齊潤澤，張錦龍，黃秋實，張 眾，王占山

（同濟大學 物理科學與工程學院 精密光學工程技術研究所，先進微結(jié)構(gòu)材料教育部重點實驗室，上海市數(shù)字光學前沿科學研究基地，上海市全光譜高性能光學薄膜器件與應用專業(yè)技術服務平臺，上海 200092）

1 引 言

極紫外-真空紫外光學的快速發(fā)展中，多層膜反射鏡已成為極紫外顯微[1-4］、極紫外光刻[5-8］、極紫外發(fā)射光譜[9］、吸收光譜[10-11］和光電子譜[12-13］的關鍵元件，在材料分析[14］、等離子體診斷[15-16］、極紫外天文學[17-18］等領域得到了廣泛應用。

高性能極紫外-真空紫外光學元件是極紫外-真空紫外光學系統(tǒng)的核心，是極紫外-真空紫外光學應用的基礎。1972年，Spiller[19］提 出 通 過 兩種不同折射率材料交替生長的多層膜結(jié)構(gòu)，利用多界面反射光的相干疊加大幅提高極紫外-真空紫外波段正入射條件下的反射率。在干涉條件約束下，多層膜具有一定的光譜分辨能力。多層膜反射元件極大地推動了極紫外-真空紫外光學的發(fā)展及應用。

由于極紫外-真空紫外光波長較短，多層膜反射鏡的膜層厚度為納米量級，制備難度極大。超薄膜層材料在交替制備時產(chǎn)生的界面缺陷，使得極紫外-真空紫外薄膜元件的實際反射率遠低于理論反射率。國內(nèi)外大量研究表明，薄膜材料的相互擴散與化合、不規(guī)則結(jié)晶是形成界面缺陷的主要原因[20-22］。同濟大學光學精密與工程研究所在近二十年的研究過程中，有針對性地提出了引入界面阻隔層[23］、選擇不互溶材料[24］、反應濺射制備[25］和重離子濺射制備[26］等多種界面生長調(diào)控方法，有效地抑制了界面缺陷的形成，極大地提升了極紫外-真空紫外薄膜元件的實際反射率。

在半導體工業(yè)中，13.5 nm極紫外光刻極為重要。Mo/Si多層膜已被證明是這一波長下綜合性能最優(yōu)秀的反射膜材料，且在波長大于Si L吸收邊（12.5 nm）的區(qū)域，Mo/Si多層膜普遍具有不俗的表現(xiàn)，目前正射反射率接近70%[27-30］。Al基多層膜在17nm至更長波長有著廣泛的應用。Al中摻入1%的Si可抑制Al的結(jié)晶，提升Al/SiC的 成 膜 質(zhì) 量[31］。B4C阻 隔 層 材 料 可 抑 制Al/Mo之間的擴散[32］，制備出的新型Al/Mo/B4C薄膜在17.3 nm和28.2 nm的反射率分別為48%和27.5%，且在長時間存放后性能保持良好[33］。在25～34 nm波段，He II（30.4 nm）是天文觀測中重要的譜線，Mg/SiC多層膜在該波段展現(xiàn)了優(yōu)秀的光學性能，如何提升Mg基多層膜的時間穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性成為研究的重點[34-37］。Sc/Si多層膜可用在天文觀測領域中極為重要的Ne VII（46.5nm）線譜線，因為Sc活潑的化學性能，Sc/Si多層膜的時間穩(wěn)定性研究尤為重要[38］。50～90 nm波段包含Ne VIII（77/78 nm）、O V（76 nm）等多條譜線[39］，鑭系金屬是為數(shù)不多可以應用于這一波段的薄膜材料。熱蒸發(fā)制備的Yb/Al多層膜在80 nm波長處實現(xiàn)了27.6%的反射率[40］，活潑金屬材料膜層的穩(wěn)定性也值得關注。

