摘要

193nm ArF 準(zhǔn)分子激光器作為深紫外波段的重要光源 ，在集成電路光刻 、激光醫(yī)學(xué)及精密材料加工等領(lǐng)域具有不可替代的應(yīng)用價值 。然而 ，該波段激光光子能量高達(dá) 6.4 eV ，遠(yuǎn)超多數(shù)光學(xué)材料的吸收帶隙，加之脈沖能量密度非常高，光學(xué)元件的激光誘導(dǎo)損傷已成為制約系統(tǒng)性能與壽命的核心瓶頸。本文從損傷機理 、影響因素與提升策略三個層面 ，系統(tǒng)梳理 193nm 準(zhǔn)分子激光器光學(xué)元件損傷特性的研究進(jìn)展。分析表明 ，193nm 激光對光學(xué)薄膜 、窗口材料及反射鏡的損傷受基底材料、鍍膜工藝、環(huán)境氣氛及脈沖參數(shù)等多因素耦合影響，氟化物材料體系因?qū)捊麕匦远憩F(xiàn)出相對優(yōu)勢 ，而保護(hù)層工藝與新型沉積方法可顯著提升損傷閾值。本綜述旨在為高功率 193nm 激光系統(tǒng)的光學(xué)元件選型與損傷防護(hù)設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞 ：193nm 準(zhǔn)分子激光；激光誘導(dǎo)損傷；光學(xué)薄膜；損傷閾值；氟化物

1  引言

193nm ArF 準(zhǔn)分子激光器憑借其短波長 、高光子能量和超紫外輻射特性， 已成為半導(dǎo)體光刻技術(shù)的主流光源，并逐步取代了基于汞燈的傳統(tǒng)光源。在該波段，激光與物質(zhì)相互作用以光化學(xué)反應(yīng)為主導(dǎo)，能夠?qū)崿F(xiàn)亞微米級的精密加工，這一特性既構(gòu)成其應(yīng)用優(yōu)勢，也成為光學(xué)元件損傷的根源。

隨著光刻分辨率要求不斷提升 ，193nm 激光器的輸出功率與脈沖能量持續(xù)增加 ，光學(xué)薄膜 、窗口材料及反射鏡等元件的損傷問題日益突出。損傷不僅導(dǎo)致光束質(zhì)量劣化和能量損耗，更直接影響系統(tǒng)的可靠性與使用壽命。因此 ，深入理解 193nm 激光誘導(dǎo)損傷的機理 、規(guī)律與抑制方法 ，對推動深紫外光刻技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

本文基于國內(nèi)外相關(guān)研究成果，系統(tǒng)綜述193nm 準(zhǔn)分子激光器光學(xué)元件損傷特性的研究現(xiàn)狀。

第 2 節(jié)分析損傷的物理機理與特殊性；第 3 節(jié)梳理影響損傷閾值的關(guān)鍵因素；第 4 節(jié)總結(jié)損傷閾值提升的技術(shù)路徑；第 5 節(jié)給出結(jié)論與展望。

2.1 準(zhǔn)分子激光器及損傷測量原理

2.1.1 準(zhǔn)分子激光器原理：

準(zhǔn)分子激光器的核心原理是利用惰性氣體和鹵素氣體混合物在激發(fā)狀態(tài)下形成短壽命的準(zhǔn)分子， 當(dāng)其躍遷至基態(tài)時釋放紫外光。

1.   氣體激勵 ：通過強電子束或快速脈沖放電激發(fā)混合氣體（如氟和氬），使惰性氣體原子處于激發(fā)態(tài)。這種激發(fā)態(tài)促使惰性氣體與鹵素原子結(jié)合 ，形成準(zhǔn)分子（如 ArF 、KrF） ;在工程上 ，還會充入大量的緩沖氣體（如氖氣  Ne 或氦氣  He）。緩沖氣體的主要作用是充當(dāng)散熱介質(zhì) 、維持放電均勻性 ，并協(xié)助將惰性氣體激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)。

