李文斌，李淑慧，潘劉洋，張 哲，謝 春，黃秋實(shí)，王占山*

（1.同濟(jì)大學(xué) 物理科學(xué)與工程學(xué)院 精密光學(xué)工程技術(shù)研究所，先進(jìn)微結(jié)構(gòu)材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市數(shù)字光學(xué)前沿科學(xué)研究基地，上海市全光譜高性能光學(xué)薄膜器件與應(yīng)用專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué) 中德工程學(xué)院，上海 200092）

1 引 言

20世紀(jì)初以來(lái)，光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)加工能力的提升促進(jìn)了極紫外（Extreme ultraviolet，EUV）、X射線波段薄膜反射鏡在同步輻射、軟X射線顯微、天文觀測(cè)、等離子體診斷和極紫外光刻等領(lǐng)域中的應(yīng)用。新一代自放大自發(fā)輻射自由電子激光（Free Electron Laser，F(xiàn)EL）光源的出現(xiàn)為人們提供了超短、超強(qiáng)EUV-X射線激光，可在極端物理?xiàng)l件下研究超強(qiáng)極紫外、X射線與物質(zhì)的作用過(guò)程[1-7］。然而，超短、超強(qiáng)極紫外-X射線FEL極易造成薄膜反射鏡的輻照損傷，降低光源的亮度并破壞相干性等品質(zhì)。此外，隨著高功率激光等離子（Laser Produced Plasma，LPP）和EUV-FEL光源應(yīng)用于極紫外光刻，長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度極紫外光輻照也可能影響光刻機(jī)核心元件Mo/Si多層膜反射鏡的光學(xué)性能。因此，極紫外、X射線波段單層膜和多層膜反射鏡的抗輻照性能受到了廣泛關(guān)注。

目前，國(guó)際上主要使用EUV-X射線FEL對(duì)常用的光學(xué)薄膜材料開(kāi)展了飛秒激光輻照損傷研究，包括低原子序數(shù)光學(xué)材料α-C[8-10］，SiC[8，11］，B4C[8，11-12］，Si[8，11-13］和SiO2[8，14］等，以 及 高 原 子 序 數(shù)金屬材料Ru[12，15］，Pt[16］，Au[17］和Rh[18］等。研究發(fā)現(xiàn) 了 熱 熔 融 相 變[8，13-14，16-18］、熱 應(yīng) 力 損 傷[8，11-12，15］、FEL輻照超快相變[8-10］等損傷機(jī)制。此外，理論和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，X射線光電離產(chǎn)生的較高動(dòng)能次級(jí)電子的碰撞散射與逃逸過(guò)程會(huì)影響薄膜反射鏡的抗損性能[12，18-21］。除飛秒FEL損傷研究之外，Ishino等使用13.9 nm皮秒激光（Soft X-ray Laser，SXRL）對(duì)Au，Al，Cu，SiO2等材料開(kāi)展了輻照實(shí)驗(yàn)[22-24］，發(fā)現(xiàn)皮秒極紫外激光輻照Au，Al和Cu材料存在熱機(jī)械應(yīng)力，SiO2玻璃基板的層裂損傷中還存在Si—O化學(xué)鍵斷裂，并且SiO2的皮秒和飛秒極紫外激光損傷閾值幾乎相同。Barkusky等采用高峰值功率LPP光源對(duì)Au，SiO2，Si，Mo/Si等薄膜反射鏡開(kāi)展了納秒極紫外輻照損傷研究[25-26］，發(fā)現(xiàn)Au膜的損傷閾值隨膜厚增加而增大的規(guī)律；Si和SiO2基板的損傷閾值分別 為4.1～5 J/cm2和3.22 J/cm2；Mo/Si多 層 膜存在點(diǎn)狀缺陷和坑狀損傷兩種情況，對(duì)應(yīng)的損傷閾值分別為0.8和1.7 J/cm2。

近幾年，我國(guó)已經(jīng)建成上海軟X射線FEL實(shí)驗(yàn)裝置SXFEL，硬X射線FEL裝置SHINE正在建設(shè)中。然而，國(guó)內(nèi)在極紫外、X射線波段光學(xué)元件的輻照損傷研究非常有限。同濟(jì)大學(xué)IPOE實(shí)驗(yàn)室自建了一臺(tái)13.5 nm極紫外輻照損傷裝置，并針對(duì)常用的極紫外、X射線薄膜反射鏡開(kāi)展了納秒EUV損傷研究[27-32］。本文以B4C，Ru，Au和Mo/Si等薄膜材料為例闡述薄膜反射鏡的抗EUV輻照性能和損傷機(jī)制。