真空紫外波段包含O VI雙重峰（103.2 nm和103.8 nm），H Lymanβ（102.6 nm），H Lyman α（121.6 nm），N V（123.8 nm和124.2 nm）等重要譜線[41-42］，該波段譜線的探測對太陽物理的研究有重要意義[43］。真空紫外的Al基反射鏡和窄帶濾光器已在哈勃空間望遠鏡（HST）和遠紫外光譜探測器（FUSE）中得到應用[44-45］。氟化物是公認最優(yōu)質(zhì)的Al基薄膜保護層。Quijada[46］提出的分布沉積制備方式顯著提升了Al+MgF2和Al+LiF的反射率，該方法已得到了廣泛的應用[47-48］。在真空紫外窄帶反射濾光器的研究中，Zukic[49］采 用H/L=1/4的π膜 堆 疊 加 設 計 方 式，制備出中心波長在135.6 nm處的LaF3/MgF2窄帶反射濾光器，反射率遠高于Al+MgF2窄帶透射濾光器，有望在保證對日譜分辨能力的同時，大幅提高太陽望遠鏡的時間分辨能力。王孝東等也開展了中心波長在121.6 nm處窄帶高反濾波器的研究[50］。

同步輻射光源的極紫外-真空紫外光具有極好的偏振特性，利用這一特性可開展如法拉第旋轉(zhuǎn)角度測量[51］、磁光克爾效應研究[52］和磁疇成像等多種實驗。多層膜相移片和圓偏振片可以代替昂貴的橢圓偏振諧蕩器，實現(xiàn)線偏振光到圓偏振光的轉(zhuǎn)換以及左旋與右旋圓偏振光之間的相互轉(zhuǎn)換，不僅可以標定光源的偏振度，量化分析實驗結(jié)果，也極大地拓展了線偏振同步輻射光的應用范圍。

本文從極紫外-真空紫外光學應用的需求出發(fā)，以同濟大學精密光學工程技術研究所近年來的研究工作為主，介紹了不同波段薄膜材料特性與工藝優(yōu)化的研究進展。

2 極紫外-真空紫外波段用多層膜

2.1 10～20 nm波段Mo/Si多層膜

Si在波長大于12.4 nm的極紫外波段具有非常小的吸收系數(shù)，常作為多層膜的間隔層材料。Mo/Si是10～20 nm波段具有高效反射率的多層膜材料對。同濟大學精密光學工程技術研究所制作的Mo/Si多層膜在北京同步輻射光源測得的正入射條件下13.5 nm處的反射率達到67.5%，與國際一流水平相當[53］。

根據(jù)特殊的應用需求，本課題組開展了針對性的發(fā)展不同鍍膜方式和膜厚調(diào)控方法，提升膜厚均勻性。圖1為基于行星轉(zhuǎn)動鍍膜方式制備的大尺寸Mo/Si多層膜反射鏡的制備情況。反射鏡的口徑為125 mm，曲率半徑為143 mm。反射鏡不同位置多層膜的平均峰值反射率達66.82%，中心波長位置幾乎一致，薄膜厚度誤差小于0.8%，在鏡片不同位置的反射率未出現(xiàn)明顯差異，說明在±80 mm內(nèi)，Mo/Si周期多層膜反射鏡的膜層厚度和成膜質(zhì)量一致性良好，高性能的大尺寸曲面極紫外反射鏡制備成功。

圖1 210 mm×40 mm內(nèi)Mo/Si多層膜樣品不同位置的反射率曲線[53］Fig.1 Reflectivity curves at different positions of Mo/Si multilayer sample in range of 210 mm×40 mm[53］

2.2 17～20 nm波段Al/Zr多層膜

Al的L吸收邊在17 nm附近，在17～20 nm波段Al/Zr多層膜具有較高的理論反射率。Al的高結(jié)晶度和Al/Zr之間的擴散形成了嚴重的界面缺陷，Al/Zr多層膜的實際反射率遠小于理論反射率[54-56］。為抑制Al的結(jié)晶，在Al靶材中混入質(zhì)量濃度為1%的Si，對比Al（w（Si）=1%）/Zr與Al（pure）/Zr多 層 膜 的 掠 入 射X射 線 反 射（Glancing Incidence X-ray，GIXR）測試，發(fā)現(xiàn)Al（w（Si）=1%）/Zr的反射峰峰強高于Al/Zr多層膜。X射線衍射（XRD）測試結(jié)果中Al（w（Si）=1%）/Zr樣品中Al＜111＞的特征峰強度較低，如圖2（a）所示。Si的引入使得Al的結(jié)晶被抑制，Al-Zr界面更平整[57］。在合肥同步輻射光源進行EUVR測試，Al（w（Si）=1%）/Zr多層膜反射率在17.8 nm處達到了41.2%，高于Al/Zr多層膜37.9%的反射率，如圖2（b）所示。