2.   粒子數(shù)反轉(zhuǎn) ：基態(tài)的準(zhǔn)分子極其不穩(wěn)定 ，其壽命極短（通常在皮秒量級） ,所以自然形成激發(fā)態(tài)準(zhǔn)分子的壽命天然遠(yuǎn)長于基態(tài);也就是說準(zhǔn)分子的極其容易實現(xiàn)上能級粒子數(shù)遠(yuǎn)多于下能級的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。這種反轉(zhuǎn)使得受激輻射更容易發(fā)生 ，從而產(chǎn)生激光。

3.   激光發(fā)射：當(dāng)準(zhǔn)分子從激發(fā)態(tài)躍遷回不穩(wěn)定的基態(tài)時，釋放出紫外波段的高能光子，波長通常在 193-351 納米之間。這一過程中 ，準(zhǔn)分子解離為原始原子 ，在工程上會采用脈沖放電激發(fā)，所以準(zhǔn)分子激光同樣以脈沖形式輸出。

2.1.2 準(zhǔn)分子激光器損傷實驗原理

實驗系統(tǒng)如圖 2 所示，主要由 193 nm ArF  準(zhǔn)分子激光器 、激光能計 、光束質(zhì)量分析儀 、聚焦透鏡 、衰減片 、分光鏡與二維移動平臺等組成。

圖 2 準(zhǔn)分子激光器損傷實驗原理圖

2.2 193nm 激光誘導(dǎo)損傷的機理與特殊性

與紅外或可見光波段的熱效應(yīng)損傷不同 ，193nm 深紫外激光與材料相互作用以光化學(xué)反應(yīng)為主導(dǎo)。該波段光子能量足以直接打斷有機分子及部分無機材料的化學(xué)鍵，導(dǎo)致材料分解、揮發(fā)或結(jié)構(gòu)性破壞。以角膜組織為例 ，193nm 激光每個脈沖可精確消融 0.2~0.25 μm 厚度的生物組織 ，其損傷機理經(jīng)電子顯微鏡觀察確認(rèn)為“光化學(xué)反應(yīng)"而非熱凝固。

對于光學(xué)薄膜材料，193nm 激光誘導(dǎo)損傷的機理更為復(fù)雜。研究指出，氟化物薄膜（如 LaF3、 MgF2）在 193nm 輻照下的損傷行為與薄膜制備工藝、缺陷密度及膜層界面狀態(tài)密切相關(guān)。高光子能量可直接激發(fā)材料中的電子躍遷， 引發(fā)色心形成 、結(jié)構(gòu)缺陷增殖乃至宏觀開裂。

2.2.2 193nm 波段的特殊性

與其他準(zhǔn)分子激光波段（如 248nm KrF 、308nm XeCl）相比 ，193nm 激光的損傷效應(yīng)呈現(xiàn)獨特性。體外細(xì)胞實驗表明，193nm 輻照導(dǎo)致的細(xì)胞毒性低于基于 DNA 吸收光譜的預(yù)測值，其致突變性也弱于 248nm 。研究者認(rèn)為 ，這可能是由于 193nm 激光被細(xì)胞表面蛋白質(zhì)強烈吸收， 削弱了其對細(xì)胞核 DNA 的直接作用。然而 ，這一“相對安全"特征對光學(xué)材料并不適用——恰恰因為幾乎所有材料對 193nm 輻射都有強吸收 ，光學(xué)元件的損傷閾值普遍偏低。

環(huán)境因素進(jìn)一步加劇了 193nm 光學(xué)元件的損傷風(fēng)險。在激光腔內(nèi)測試時 ，介質(zhì)反射鏡的損傷閾值較空氣中測試平均降低約 20%， 歸因于輻照面積增大導(dǎo)致的缺陷概率增加 、X 射線輻射以及含氟氣體環(huán)境的化學(xué)侵蝕。