2 極紫外輻照損傷實(shí)驗(yàn)裝置

13.5 nm納秒極紫外輻照損傷裝置如圖1所示[27］。該裝置利用LPP光源輻射出納秒極紫外光，經(jīng)大數(shù)值孔徑Schwarzschild物鏡收集13.5 nm極紫外光并實(shí)現(xiàn)微聚焦，產(chǎn)生高能量密度極紫外聚焦光輻照樣品表面發(fā)生損傷。該裝置主要由LPP光源、改進(jìn)型Schwarzschild物鏡與在線監(jiān)測(cè)部件、極紫外能量衰減等部分組成。

2.1 激光等離子體光源

如圖1所 示，本裝置使 用Nd∶YAG激光（Quanta-Ray Pro 290，Spectra-Physics）輸出脈寬8.8 ns、波長(zhǎng)1 064 nm、單脈沖能量為1.4 J的紅外激光，經(jīng)平面反射鏡進(jìn)入真空腔，再經(jīng)平凸透鏡聚焦于旋轉(zhuǎn)Cu靶表面產(chǎn)生激光等離子光源。本裝置使用小孔成像方法在線觀測(cè)LPP光源的光斑形貌，LPP光源與EUV-CCD之間放置直徑為15μm的針孔，EUV-CCD前使用Zr片用于濾除可見(jiàn)光和紅外激光。圖1左上角為L(zhǎng)PP光源的光斑形貌，近似為64μm×45μm（FWHM）的高斯峰形。

2.2 改進(jìn)型Schwarzschild物鏡與在線監(jiān)測(cè)部件

實(shí)驗(yàn)使用改進(jìn)型Schwarzschild物鏡收集13.5 nm極紫外光并實(shí)現(xiàn)微聚焦。該物鏡由同軸環(huán)形球面主鏡和副鏡構(gòu)成，物像距為560 mm。為提高極紫外聚焦光的收集效率，物鏡設(shè)計(jì)為0.44大數(shù)值孔徑，放大倍率為1/11。近正入射反射的主鏡和副鏡表面均鍍有工作波長(zhǎng)13.5 nm的Mo/Si多層膜，在工作角度范圍內(nèi)多層膜反射鏡的反射率優(yōu)于63%。為濾除可見(jiàn)和紅外光，在LPP光源與物鏡之間放置厚200 nm的鋯濾光片，其在13.5 nm波長(zhǎng)的透過(guò)率為0.43。實(shí)驗(yàn)樣品放置在XYZ三維位移臺(tái)上，位移精度為50 nm。為在線監(jiān)測(cè)樣品，在Schwarzschild物鏡前方放置一平面反射鏡，該反射鏡與光軸的夾角為45°且受直線導(dǎo)入器控制可移入或移出光路。實(shí)驗(yàn)中，使用輔助光照明樣品表面，再利用物鏡反向放大成像并通過(guò)平面反射鏡偏轉(zhuǎn)出真空腔體，最后成像在可見(jiàn)光CDD實(shí)現(xiàn)在線觀測(cè)樣品的損傷情況。

2.3 極紫外脈沖光能量衰減調(diào)控方法

根據(jù)ISO21254國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，樣品損傷閾值測(cè)試需要調(diào)控入射極紫外光的能量密度。傳統(tǒng)方法是調(diào)節(jié)Nd∶YAG激光束能量來(lái)調(diào)控EUV聚焦光的能量密度[33］，然而該方法可能會(huì)改變LPP光源和EUV聚焦光斑的形貌從而影響測(cè)試可靠性。為保證EUV聚焦光形貌等參數(shù)不變，這里在真空腔體內(nèi)充入He或N2氣體吸收并衰減EUV脈沖光的能量，通過(guò)改變氣體壓強(qiáng)調(diào)控極紫外聚焦光的能量密度。目前，本裝置獲得的極紫外單脈沖最高能量為（314.88±1.09）nJ，焦平面處聚焦光斑的有效面積為（12.34±1.17）μm2[34-35］，由此獲得13.5 nm極紫外聚焦光的最大能量密度為（2.55±0.24）J/cm2。

