长。

所述的优化设计是利用TFCalc、Macleod或Optilayer膜系设计软件完成。

通过选择不同的参考波长、高低折射率材料和膜堆周期数，可以调整偏振分光镜的分光波长和分光效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明制备的深紫外平板偏振分光镜，在深紫外波段可实现高透过率和高消光比，膜层无龟裂问题，同时深紫外平板偏振分光镜具有体积小、重量轻的优点，使用上述偏振分光镜的激光光学系统可以减少体积和重量，提高光学系统设计的灵活性。

附图说明

下面参照附图结合实例对本发明做进一步地说明。

图1为本发明深紫外平板偏振分光镜的结构示意图。

图2为本发明深紫外平板偏振分光镜的设计透射曲线。

图3为本发明实施例的深紫外平板偏振分光镜的实测透射曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本实施例提出了深紫外平板偏振分光镜的设计方法，其中包含以下步骤：

确定所述偏振分光镜的基本结构如图1所示：基板上镀制膜层应力调节层，再在该层上镀制偏振分光膜；基板背面镀制增透膜；

选择使用波长为193.4nm，使用角度为65±1°；

选择基板为ArF0F级熔石英，高折射率膜层材料为LaF₃，低折射率膜层所用材料为AlF₃，并使用SiO₂作为应力调节层；

选择Air/(aHbL)ⁿM/Sub作为偏振膜膜系初始结构，并使用选择的基板、高折射率膜层材料、低折射率膜层材料，对膜系进行相应的设计和优化，优化设计后的膜系结构如下：

Sub/12.5M1.17L1.00H1.14L0.97H1.11L0.95H1.09L0.93H1.08L0.92H1.07L0.92H1.07L0.92H1.07L0.92H1.08L0.93H1.09L0.95H1.11L0.97H1.13L0.99H1.16L1.02H1.19L1.24H/Air；

选择Sub/HLH/Air作为增透膜的初始结构，并使用与偏振膜相同的使用波长、使用角度、基板材料、高低折射率材料，对膜系进行相应的设计和优化，优化后的增透膜膜系结构为：Air/6.18H/6.18L6.18H/Sub；

将偏振膜和增透膜同时加入基板的两个面，模拟计算偏振分光镜的透过率和消光比。

本发明的平板偏振膜的设计曲线如图2所示，设计结果为：深紫外平板偏振分光膜在65±1°入射角下，在193.4nm处，P偏振分量的透射率大于91％，S偏振分量的透射率小于1.5％，消光比大于60:1。

根据上述优化后的膜系镀制在ArF0F级熔石英基板上，采用电子束蒸发和电阻热蒸发镀膜工艺。

镀制结束后采用深紫外光谱仪进行检测，测试环境为高纯N₂，透射曲线见图3。由图3可得到在65±1°入射角下，在193.4nm处，P偏振分量的透射率大于91％，S偏振分量的透射率小于1.5％，消光比大于60:1，即所镀制的深紫外平板偏振分光镜与理论设计相符合。

本发明提出的深紫外平板偏振分光镜设计方法，在镀膜平板两侧分别设计偏振膜和增透膜，将多层偏振分光膜和膜层应力调节层通过折射率和膜层厚度的优化设计，在非布儒斯特角度下实现深紫外波段高透过率和高消光比的同时，解决了氟化物多层薄膜张应力大导致的膜层龟裂难题。该设计方法提供的平板偏振分光镜，适用于ArF 0F级熔石英、紫外CaF₂基板，可实现入射角为65±1°，波长为180nm-220nm范围内的某一波长处p光透过率大于91％，消光比大于60:1，对于深紫外光学系统中的偏振控制以及系统轻量化设计有重要的意义。

以上所述为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，可以做膜系调整，或者采用磁控溅射、离子束溅射、原子层沉积等其他镀膜工艺来实现，这调整和变形也应视为本发明的保护范围。