圖2 Al（w（Si）=1%）/Zr與Al（Pure）/Zr多層膜的（a）衍射測試曲線和（b）實測反射率曲線Fig.2（a）Diffraction curves and（b）experimental reflectivity curves of Al（w（Si）=1%）/Zr and Al（Pure）/Zr multilayers

隨后開展了Al（w（Si）=1%）/Zr多層膜的真空退火實驗。GIXR測試結(jié)果表明，隨退火溫度的升高，Al（w（Si）=1%）/Zr多層膜的界面寬度先升高后降低，在298℃達到最低，隨后快速變大，如圖3所示。Al（w（Si）=1%）/Zr多層膜的粗糙度變化同樣與Al的結(jié)晶變化相關。

圖3 Al（w（Si）=1%）/Zr多層膜的相對表面粗糙度隨退火的溫度變化Fig.3 Relative surface roughness of Al（w（Si）=1%）/Zr multilayers as a function of annealing temperatures

2.3 17～34 nm波段Al/Mo/B4C多層膜

在17～34 nm寬波段，Al/Mo多層膜的理論反射率顯示出優(yōu)勢。但在實際制備中，由于Al的結(jié)晶和Al-Mo之間的擴散增加了界面寬度，理論反射率與實測反射率差距變大。B4C的引入阻止了Al-Mo之間的擴散，減小了界面寬度，綜合優(yōu)化Al/Mo/B4C多層膜結(jié)構(gòu)后，反射率進一步提高。本課題組根據(jù)太陽光譜觀測需求，使用遺傳優(yōu)化算法設計了用于Fe IX和Fe X（17.4 nm），F(xiàn)e XI、Fe XII、Fe XXIV（19.3 nm），以及He II（30.4 nm）的Al/Mo/B4C多層膜，理論反射率分別達到64.51%，54.10%，44.44%，帶寬分別為0.65，0.96，2.24 nm，如圖4所示。

圖4 不同譜線下Al/Mo/B4C多層膜的理論反射率曲線Fig.4 Theoretical reflectivity curves of Al/Mo/B4C multilayers at different solar lines

針對同時探測He II（30.4nm）和O II（83.4nm）譜線的觀測需求，課題組嘗試在Al/Mo/B4C多層膜的表面增加一層SiC膜，以提高多層膜在83.4 nm處的反射率。相比傳統(tǒng)的Mo/Si多層膜，He II（30.4 nm）和O II（83.4 nm）的反射率分別從19.3%和19.0%提高至29.9%和33.6%，如圖5（a）所示。

目標結(jié)構(gòu)下制備的樣品在Bessy II光源進行了反射率測試，結(jié)果如圖5（b）所示。30.4 nm處R=27.5%，83.4 nm處R=36.7%。該反射率結(jié)果為我國對空間極紫外光譜觀測提供了重要的技術支撐。

圖5 [Al/Mo/B4C］/SiC和Mo/Si多層膜的反射性能Fig.5 Reflective performance of[Al/Mo/B4C］/SiC and Mo/Si multilayers