3 EUV輻照損傷實(shí)驗(yàn)

使用自建的極紫外輻照裝置，本文針對(duì)極紫外、X射線波段常用的薄膜反射鏡開(kāi)展了輻照損傷研究，得到了納秒極紫外輻照下B4C，Au，Ru單層膜、B4C/Ru雙層膜和Mo/Si多層膜反射鏡的抗輻照損傷性能和損傷機(jī)理。

3.1 低原子序數(shù)B4C薄膜反射鏡

B4C為高熔點(diǎn)高硬度的陶瓷材料，常用作XFEL光束線薄膜反射鏡，具有X射線波段反射率高及抗損傷性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。通常，使用磁控濺射方法制備的B4C薄膜反射鏡存在薄膜應(yīng)力大（-3.06 GPa）的問(wèn)題[36］。這不僅會(huì)影響反射鏡的面形精度，而且可能導(dǎo)致膜層出現(xiàn)鼓包或脫落，影響反射鏡的光學(xué)性能和使用壽命。使用磁控濺射制備B4C薄膜時(shí)，通過(guò)增大Ar濺射氣體壓強(qiáng)可以降低薄膜的應(yīng)力[37-39］，或者在薄膜與基底間 添 加Cr或 者W打 底 層 以 增 加 黏 附 性[40］。然而，不同濺射氣壓或者不同打底層對(duì)B4C薄膜抗輻照性能的影響并不清楚。因此，使用直流磁控濺射方法在D263玻璃基板上制備了4種B4C薄膜樣品，分別為S1樣品B4C（51.0 nm）/D263+Ar（0.133 Pa）、S2樣 品B4C（52.5 nm）/D263+Ar（1.33 Pa）、Cr打 底 層 的S3樣 品B4C（46.3 nm）/Cr（4.9 nm）/D263+Ar（0.133 Pa）及W打底 層 的S4樣 品B4C（49.0 nm）/W（4.9 nm）/D263+Ar（0.133 Pa）。

圖2給出了4種B4C薄膜樣品的單脈沖損傷概率數(shù)據(jù)，通過(guò)擬合得到0.133 Pa和1.33 Pa濺射氣壓制備的S1和S2樣品的損傷閾值分別為1.21 J/cm2和0.97 J/cm2。雖然增加濺射氣壓使B4C薄膜的壓應(yīng)力從-3.06 GPa下降至-0.69 GPa[36］，但卻降低了B4C薄膜的抗損傷性能。當(dāng)Ar濺射氣壓增大時(shí)，B4C濺射粒子與其他粒子碰撞的幾率增大，濺射粒子沉積動(dòng)能減小而導(dǎo)致薄膜生長(zhǎng)為多孔柱狀結(jié)構(gòu)，這使得薄膜致密度下降并且內(nèi)應(yīng)力降低。因此，高濺射氣壓制備的松散且密度較低的B4C薄膜可能是造成抗損傷性能下降的原因。圖2給出了加Cr和W打底層的S3和S4樣品的損傷閾值，分別為0.65 J/cm2和0.69 J/cm2，其抗損傷性能相近，但與無(wú)打底層的S1樣品相比，金屬打底層導(dǎo)致B4C薄膜的損傷閾值下降約50%。

為分析B4C薄膜抗損傷性能差異的原因，我們使用原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM，Bruker Dimension Iconsystem）測(cè)試了4個(gè)樣品在2.1 J/cm2高能量密度EUV輻照下的損傷形貌。如圖3（a）和3（b）所示，0.133 Pa和1.33 Pa濺射氣壓制備的B4C單層膜樣品分別形成了4.4 nm和7.0 nm的山丘狀凸起，高度差異也表明濺射氣壓增大導(dǎo)致?lián)p傷閾值降低。圖3（c）顯示Cr打底層S3樣品經(jīng)輻照后出現(xiàn)了薄膜脫落的破壞性損傷，損傷凸起高度達(dá)到了幾百納米。