3 光學(xué)元件損傷的影響因素

基底材料的光學(xué)性能與熱物性顯著影響元件整體抗損傷能力。對于透鏡而言在 193nm 波段， CaF2 與 MgF2基底的損傷閾值比石英基底高出約 60%。且 DUV 透射率遠(yuǎn)超石英，是 DUV 透鏡的好選擇。

對于深紫外反射鏡的考量點在于：反射鏡表面的增反膜主要承擔(dān)抗損傷能力，而基底材料主要承擔(dān)散熱能力 ，所以高熱導(dǎo)率且便宜的硅相比石英更適合做反射鏡的基底材料。

3.2 薄膜材料與鍍膜工藝

薄膜材料的選擇直接決定反射鏡與增透膜的損傷閾值。不同膜系在 193nm 的損傷閾值差異顯著（表 1）：

3.3 脈沖參數(shù)與環(huán)境氣氛

激光脈沖寬度 、重復(fù)頻率及環(huán)境氣氛對損傷閾值亦有重要影響。193nm ArF 激光器典型脈沖寬度都在納秒級，腔外測試與腔內(nèi)測試的損傷閾值差異體現(xiàn)了環(huán)境氣氛的顯著作用。含氟氣氛對石英窗口增透膜的侵蝕效應(yīng)尤為突出 ，而對 MgF? 、CaF?等氟化物材料則影響較小。

4 損傷閾值提升策略

在光學(xué)薄膜表面鍍制保護(hù)層是提升 193nm 元件損傷閾值的有效手段。研究表明 ，在反射鏡表面鍍制λ/2 厚度的 MgF?保護(hù)層 ，可將損傷閾值提高 2 倍以上。保護(hù)層的功能在于隔離環(huán)境氣氛的化學(xué)侵蝕， 同時抑制表面缺陷處的電場增強效應(yīng)。

4.2 新型沉積技術(shù)-熱離子沉積法

傳統(tǒng)熱蒸發(fā)鍍膜因膜層疏松、缺陷密度高，限制了損傷閾值的進(jìn)一步提升。熱離子沉積法通過提高沉積粒子能量，可獲得接近塊體材料密度的膜層，顯著改善鋁鏡的紫外光學(xué)強度。對于介質(zhì)膜，離子輔助沉積等技術(shù)的引入也有望減少膜層吸收與缺陷。

4.3 材料體系優(yōu)化

LaF?/MgF? 高反射膜體系在 193nm 展現(xiàn)出 2.7 J/cm2 的損傷閾值 ，是目前報道的較優(yōu)水平 。 Nd F?/NaAlF?體系同樣表現(xiàn)出高損傷閾值和良好的化學(xué)耐久性。氟化物材料因?qū)捊麕匦裕ㄎ者呥h(yuǎn)短于 193nm），在深紫外波段具有天然優(yōu)勢 ，是未來高功率 193nm 光學(xué)元件的重要發(fā)展方向。

5 結(jié)論與展望

193nm ArF 準(zhǔn)分子激光器的光學(xué)元件損傷是限制系統(tǒng)性能提升的關(guān)鍵瓶頸。本文綜述表明：

1.    193nm 激光損傷以光化學(xué)機理為主導(dǎo) ，其特殊性在于幾乎所有材料對該波段均有強吸收 ，導(dǎo)致?lián)p傷閾值普遍偏低。

2.   基底材料 、薄膜體系 、鍍膜工藝及環(huán)境氣氛是影響損傷閾值的主要因素，氟化物材料體系（如LaF?/MgF? 、CaF? 、MgF?） 因?qū)捊麕匦远憩F(xiàn)出更優(yōu)的抗損傷性能。

3.   保護(hù)層工藝 、新型沉積技術(shù)及材料體系優(yōu)化可將損傷閾值提升 2 倍以上 ，但目前 193nm 高反鏡的實用損傷閾值仍普遍在 1~3 J/cm2量級。

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