2.4 25～40 nm波段Mg基多層膜

Mg的吸收邊在25 nm附近，因此大于25 nm波段Mg基多層膜是重要的高反膜，在天文觀測、同步輻射等應用中具有良好的前景。由于Mg活潑的化學性能和650℃的低熔點，Mg基多層膜的環(huán)境穩(wěn)定性較差[58］，因此提升其環(huán)境穩(wěn)定性是重要的研究內(nèi)容。同濟大學精密光學工程技術研究所開展了一系列針對Mg基多層膜的研究工作[59-61］。Mg/SiC多層膜的界面缺陷以擴散為主，2.5 nm的SiC-on-Mg界面寬度遠大于1.0 nm的Mg-on-SiC界面寬度。界面的不對稱性是SiC中較強的共價鍵造成的，SiC-on-Mg是Mg/SiC多層膜擴散相對嚴重的界面。金屬Zr作為阻隔層材料可以與Mg形成較清晰的界面，因此嘗試在Mg/SiC多層膜中引入不同厚度的Zr阻隔層，改善Mg/SiC多 層 膜 的 界 面 情 況，如 圖6所 示[62］。其中,A,B,C分別為未引入阻隔層和引入0.5 nm，1.0 nm厚的Zr阻隔層的Mg/SiC多層膜。結(jié)果表明，0.5 nm厚的Zr阻隔層可以有效阻止Mg-SiC多層膜的界面擴散。引入Zr阻隔層后Mg/SiC多層膜在30.4 nm處的反射率從41.1%提高至48.0%。

圖6 插入不同厚度Zr阻隔層的Mg/SiC多層膜的極紫外反射率曲線[62］Fig.6 EUV reflectivity curves of Mg/SiC multilayer introducing different thicknesses of Zr barrier layers[62］

相較于Mg/SiC多層膜，Mg/Co多層膜具有帶寬窄和熱穩(wěn)定性較好的特點。盡管理論反射率低于Mg/SiC多層膜，但透射電子顯微鏡（Transmittance Electron Microscope，TEM）測試結(jié)果顯示，Mg/Co多層膜的界面寬度較小，如圖7所示[62］。在合肥同步輻射光源測得的峰值反射率R=40.8%，與Mg/SiC多層膜反射率相近，帶寬為1.26 nm，在300℃溫度下膜層結(jié)構(gòu)保持完好[63］。

圖7 Mg/Co多層膜的橫截面TEM圖像[62］Fig.7 Cross-section TEM images of Mg/Co multilayer[62］

Mg/Zr多層膜的實測反射率在上述3種Mg基多層膜中最低，30.4 nm處R=30.6%，但熱穩(wěn) 定 性 最 好，如 圖8所 示[62］。Mg/Zr多 層 膜 經(jīng)過400 °C退火后仍然保持退火前反射率的87%[64］。因 此，Mg/Zr多 層 膜 適 用 于 高 熱 負 載的場景。

圖8 （a）不同退火溫度下Mg/Zr多層膜的極紫外反射率；（b）不同Mg基多層膜歸一化反射率與退火溫度的關系[62］Fig.8（a）EUV reflectivity curves of Mg/Zr multilayers at different annealing temperatures；（b）Relationship between normalized reflectivity and annealing temperatures of different Mg-based multilayers[62］

2.5 35～50 nm波段Sc/Si多層膜

作為極紫外成像技術中的關鍵元件，多層膜反射鏡的性能決定了系統(tǒng)的光譜分辨能力和集光效率。為實現(xiàn)對太陽高過渡區(qū)Ne VII（46.5 nm）譜線的動態(tài)成像觀測，需要搭建高分辨、高效率的46.5 nm窄帶極紫外太陽成像儀，窄帶Sc/Si多層膜反射鏡是同時實現(xiàn)成像儀譜分辨和高效率的關鍵元件。

35～50 nm波段Sc/Si多層膜具有較高的反射率，反射率為30%～50%，在毛細管放電46.9 nm Ne-Ar實驗裝置[65］、太陽光譜儀[66］等設備上起著重要作用。過去開展的Sc/Si多層膜研究重心在提高反射率和熱穩(wěn)定性，忽略了對帶寬的控制。多層膜帶寬與材料的吸收系數(shù)、散射系數(shù)相關，改變多層膜兩種膜層厚度的比例是常用的減小帶寬的方法[67］。為了通過改變Sc層厚度占比減小Sc/Si多層膜帶寬，我們使用直流磁控濺射技術在超光滑硅基板上制備窄帶Sc/Si多層膜，并對多層膜的性能及內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進行表征和研究。使用四層膜系（Sc/ScxSi1-x/Si/ScxSi1-x）結(jié)構(gòu)對GIXR測試曲線進行擬合，擬合曲線與測試曲線高度吻合，證實了Sc/Si多層膜中ScxSi1-x的存在。Sc層厚度占比（γSc）分別為0.40和0.65的Sc/Si多層膜中界面寬度約為3～4 nm，根據(jù)Sc-Si的相圖，界面中可能形成Sc5Si3，ScSi，Sc3Si5等化合物。

