[发明专利]环境稳定性深紫外光学薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于深紫外光学技术应用领域，涉及一种具有环境稳定性的深紫外光学薄膜及其制备方法。

背景技术

近年来，以ArF准分子激光和200nm以下波长自由电子激光为代表的深紫外光学应用获得了长足的发展，其中ArF准分子193nm激光在包括材料精细微加工、深紫外光刻、材料处理、激光打标等在内的激光工业应用，准分子激光医疗，以及科学研究等诸多领域都获得了十分广泛重要的应用，深紫外光学相关技术的研究具有重大的社会和经济价值。

深紫外激光光学系统与应用的不断发展对深紫外光学薄膜元件性能及长期稳定性要求都提出了新的挑战。深紫外光学薄膜研究面临的根本问题是由于深紫外波段靠近大多数介质材料的禁带，本征吸收、杂质吸收、缺陷吸收等的存在使得只有极其少量的介质材料能够满足深紫外薄膜应用的需要。这些少量材料包括氧化物Al₂O₃、SiO₂，氟化物MgF₂、LaF₃、AlF₃等。薄膜材料选择的局限性进一步带来了对深紫外光学薄膜制备工艺的制约，例如针对氟化物，为了避免深紫外光学薄膜出现化学计量比失配而导致严重吸收，以及CaF₂衬底在高温时存在的应力大等问题，通常只能选择热舟蒸发制备工艺，且衬底的温度较低，尤其是对于氟化物薄膜和CaF₂衬底镀膜，低衬底温度热舟蒸发几乎是薄膜制备工艺的唯一选择。采用这种较低衬底温度的热舟蒸发制备工艺，可以得到吸收很小的深紫外光学薄膜，但同时也伴随光学薄膜内在结构不够致密、光学薄膜表面较粗糙。因此，这种采用较低衬底温度热舟蒸发工艺所制备的深紫外光学薄膜可以在应用的开始阶段很好地满足应用需要，但是随着应用时间的增加，由于光学薄膜内在结构不够致密和光学薄膜表面较粗糙所必然带来的吸附应用环境中的污染物质，使得深紫外光学薄膜的性能将很快退化。研究表明，这种深紫外光学薄膜性能退化，集中表现为深紫外光学薄膜内部及表面吸附有机污染物和水汽，进而导致深紫外光学薄膜的吸收显著增大。

为此，研究人员尝试了去除深紫外氟化物光学薄膜内部及表面吸附的有机污染物和水汽的有效方法，并发现采用UV光辐照深紫外光学薄膜是一种行之有效的方法。这种方法是基于紫外光对有机化合物的光敏氧化作用。虽然UV光辐照可以有效地去除光学薄膜表面吸附的有机污染物，然而在实际研究中也发现，经过UV光辐照后的深紫外光学薄膜，在空气等使用环境中会快速被有机污染物等重新吸附，其光学性能重新快速衰退到UV光辐照之前。因此，迫切需要在上述UV光辐照处理技术方法之外，寻找其它能有效解决深紫外氟化物光学薄膜存在的有机物吸附导致薄膜性能退化问题的方法，实现具有环境稳定性的深紫外光学薄膜。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种可以降低光学薄膜对有机污染物和水汽的吸附，且光学薄膜在应用波长范围的原有光谱性能不变或轻微变化的环境稳定性深紫外光学薄膜。

为了解决上述技术问题，本发明的环境稳定性深紫外光学薄膜包括镀膜光学基底、制备于镀膜光学基底上的氟化物膜层和制备于氟化物膜层上的氧化物膜层；所述氧化物膜层为SiO₂或Al₂O₃膜层，其聚集密度大于0.95，表面粗糙度小于0.2nm，光学厚度为四分之一中心波长的偶数倍。

氧化物膜层优选SiO₂膜层。

无论氟化物膜层为高反射膜、增透膜或偏振膜，SiO₂膜层的光学厚度2π/λ₀×ndcosθ均为λ₀/4的偶数倍。其中，n为SiO₂膜层的折射率，λ₀为氟化物膜层的中心波长，d为SiO₂膜层物理厚度，θ为氟化物膜层的入射角度；对于氟化物膜层为偏振膜时，n应该修正为相应偏振态的折射率。

本发明的环境稳定性深紫外光学薄膜由于是在氟化物膜层上制备有具有致密结构和低表面粗糙度的氧化物膜层，可以大大减小光学薄膜对有机污染物和水汽的吸附；并且氧化物膜层的光学厚度为四分之一中心波长的偶数倍，对于应用波长范围而言，光学薄膜的原有光谱性能不变或轻微变化。因此，本发明可以很好地解决深紫外氟化物薄膜制备，尤其是需要采用低衬底温度或热舟蒸发制备工艺时所导致的深紫外氟化物薄膜在使用环境中吸附有机污染物和水汽，出现的光学性能退化和不稳定性的问题，满足低温制备氟化物深紫外光学薄膜元件的需要。