ArF激光薄膜抗激光损伤阈值与使用寿命预测研究

193nm波长ArF激光在光刻技术等领域中具有十分重要的应用，其相关技术成为激光应用研究的热点。光学薄膜元件激光损伤与使用寿命是限制193nm激光应用进一步发展的主要瓶颈。同时由于影响193nm激光薄膜元件损伤的因素很多，机理十分复杂，目前还没有形成建立有效的基本理论模型。本项目拟通过对薄膜各种特性及演化的综合测试表征，系统研究薄膜特性及其演变与薄膜损伤之间的关系，建立193nm激光薄膜元件损伤机理和使用寿命预测的理论模型。首先系统研究衬底表面质量、薄膜材料、制备方法及工艺参数、薄膜类型、激光参数、及使用方式等对193nm激光薄膜损伤的影响，进而建立损伤机理的理论模型；其次研究长期低能密度193nm激光辐射下薄膜特性演化的规律，建立针对193nm激光薄膜使用寿命预测的理论模型。本项目将缩小我国与国际在193nm激光薄膜研究的差距，促进我国193nm激光应用技术的发展。

193nm波长ArF激光应用正在日益发展，导致193nm激光薄膜损伤的因素涉及光学薄膜、激光参数及应用环境，这些因素相互交织和影响，使得193nm激光薄膜损伤机理非常复杂，极大地限制193nm激光研究和应用进一步发展。本项目较系统地开展了193nm激光薄膜元件的特性表征和损伤测试研究，主要研究内容包括：.1、根据193nm光学薄膜元件的损伤特点，完善了193nm激光薄膜损伤与寿命测试系统，创新利用在线显微成像和在线荧光成像等技术实现了对光学元件表面损伤实时演变的在线监测与表征，有效拓展了193nm光学元件损伤机理研究的技术手段。.2、系统开展了熔石英和CaF2光学基底吸收测试，研究了材料等级、激光能量密度、累积辐射剂量、重频等对光学基底吸收的影响。结果显示吸收与材料质量等级和加工工艺两个因素密切相关。.3、系统开展了CaF2光学基底的激光诱导荧光光谱研究。发现了与被辐照条件密切相关的不同类型发光缺陷中心，在线连续荧光光谱监测可以灵敏和动态地探测等离子体损伤荧光信号及其演变，为CaF2光学薄膜元件的损伤机理研究提供了更佳的手段。.4、创新地将膜层生长特性模型与椭偏光谱反演法结合起来精确解析深紫外薄膜薄膜光学常数；详细研究了沉积温度和速率对LaF3学薄膜性能的影响，获得了高性能的LaF3单层膜；在此基础上，优化制备了不同材料组合和膜系的HR膜、大角度入射AR膜和PR膜。.5、系统开展了1-on-1和S-on-1损伤阈值测试研究。结果显示，原始吸收和诱导吸收都不是影响光学基底损伤阈值的唯一主要因素；高反射薄膜损伤主要发生在最外几个膜层中，材料类型和吸收、电场优化分布以及应力对于HR膜抗激光损伤有重要影响；部分反射薄膜的损伤主要发生在外表层，透过率越高，样品越容易损伤，膜层内部吸收或缺陷、薄膜与衬底界面是其主要损伤因素。.6、开展了低能量密度激光长期辐射实验研究。结果显示，表面加工和清洗处理及累积辐射剂量对CaF2光学基底的使用寿命有决定影响，微区Raman和荧光光谱技术是探测CaF2光学基底被辐照表面缺陷的有效手段；PR膜长期辐射损伤为点烧蚀孔洞状，是由膜层表面与内部的点缺陷所导致，但是点缺陷类型、密度和分布随材料、工艺以及辐射条件显著变化；HR膜可以在低能量密度下连续运行亿次激光脉冲辐射，不会出现明显光谱性能退化，表明优化后的HR具有长期可靠性。