利用AFM測(cè)試S3樣品的損傷坑深度約為51 nm，與B4C/Cr雙層膜厚度51.2 nm幾乎一致，故S3樣品的損傷發(fā)生在Cr打底層與基板的界面處。圖3（e）為S3樣品損傷坑中心局部形貌，可清楚看到一些納米顆粒，這可能是雙層膜脫離基板時(shí)殘留的Cr納米顆粒。圖3（d）顯示W(wǎng)打底層S4樣品呈現(xiàn)火山坑狀損傷，坑邊緣高約280 nm，深約49.2 nm，對(duì)比該樣品膜層厚度（B4C（49.0 nm）/W（4.9 nm））發(fā)現(xiàn)損傷可能發(fā)生在B4C-W界面處，圖3（f）給出了S4坑底部的局部損傷形貌。

為了研究B4C薄膜反射鏡的損傷機(jī)理，我們使用蒙特卡洛方法模擬計(jì)算了13.5 nm極紫外光入射薄膜反射鏡的吸收能量分?jǐn)?shù)，即單位深度內(nèi)沉積能量占總吸收能量的比例。該模擬考慮了EUV光電離產(chǎn)生的次級(jí)電子碰撞散射與逃逸過(guò)程?；诿商乜迥M并結(jié)合有限元方法可以計(jì)算極紫外光輻照后薄膜反射鏡內(nèi)部的溫度場(chǎng)和 應(yīng)力場(chǎng)[31］。圖4給出了B4C單 層膜和Cr，W打底的B4C薄膜的吸收能量分?jǐn)?shù)深度分布曲線，主要差異在于S3樣品的Cr層吸收最強(qiáng)，其次為S4樣品的W打底層。因此，添加了金屬打底層樣品的抗損傷性能低于B4C單層膜樣品，Cr打底層樣品的抗損傷性能略低于W打底層樣品。

圖5給出了能量密度為0.2 J/cm2的EUV單脈沖輻照下，當(dāng)樣品表面溫度達(dá)到最大值時(shí)溫度場(chǎng)和von Mises應(yīng)力場(chǎng)隨深度的分布曲線。從圖5（a）可以看出，在熱傳導(dǎo)的作用下，EUV輻照約23 ns后從樣品表面至55 nm深度范圍內(nèi)的溫度幾乎一致，超過(guò)Cr熔點(diǎn)（2 130 K）但低于B4C熔點(diǎn)（2 743 K）和W熔點(diǎn)（3 695 K）。由于薄膜內(nèi)部為壓應(yīng)力，因此在壓應(yīng)力的作用下薄膜會(huì)出現(xiàn)凸起狀損傷，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。其中，S3樣品的Cr層內(nèi)部最大壓應(yīng)力為9.2 GPa，S4樣品的W層內(nèi)部最大壓應(yīng)力為8.5 GPa，而這兩個(gè)樣品B4C層應(yīng) 力均超過(guò) 其抗壓 強(qiáng)度6.1 GPa[41］。相比之下，S1樣品的B4C薄膜的壓應(yīng)力5.9 GPa小于抗壓強(qiáng)度。理論模擬和實(shí)驗(yàn)表明，Cr，W金屬打底層的B4C薄膜相比B4C單層膜更容易發(fā)生熱應(yīng)力損傷。在壓應(yīng)力作用下，B4C單層膜的損傷可能發(fā)生在B4C-D263界面，而B(niǎo)4C/Cr/D263樣品損傷發(fā)生在Cr-D263界面，理論模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。根據(jù)熱應(yīng)力分析，B4C/W/D263樣品的損傷也可能發(fā)生在W-D263界面，然而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)損傷在B4C-W界面，這可能與固態(tài)W膜與D263基板的黏附力更強(qiáng)有關(guān)。目前，理論模擬可以定性解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，然而理論損傷閾值小于實(shí)驗(yàn)值，這可能是模擬使用的塊體材料參數(shù)與實(shí)際薄膜參數(shù)差異造成的。

3.2 高原子序數(shù)薄膜反射鏡

在硬X射線波段，高原子序數(shù)金屬薄膜反射鏡相比低原子序數(shù)薄膜反射鏡具有更大的全反射角和更優(yōu)的光學(xué)性能，金屬薄膜反射鏡組成的K-B聚焦光學(xué)系統(tǒng)擁有更大的數(shù)值孔徑，從而可獲得更小的聚焦光斑[42］。因此，金屬薄膜反射鏡如Au，Ru等在XFEL光束線中也具有重要的應(yīng)用[12-13，17］。

