真空紫外到深紫外波段基底材料的光学特性

　　基底是薄膜系统的要素之一,不同的光学特性要求对应不同的基底材料:波长越短,对应的透明基底材料越少。在真空紫外(VUV)到深紫外(DUV)波段(100~300 nm),波长的减小和电子能量的增大,大大限制了对基底材料的选择。有关真空紫外到深紫外波段基底材料的研究,国外已有不少文献报道[1-6],但因为晶体的特性与其生长、加工有很大关系,所以报道比较分散。到目前为止,国内还没有关于真空紫外到深紫外波段基底材料光学常数的相关报道。本文对真空紫外到深紫外基底材料的光学特性进行了研究,并对这些常用基底材料的使用范围和特点进行了一定的比较和分析。

　　1　弱吸收基底的光学常数计算

　　图1为倾斜入射时光束在基底的上下表面经过多次反射和透射的情况。光束通过弱吸收基底垂直入射时,基底的双面透射率为[7]

式中:T,R分别为基底的单面透射率及反射率;a为衰减因子,与基底的消光系数k的关系为

　　弱吸收材料的单面透射率T与反射率R,材料的折射率n,消光系数k的关系为

式中:n符合柯西色散公式n(λ)=A1+A2/λ2+A3/λ4;k符合指数色散公式k(λ)=A4exp(A5/λ)。

　　由以上分析可以看出,在基底厚度一定的情况下,T0(λ)=T(λ,A1,A2,A3,A4,A5),理论上只要知道了光谱曲线双面透射率T0(λ),任取5个点就可以求出系数A1,A2,A3,A4,A5的值,从而求出n和k的色散曲线。

　　2　真空紫外和深紫外基底材料的研究

　　由上述弱吸收基底光学常数的计算公式可知,只要知道了弱吸收基底的透过率,就可以利用光度法求出该基底的光学常数。为此,我们通过商用仪器Lambda900光谱仪(190~500 nm)和国家同步辐射实验室真空紫外光谱实验站(120~300 nm)测量了100~500 nm波段常用基底的透过率T0。在用Lambda900测量时,为防止空气中的水、氧气等对测量结果的影响,测量过程中充入高纯氮气,氮气流量在测量过程中保持在7~10 L/min。测量过程在真空室内进行,消除了空气中的水、氧气等对测量结果的影响。另外,为减小误差,我们结合光度法和模拟退火算法[8-10]来计算基底的光学常数。

　　2.1　紫外级融石英的研究

　　紫外级融石英(JGS1)是合成石英玻璃的一种,其特性是透紫外光谱良好,有优良的压电性能和光学性能,物理、化学性能稳定。图2是实验测得的JGS1在160~500 nm的透过率。

　　由图2可知,JGS1在180~500 nm范围内,有较好的透过率,而且硬的紫外级石英与软的氟化物晶体相比,具有便宜、易加工、表面光洁度高、平行度好等优点。在远紫外区应用中,在透过率允许的范围内,紫外级融石英是最理想的选择;但石英玻璃的透过率一般不大于92%,且一般只用于180 nm以上波段。图3是利用光度法和模拟退火算法计算所得的光学常数。