牛筱茜，繆鵬飛，王瀚林，王孝東，陳波*

（1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130031；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190；3.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

1 引言

紫外光譜段根據(jù)波長的不同可以劃分成EUV（Extreme Ultraviolet）、遠(yuǎn)紫外、日盲和近紫外等區(qū)域［1-2］，EUV 區(qū)在電磁波譜中波長范圍通常為5～50 nm。地球大氣層中的臭氧層、氧原子和氮原子阻擋大部分紫外線到達(dá)地面，所以對空間的EUV 觀測必須在地球大氣層上。

空間EUV 成像儀器是EUV 觀測的重要載荷，一般由多層膜反射鏡、金屬濾光片和微通道板探測器構(gòu)成［3］。極紫外真空紫外薄膜反射鏡作為重要的光學(xué)元件，已廣泛應(yīng)用于大型地面科學(xué)裝置以及空間天文觀測設(shè)備［4］。多層膜反射鏡在EUV 工作波段有很高的反射率，但是在非工作波段如紫外、可見和紅外等波段也有較高的反射率。為了抑制帶外雜光的干擾，需引入濾光片消除非工作波段的輻射來確保探測光譜的純度并提高信噪比。

EUV 濾光片大致分為三種：無襯底自支撐濾光片，具有柵網(wǎng)支撐和有機(jī)膜支撐濾光片。自支撐濾光片在運(yùn)載和火箭發(fā)射過程中極易破碎，不利于制作成大面積的濾光片。有機(jī)膜因吸收較強(qiáng)，對透過率影響較大。柵網(wǎng)支撐濾光片機(jī)械強(qiáng)度高，能夠很好地對金屬薄膜起到支撐作用，且有良好的導(dǎo)熱性。但網(wǎng)格會造成衍射，對成像質(zhì)量有一定影響。在EUV 濾光片研究方面，美國的LUXEL 公司自1973 年以來開展EUV 和軟X 射線波段濾光片的研制，并成功應(yīng)用在眾多載荷中。例如美國發(fā)射的Solar Dynamics Observatory Atmospheric Imaging Assembly（SDO-AIA）等多個(gè)EUV 載荷均使用了Al 和Zr 金屬薄膜濾光片［5］。國內(nèi)同濟(jì)大學(xué)對自支撐和有機(jī)膜支撐濾光片進(jìn)行研究，研制出30.4 nm Cr/Al/Cr 自支撐濾光片和聚酰亞胺/Zr 膜濾光片［6-7］。長春理工大學(xué)于2022 年成功研制出自支撐Al 濾光片［8］。長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所對30.4 nm 處正入射成像系統(tǒng)濾光片進(jìn)行研究，測量了在30.4 nm 處自支撐Al 濾光片的透過率［9］，但目前國內(nèi)對柵網(wǎng)支撐的EUV 濾光片暫無深入研究。

針對太陽觀測的其中一條譜線Fe IX/X 17.1 nm，本文系統(tǒng)介紹了柵網(wǎng)支撐濾光片的材料選取及制備方法，通過真空熱蒸發(fā)技術(shù)沉積脫膜層及濾光膜，測量濾光片在17.1 nm 處的透過率，分析氧化層對濾光片的影響，利用橢圓偏振光譜儀建模、優(yōu)化、擬合氧化層的厚度，進(jìn)一步模擬透過率，以此對測量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。分析討論濾光片目前存在的問題以及提出后續(xù)改進(jìn)想法。本文對空間EUV 成像儀的研究有重要意義，對其他波段的濾光片研制具有參考價(jià)值。

2 基本原理

2.1 濾光片設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

EUV 波段波長很短，接近于原子尺度，光子能量和原子內(nèi)電子的束縛能相當(dāng)。當(dāng)光子能量不足以使原子電離時(shí)，最常發(fā)生的過程是光子的相干散射。通過多電子原子散射截面的概念來描述EUV 輻射與物質(zhì)的相互作用［10］：

其中：δ（ω）是多電子原子散射截面；γ是阻尼率；ωs是束縛電子的各種共振頻率；ω是入射波頻率；，是經(jīng)典電子半徑；Z是被原子束縛的電子的個(gè)數(shù)；gs是振子強(qiáng)度，表示與給定共振頻率ωs有關(guān)的電子的個(gè)數(shù)；f0（ω）是波長相關(guān)的原子散射因子，可以將其表示為：

其中，f10（ω）和f20（ω）對應(yīng)于原子散射因子的實(shí)部和虛部，分別與反射和吸收有關(guān)。

每種材料與EUV 輻射有不同的相互作用，可以用復(fù)折射率的概念來表示為：其中：n，k為復(fù)折射率的實(shí)部和虛部，實(shí)部代表入射光的相位變化稱為折射率，虛部代表吸收稱為消光系數(shù)，n和k是光學(xué)常數(shù)，可用原子散射參數(shù)的實(shí)部f10（ω）和虛部f20（ω）來表示：