3.2.1 Au單層膜反射鏡

Au薄膜反射鏡通常用作紅外-紫外波段的光學(xué)元件[43］，也可用于極紫外-軟X射線波段，如意大利FERMI光源MagneDyn光束線使用了Au薄膜反射鏡[17］。為研究Au薄膜反射鏡的抗損傷性能，我們利用直流磁控濺射方法制備了Au（30 nm）/Si-sub樣品，并按照ISO21254標(biāo)準(zhǔn)對(duì)它進(jìn)行了EUV單脈沖輻照實(shí)驗(yàn)。

圖6（a）為Au薄膜的單脈沖輻照損傷概率測(cè)試結(jié)果，通過(guò)擬合得到單脈沖損傷閾值為（1.37±0.2）J/cm2。在能量密度為1.49 J/cm2的輻照下，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到“熔融-再凝固”過(guò)程所形成的小凸起，隨能量密度增加凸起不斷增大，直至發(fā)生破裂損傷。圖6（b）和6（c）給出了Au薄膜在能量密度為2.27 J/cm2單脈沖輻照后損傷區(qū)的AFM和掃描電子顯微鏡（SEM，F(xiàn)EI Nano-SEM 450）測(cè)試圖。Au膜呈現(xiàn)經(jīng)典的熱熔融損傷形成的彈坑狀結(jié)構(gòu)，坑深約23 nm，略小于Au薄膜厚度，并且坑邊緣形成一圈約60～100 nm高的壁壘狀結(jié)構(gòu)。彈坑中心也呈現(xiàn)起伏不平的表面結(jié)構(gòu)，這是由于Au膜發(fā)生熔融相變?cè)倌毯笮纬傻拇植诒砻?。SEM測(cè)試沒(méi)有在損傷區(qū)發(fā)現(xiàn)噴濺現(xiàn)象產(chǎn)生的微納顆粒（圖6（c））。利用X射線能量色譜（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDS）可以分析表面元素分布，圖6（d）給出了損傷區(qū)域沿中心線（圖6（c）虛線）的一維元素分布，可以看出，壁壘結(jié)構(gòu)的Au元素含量遠(yuǎn)高于未損傷區(qū)的Au含量，而損傷坑底部依然存在Au成分，該現(xiàn)象與AFM測(cè)試結(jié)果一致。

在進(jìn)行納秒EUV光輻照實(shí)驗(yàn)時(shí)，薄膜反射鏡的抗損傷性能不僅與薄膜材料和厚度有關(guān)，還與基板材料有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，Au（30 nm）/Si-sub樣品的損傷閾值大約是BK7基板Au薄膜損傷閾值的4倍[26］?？紤]BK7基板的主要成分為SiO2，其熱擴(kuò)散系數(shù)為0.008 3 cm2/s[44］，大約只有Si熱擴(kuò)散系數(shù)0.88 cm2/s的1/100。根據(jù)脈寬τ=8.8 ns和熱擴(kuò)散系數(shù)κ，由熱擴(kuò)散公式Lth=（2κτ）1/2[45］y由此可知，Si基板的熱擴(kuò)散長(zhǎng)度為0.38μm，大約是SiO2基板的10倍。由于Si基板具有更優(yōu)的熱傳導(dǎo)性能，薄膜材料吸收的能量在納秒時(shí)間尺度上將擴(kuò)散到Si基底更廣更深的區(qū)域，因此，硅基板樣品相比玻璃基板樣品具有更高的抗損傷性能。