TEM測試能夠更直觀地表征Sc/Si多層膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖9為γSc=0.40和γSc=0.65的Sc/Si多層膜的高分辨TEM明場圖像。Sc占比從0.40增加至0.65，Sc/Si多層膜依然保持良好的周期性層狀結(jié)構(gòu)，界面平整，且在多晶的Sc層中可以清晰看到不同方向生長的晶粒。γSc=0.40的樣品界面不對稱，其中Sc-on-Si界 面 寬 度 略 大 于Si-on-Sc界 面，與GIXR的擬合結(jié)果吻合，也與其他文獻結(jié)果類似[68］。在德國BESSY II光源測試了γSc=0.65的Sc/Si樣品在正入射4.6°時35～55 nm波段的極紫外反射率，如圖10所示。實測得到Sc/Si多層膜的峰值反射率為37.9%，對應峰位為45.5 nm，帶寬3.68 nm。

圖9 Sc/Si多層膜的高分辨TEM明場圖像Fig.9 High resolution TEM bright field images of Sc/Si multilayers

圖10 γSc=0.65時Sc/Si多層膜的極紫外反射率曲線Fig.10 EUV reflectivity curve of Sc/Si multilayer with γSc=0.65

2.6 50～90 nm波段Yb/Al多層膜

觀測50～90 nm太陽譜線有助于獲取太陽過渡區(qū)的物理信息。Seely等利用Ne VIII 77/78 nm頻譜移動可以觀測太陽大氣中的物質(zhì)流動，研究日冕和太陽風的物質(zhì)來源[69-71］，Vinogradov等利用O V 76 nm多重態(tài)和多普勒頻移可以表征太陽等離子體的電子密度和運動方向，研究太陽黑子區(qū)域的變化情況[39］。

在50～90 nm波段，絕大多數(shù)材料都有很強的吸收，而低吸收系數(shù)的鑭系元素成為主要的研究對象。進一步測定多種材料的光學常數(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)在該波段Yb的吸收系數(shù)最低。在Yb基多層膜反射鏡研究中，熱蒸發(fā)制備的Yb/Al多層膜時間穩(wěn)定性較差[41，72-73］。SiO阻隔層和保護層的引入有效提升了Yb/Al的穩(wěn)定性，但由于熱蒸發(fā)在薄膜制備精度調(diào)控方面和結(jié)構(gòu)復雜程度的能力相對較弱，Yb/Al多層膜僅在波長80 nm處獲得了27.6%的反射率。為解決50～90 nm多層膜反射鏡的研制難題，同濟大學精密光學工程技術研究所嘗試使用磁控濺射方法提升Yb/Al多層膜的制備精度，獲得了性能更好的50～90 nm多層膜反射鏡。通過使用遺傳算法優(yōu)化膜系結(jié)構(gòu)確定入射角為5°，入射光波長為63.00 nm時，周期對數(shù)為10，周期厚度為38 nm，膜厚比γYb=0.5，理論反射率最高，并選用SiC作為保護層，分析了SiC保護層厚度變化對反射率的影響，如圖11所示。然后，研究了本底真空對沉積在硅基板的Yb/Al多層膜微觀結(jié)構(gòu)的影響，在不同本底真空條件下分析了薄膜的界面寬度、表面粗糙度和結(jié)晶情況，并依次對多層膜制備工藝進行了優(yōu)化[74］。圖12為4×10-5Pa本 底 真 空 下 制 備 的Yb/Al多層膜的理論反射率，以及經(jīng)過實驗室搭建的極紫外反射率計系統(tǒng)下的實測反射率。

圖11 引入不同厚度的SiC表層下Yb/Al多層膜的理論反射率曲線Fig.11 Theoretical reflectivity curves of Yb/Al multilayers introducing different thicknesses of SiC surface layer

圖12 Ne I 73.59 nm下4×10-5 Pa本底真空下制備的Yb/Al多層膜的理論反射率和實測反射率曲線Fig.12 Theoretical and measured reflectivity curves of Yb/Al multilayer prepared under 4×10-5 Pa background vacuum at Ne I 73.59 nm wavelength

2.7 105～200 nm波段Al+氟化物膜

隨著對太陽色球?qū)?、過渡區(qū)和日冕研究的深入，科學家們開展了對H Lymanβ（102.6 nm）和C III（97.7 nm），以及O VI（103.2和103.8 nm）等真空紫外譜線的觀測。在大于105 nm波段，Al+氟化物膜是真空紫外薄膜反射鏡的首選材料。氟 化 鋰（LiF）、氟 化 鎂（MgF2）、氟 化 鑭（LaF3）和氟化鋁（AlF3）等氟化物[75-77］在真空紫外波段的本征吸收低，是作為Al的保護層的首選材料。為提升Al膜反射鏡的反射率，研究人員優(yōu)化了薄膜厚度、蒸發(fā)速率和基板溫度等工藝，但提升有限，直至分步沉積法的出現(xiàn)，Al膜反射鏡的反射率才得到了大幅提升[46］。加熱基板上沉積的MgF2層具有更高的密度和較低的孔隙率，提高反射率的同時膜層的抗氧化能力也得到了增強，該方法被推廣到Al+LiF和Al+AlF3反射鏡的制備中。

為提高105～115 nm波段真空紫外反射鏡的性能，我們開展了一系列相關研究。在超高真空復合鍍膜機上采用分步沉積的方式制備了Al+eMgF2薄膜（e表示高溫基板沉積方式）[78］，基板為石英，研究了基本溫度對反射率的影響，測試結(jié)果如圖13（a）所示。在合肥同步輻射光源上的反射率測試結(jié)果顯示，當基板溫度為200℃和300℃時，Al+eMgF2薄膜能獲得較高的反射率，115 nm以上的波段反射率超過80%，121.6 nm附近的反射率接近90%。由于MgF2的吸收邊在115 nm處[79］，Al+eMgF2薄 膜 在110 nm以 下 波段的反射率較低，在105 nm處反射率僅為40%。為了提高105 nm附近的反射率，我們采用吸收邊 在102.5 nm的LiF[80］代 替MgF2制 備 了Al+eLiF反射鏡，研究了基本溫度對反射率的影響，如圖13（b）所示。隨后，我們嘗試制備Al+LiF+eMgF2薄膜，以期在提升膜層穩(wěn)定性的同時盡量獲得較高的反射率。采用分步沉積的方式先在室溫基板上沉積Al+LiF薄膜，然后將基板加熱至250℃，再沉積一層5 nm厚的eMgF2，制備出的Al+LiF+eMgF2薄膜在105～130 nm波段的反射率在60%以上。為研究濕度對Al+LiF+eMgF2薄膜的影響，將樣品分別放置在不同濕度（相對濕度RH為20%，40%，80%和90%）的環(huán)境中儲存，實驗結(jié)果表明，儲存環(huán)境的相對濕度越大，Al+LiF+eMgF2鏡的反射率下降越快。其中，RH=40%環(huán)境下存儲的薄膜真空紫外反射率測試如圖14所示。盡管隨著存放時間的加長，反射率逐漸降低，但比文獻[81］中報道的Al+LiF慢得多，進一步證明Al+LiF+eMgF2薄膜的穩(wěn)定性大幅提升。

圖13 不同基板溫度下制備的Al+eMgF2鏡（a）和Al+eLiF鏡（b）的反射率曲線Fig.13 Reflectivity curves of Al+eMgF2 mirrors（a）and Al+eLiF mirrors（b）prepared at different substrate temperatures

圖14 LaF3/MgF2膜在105～130 nm波段的反射率曲線Fig.14 Reflectivity curves of LaF3/MgF2 film in 105-130 nm wavelength range

2.8 105～130 nm波段LaF3/MgF2多層膜

H Lyman（121.6 nm）是真空紫外波段內(nèi)最亮的譜線，這為偏振測量提供高強度的信噪比，且對高達100高斯的磁場強度非常敏感，可用于測量太陽高層大氣（例如色球和過渡區(qū)）中的磁場。