3.2.2 Ru單層膜及B4C/Ru雙層膜反射鏡

相比B4C等低原子序數(shù)材料，高原子序數(shù)Ru材料具有硬X射線波段全反射角大反射率高的特點(diǎn)，并且化學(xué)穩(wěn)定性好，故常用作硬X射線波段薄膜反射鏡[46］。然而，金屬材料在極紫外-X射線波段吸收系數(shù)大，可能影響反射鏡的抗損傷性能。由低、高原子序數(shù)薄膜組合的雙層膜反射鏡同時(shí)具備了X射線工作能段寬、反射率高和全反射角較大的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于自由電子激光硬X射線波段光束線[47-48］。為研究金屬薄膜和雙層膜反射鏡的抗損傷性能，我們制備了Ru（30.8 nm）/D263單 層 膜 和B4C（6.0 nm）/Ru（30.4 nm）/D263雙層膜反射鏡，并開(kāi)展了EUV輻照損傷實(shí)驗(yàn)。如圖7（a）所示，Ru單層膜和B4C/Ru雙層膜的單脈沖損傷閾值分別為0.32，0.24 J/cm2，雙層膜的抗損傷性能低于單層膜。由上節(jié)可知，Au單層膜的損傷閾值為1.37 J/cm2，而Ru單層膜的損傷閾值遠(yuǎn)低于Au單層膜，這與基板材料以及Ru吸收系數(shù)較大有關(guān)。圖7（b）和7（c）分別為Ru單層膜在能量密度為0.78和2.37 J/cm2的EUV輻照下的損傷形貌，隨能量密度的增加，由熱熔融損傷形成的納米尺度鼓包狀結(jié)構(gòu)變?yōu)榛鹕娇訝罱Y(jié)構(gòu)。圖7（d）給出了B4C/Ru/D263雙層膜樣品在能量密度為2.55 J/cm2的EUV輻照下的損傷形貌。AFM測(cè)試結(jié)果表明，該雙層膜損傷呈“花瓣?duì)睢保⑶疫吘壋霈F(xiàn)裂紋（圖7（e）虛線框），該雙層膜損傷機(jī)制中不僅包括熱熔融損傷還有熱應(yīng)力的作用。雙層膜輻照區(qū)的一維線掃描EDS測(cè)試（圖7（f））表明，未損傷區(qū)主要是Ru元素，從損傷區(qū)邊緣至中心區(qū)域Ru元素含量逐漸減少，在損傷坑內(nèi)部Ru，B和C元素幾乎消失；相反，Si和O元素含量迅速增加并成為主要成分。通過(guò)對(duì)B4C/Ru雙層膜EUV輻照下溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的理論模擬[32］，結(jié)果表明在Ru發(fā)生熔融相變前，Ru層的應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)了其抗壓強(qiáng)度15 GPa[49］而發(fā)生熱應(yīng)力損傷。因此，實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果表明，B4C/Ru/D263雙層膜EUV的損傷機(jī)制主要是熱應(yīng)力損傷，且發(fā)生在Ru-D263基板界面處。

3.3 Mo/Si多層膜反射鏡

Mo/Si多層膜具有極紫外波段反射性能優(yōu)且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn)，常用作極紫外光學(xué)系統(tǒng)的薄膜反射鏡，特別因其13.5 nm的高反射率而被廣泛應(yīng)用于極紫外投影式光刻系統(tǒng)[50］。為研究Mo/Si多層膜反射鏡抗極紫外多脈沖輻照損傷的能力，我們采用直流磁控濺射在Si基底上制備了周期厚度為7.97 nm（dSi=4.78 nm，dMo=3.19 nm）的Mo/Si多層膜，并對(duì)它們進(jìn)行了多脈沖輻照損傷研究。圖8為不同輻照脈沖數(shù)下反射鏡的損傷概率及擬合曲線。當(dāng)輻照脈沖數(shù)分別為1，2，5，10時(shí)，對(duì)應(yīng)的損傷閾值分別為0.95±0.02，0.90±0.03，0.79±0.03和0.77±0.02 J/cm2?？梢钥闯?，隨著脈沖數(shù)的增加損傷閾值不斷降低，表明Mo/Si反射鏡多脈沖損傷存在累積效應(yīng)。該損傷累積效應(yīng)也廣泛存在于金屬、半導(dǎo)體、聚合物及陶瓷等多種材料的紅外激光輻照損傷實(shí)驗(yàn)中[51-53］。多脈沖輻照損傷閾值的衰減規(guī)律可以用損傷累積方程表示[54］：

其中：N為脈 沖數(shù)，F(xiàn)th（1）為 單脈沖 損傷閾值，F(xiàn)th（N）為N發(fā)多脈沖損傷閾值，S為多脈沖累積因子。通過(guò)擬合Mo/Si多層膜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到多脈沖累積因子為0.90±0.06。