我們對Lymanα窄帶反射薄膜也進行了相關研究。通過優(yōu)化膜堆數(shù)和高低折射率的H/L比值設計了新的膜層結(jié)構(gòu)，并用電子束蒸發(fā)的方式在200℃基板上制備了Sub/（HL）17結(jié)構(gòu)的薄膜。其 中，0.67H對 應8.96 nm的LaF3膜 層 厚度，1.34L和0.66L分 別 對應23.86 nm和11.74 nm的MgF2膜層厚度。該反射鏡在入射角5°，波長122 nm處的反射率接近65%，帶寬為8 nm，如圖15所 示。MgF2單 層 膜、LaF3單 層 膜、LaF3/MgF2多層膜的應力分別為598，203和224.7 MPa，和文獻[82］中的結(jié)果基本一致，從而為解決LaF3/MgF2膜層開裂問題提供了理論依據(jù)。受同步輻射反射率測試范圍（105～134 nm）的限制，無法測試135.56 nm處的反射率。我們通過優(yōu)化薄膜厚度和比例，還制備出中心波長在133 nm附近的LaF3/MgF2膜層，其中心反射率超過75%，在135.56 nm處反射率為75%左右。

圖15 LaF3/MgF2膜在105～130 nm波段的反射率曲線Fig.15 Reflectivity curves of LaF3/MgF2 film in 105-130 nm wavelength range

3 極紫外偏振多層膜元件

在極紫外與軟X射線波段，周期多層膜偏振光學元件具有很好的偏振度和光通量，透射式多層膜可以作為相移片，反射式多層膜可以作為檢偏器，一起用于全偏振分析[83-85］。但是極紫外和軟X射線周期多層膜偏振元件的帶寬窄，測試極為困難，我們使用非周期多層膜結(jié)構(gòu)，拓展了偏振光學元件的帶寬，設計并制備了13～19 nm波段的Mo/Si與8～13 nm波段的Mo/Y反射式寬帶多層膜起偏器（檢偏器），13～19 nm的寬角起偏器（檢偏器）和8～13 nm的寬角起偏器，以及Mo/Si寬帶相移片[86-89］。

圖16為寬帶Mo/Si多層膜起偏器在合肥同步輻射光源（NSRL）和德國BESSY II同步輻射光源的測試曲線。從圖中可以看出，在兩個實驗站測得的反射率曲線帶寬基本一致，在波長15～17 nm之間，反射率R為21%，Rs值為37%，Rp接近0。北京同步輻射裝置（BSRF）的偏振計是目前國內(nèi)唯一可以對極紫外與軟X射線波段的偏振元件進行表征的裝置。通過旋轉(zhuǎn)樣品的方位角，可以測試偏振光的Rs和Rp反射率，根據(jù)測試的偏振結(jié)果可以計算得出相應的偏振度P。圖17（a）給出了寬帶偏振元件在掠入射角為40°時的反射曲線，寬帶波長為14～16 nm，對應的偏振度由14 nm處的86%增加到16 nm處的97%。圖17（b）給出了寬角起偏器的測試曲線，測試波長為13.0 nm，掠入射角度為45°～49°，偏振度由97%降到82%。測試結(jié)果表明，Mo/Si的非周期寬帶和寬角多層膜均具有良好的偏振特性。

圖16 Mo/Si非周期寬帶多層膜分別在NSRL和BESSY II線站所測的反射率曲線[90］Fig.16 Reflectivity curves of Mo/Si aperiodic broadband multilayer measured at NSRL and BESSY II stations[90］

圖17 Mo/Si非周期寬帶多層在BSRF線站所測隨波長變化（a）和隨掠入射角變化（b）的反射率曲線[90］Fig.17 Reflectivity curves with wavelength range（a）and with grazing angle（b）of Mo/Si aperiodic broadband multilayer measured at BSRF stations[90］

我們又研制了應用于8～12 nm波段的Mo/Y反射式非周期多層膜起偏器[90］，用于對Fe XVIII譜線（9.4nm）進行偏振分析。為擴展起偏器的帶寬范圍，分別設計了8.5～10.0 nm波段和9.3～11.7 nm的寬帶多層膜起偏器（A，B），以及中心波長為9.1 nm的周期多層膜起偏器（C），并在BESSY II對其偏振特性進行了測試，結(jié)果如圖18所示。

圖18 Mo/Y多層膜寬帶起偏器實測的偏振度和反射率與波長的關系曲線[83］Fig.18 Polarization efficiency and measured reflectivities of Mo/Y multilayer broadband polarizer[86］

樣品A和B的反射 率Rs分別 為5.5%和6.1%，樣品A的反射率為28.74%。反射率的降低與不平坦性與對Mo/Si多層膜的分析結(jié)果相同。周期多層膜C的帶寬僅為0.23 nm，非周期多層膜樣品A和B的帶寬分別展寬了7倍（1.6 nm）和11倍（2.6 nm）。A和B的偏振度分別為98%和96%。非周期多層膜結(jié)構(gòu)不僅保持了很好的偏振特性，還極大地拓寬了響應能段范圍。

透射式偏振元件同樣重要，設計并研制了透射式非周期Mo/Si相移片，分別在掠入射角47°和54°下進行測試，如圖19所示。隨著入射角的變大，多層膜的寬帶向長波長處移動，因此，該類型的寬帶相移片在改變?nèi)肷浣嵌葧r可應用于其他波長的偏振測試中。

圖19 在掠入射角47°和54°下測試擬合得到的非周期Mo/Si多層膜相移片位相差和透射率關于波長的關系曲線[90］Fig.19 Calculated and fitted phase shifts and measured transmission as function of wavelength at grazing incidence angles of 47°and 54°[90］

根據(jù)Mo/Si非周期寬帶相移片的測試結(jié)果，把該相移片與寬帶檢偏器組合構(gòu)成檢偏裝置，對BESSY II同步輻射實驗室中UE56/1-PGM光束線的Stokes-Poincaré參數(shù)（P1，P2，P3）在一定波長范圍內(nèi)進行測試，結(jié)果如圖20所示。圓偏振的Stokes-Poincaré參 數(shù)P3接 近 于1，線 偏 振 結(jié) 果 為P1=0.007±0.026，P2=-0.053±0.005，因 此12.8～15.5 nm波段的光源接近于圓偏振光，這與測試光源參數(shù)相一致，進一步驗證了擬合結(jié)果。由于測試過程中，不需要改變相移片和檢偏器的入射角度，大大簡化了測試過程，首次完成了BESSY同步輻射UE56/1-PGM光束線的寬帶全偏振分析。

圖20 BESSY II的UE56/1-PGM光束線的測試偏振參數(shù)與波長的關系曲線Fig.20 Circular radiation from BESSY UE56/1-PGM beamline as functions of wavelength

4 結(jié)論和展望

高性能極紫外-真空紫外薄膜光學元件是極紫外-真空紫外薄膜光學應用中的核心組成，同濟大學精密光學工程技術研究所針對不同需求，通過對薄膜內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的綜合表征及其物理化學機制的研究，形成了一套完備的極紫外-真空紫外薄膜光學元件表征、優(yōu)化和制備技術體系，提升了多場景下Mg/SiC多層膜、Yb/Al多 層 膜、Al+LiF+eMgF2薄膜和LaF3/MgF2多層膜的穩(wěn)定性，并縮小了Sc/Si多層膜的帶寬。目前，極紫外-真空紫外薄膜光學元件正從單質(zhì)材料向化合物材料發(fā)展，從簡單多層膜結(jié)構(gòu)向復雜多層膜發(fā)展，從單一反射功能向單色、起偏等多功能發(fā)展。隨著紫外光刻、空間觀測領域應用需求的增強，對極紫外-真空紫外薄膜元件的要求將不止于高反射效率、強單色能力等傳統(tǒng)性能指標，工作環(huán)境適應能力將成為關注的重點。我們也將面向國家重大需求進一步提升極紫外-真空紫外薄膜光學元件的研制能力，為我國極紫外-真空紫外光學技術及應用的發(fā)展提供技術支持。