圖9 給出了不同EUV能量密度下單脈沖和10發(fā)多脈沖輻照的AFM損傷形貌。在能量密度為1.46 J/cm2和1.79 J/cm2的單脈沖輻照下，Mo/Si多層膜形成輪廓較為光滑的凹坑，當(dāng)能量密度增大至2.14 J/cm2時(shí)，在凹坑底部形成類似山丘的凸起。本實(shí)驗(yàn)獲得的損傷形貌與Khorsand等[51］使用飛秒EUV-FEL輻照Mo/Si多層膜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，在相對(duì)較低能量密度（＜1.79 J/cm2）輻照下形成的凹坑都是光滑無(wú)裂紋的結(jié)構(gòu)。Mo/Si多層膜反射鏡在13.5 nm納秒極紫外輻照下的主要損傷機(jī)制并非熱熔融或熱應(yīng)力，而是由于EUV輻照誘導(dǎo)Mo-Si膜層間擴(kuò)散反應(yīng)并生成硅化鉬，導(dǎo)致膜層塌縮并形成光滑凹坑狀結(jié)構(gòu)。Mo-Si反應(yīng)生成的最穩(wěn)態(tài)化合物為Mo-Si2[55］，故 而EUV單 脈 沖 輻 照 后 的 表 層Mo/Si膜對(duì)可能形成Mo/MoSi2/Si/MoSi2或Mo/MoSi2結(jié)構(gòu)。相比Mo/Si結(jié)構(gòu)，以MoSi2為間隔層的Mo/MoSi2/Si/MoSi2結(jié)構(gòu)或者M(jìn)o/MoSi2結(jié)構(gòu)具有更高的熱穩(wěn)定性[56］，該結(jié)構(gòu)的演化對(duì)于多脈沖輻照損傷形貌也有一定的影響。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同能量密度不同輻照脈沖數(shù)輻照的損傷坑深度和寬度變化不大（見(jiàn)圖9），即首發(fā)脈沖輻照后形成的凹坑輪廓在后續(xù)脈沖輻照下變化不大。根據(jù)Mo/Si多層膜損傷機(jī)制，首發(fā)脈沖會(huì)在輻照區(qū)表面生成高熱穩(wěn)定性的Mo/MoSi2/Si/MoSi2或Mo/Mo-Si2結(jié)構(gòu)。由于MoSi2間隔層抑制了Mo-Si的擴(kuò)散反應(yīng)以及Mo/MoSi2的化學(xué)穩(wěn)定性，故多脈沖輻照未加劇膜層塌縮現(xiàn)象[30］。

4 總結(jié)與展望

針對(duì)低原子序數(shù)B4C薄膜反射鏡，高原子序數(shù)的Au和Ru單層膜反射鏡，B4C/Ru雙層膜反射鏡以及Mo/Si多層膜反射鏡，本實(shí)驗(yàn)室利用自建的13.5 nm極紫外輻照損傷裝置開(kāi)展了納秒輻照損傷研究。研究發(fā)現(xiàn)，0.133 Pa和1.33 Pa氬氣條件下磁控濺射制備的B4C/D263反射鏡的單脈沖損傷閾值分別為1.21，0.97 J/cm2。高濺射氣壓能夠降低薄膜應(yīng)力，但是B4C薄膜致密度下降造成抗損傷性能下降。金屬Cr，W打底層的B4C薄膜損傷閾值大約只有B4C單層膜的50%，理論研究表明，損傷為熱應(yīng)力引起的界面處損傷。高原子序數(shù)Au/Si-sub和Ru/D263反射鏡都是熱熔融損傷機(jī)制，其損傷閾值分別為1.37 J/cm2和0.32 J/cm2，損傷性能的差異不僅與基板材料有關(guān)，還與Ru材料的吸收系數(shù)較大有關(guān)。B4C/Ru/D263雙層膜反射鏡的EUV損傷閾值為0.24 J/cm2，低于B4C/D263和Ru/D263單層膜。該雙層膜損傷機(jī)制包括熱應(yīng)力和熱熔融，且損傷發(fā)生在Ru-D263基板界面處。研究獲得了Mo/Si多層膜反射鏡多脈沖輻照損傷閾值隨脈沖數(shù)的變化規(guī)律，該多層膜受EUV輻照導(dǎo)致Mo-Si膜層間擴(kuò)散反應(yīng)并生成硅化鉬化合物，從而導(dǎo)致膜層塌縮并形成光滑的損傷坑。通過(guò)研究不同材料和結(jié)構(gòu)薄膜反射鏡的損傷機(jī)制，有利于研制具有更高抗輻照性能的薄膜反射鏡，從而為我國(guó)X射線自由電子激光和極紫外光刻等技術(shù)的發(fā)展提供支持。