其中：N是單位體積中原子個(gè)數(shù)，；ρ是物質(zhì)密度；NA是單位體積摩爾數(shù)；λ為入射波長。

透射式濾光片如圖1 所示，當(dāng)光通過厚度為d的原子密度均勻的吸收介質(zhì)，假設(shè)反射率可忽略，由比爾-朗伯定律表示在EUV 波段不同材料透過率T的計(jì)算公式為：

其中：μ為特定波長處的線性吸收系數(shù)；μ*為特定波長處的質(zhì)量吸收系數(shù)，單位：cm2/g；質(zhì)量吸收系數(shù)相比于線性吸收系數(shù)數(shù)值與物質(zhì)密度無關(guān)，實(shí)際中處理更為方便。d為材料的厚度。其中：

圖1 透射式濾光片示意圖Fig.1 Schematic of transmission filter

通過式（6）即可計(jì)算出不同材料不同厚度濾光片的透過率。

2.2 EUV 濾光片的設(shè)計(jì)

材料決定EUV 濾光片的性能，選材主要考慮三個(gè)方面：較好的熱穩(wěn)定性及成膜特性［11］；較高的機(jī)械強(qiáng)度；抗氧化性，或采用在濾光片材料表面添加保護(hù)涂層的方法，防止濾光片氧化［12］。

圖2 不同材料的質(zhì)量吸收系數(shù)及透過率Fig.2 Absorption coefficient and trasmission of different materials

根據(jù)材料本身性質(zhì)和不同波長下的質(zhì)量吸收系數(shù)和透過率，EUV 濾光片常選用的材料有Al，C，Si，Zr，Cr 等，如圖2 所示。本文軟件模擬使用的是Windt 開發(fā)的IMD 軟件，IMD 用于模擬單層或多層薄膜的光學(xué)性質(zhì)（反射率，透射率，電場強(qiáng)度等）［13］。將所有材料的厚度均設(shè)為150 nm。根據(jù)圖2、圖3 中Al 在各波段的透過率曲線可知，Al 在17～67 nm 波段處具有較高的透過率，并且在17 nm 吸收邊以下、近紫外和可見光區(qū)域透過率很低［14］。通過對材料的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、成膜特性、無毒性和在17.1 nm 處的質(zhì)量吸收系數(shù)及透過率等方面的綜合考慮，選擇Al 作為17.1 nm EUV 濾光片的制作材料。

圖3 150 nm Al 在可見光的透過率曲線Fig.3 Transmission of 150 nm Al in visible

濾光片的透過率隨濾光膜厚度的減小而增大，厚度減小的同時(shí)機(jī)械強(qiáng)度會降低，因此濾光膜厚度通常大于100 nm［15］。對100～250 nm 厚的Al 膜利用IMD 軟件進(jìn)行透過率的模擬，如圖4所示。模擬結(jié)果顯示：150 nm 的Al 膜在17.1 nm處的透過率較高且在吸收邊以下的波段透過率較低，因此選擇150 nm 厚的Al 膜制備濾光片，保證有效抑制帶外輻射的同時(shí)提高機(jī)械強(qiáng)度。

圖4 不同厚度Al 的透過率曲線Fig.4 Transmission of Al with different thicknesses

2.3 EUV 濾光片的制備

通常情況下，當(dāng)膜厚為亞微米量級并且直徑達(dá)到1 cm 時(shí)，就需要網(wǎng)襯加以支撐［16］。本文采用金屬鎳網(wǎng)支撐，以提高濾光片的機(jī)械性能和面積。濾光片的制備分為真空熱蒸發(fā)沉積薄膜和脫膜打撈兩個(gè)過程，濾光膜制備過程如圖5所示。

圖5 濾光膜的制備流程Fig.5 Preparation of filter

將脫膜層和金屬薄膜依次通過熱蒸發(fā)沉積在基底上。選用直徑25 mm 的超光滑潔凈熔石英作為基底，基底在制作過程中為金屬薄膜提供額外的機(jī)械支撐。脫膜層選用純度為99.999% 的CsI，金屬材料選用純度為99.99%的Al 絲，鍍膜初始真空度為9×10-4Pa，溫度為室溫。

蒸鍍完成后將其傾斜放入水中進(jìn)行脫膜，CsI 極易溶于水，水作為脫膜劑簡單方便并且環(huán)保無毒［17］。靜 置5～10 min 待脫膜層完全溶解，用透過率為80% 的鎳網(wǎng)將漂浮的Al 膜打撈起，制備成具有柵網(wǎng)支撐的EUV 濾光片。

制備好的濾光片樣品如圖6 所示。在顯微鏡下觀察濾光片的正反兩面可見，Al 膜平整均勻無明顯針孔，如圖7 所示。如果膜厚不均勻，則對薄膜特性有嚴(yán)重的影響［18］。

圖6 具有柵網(wǎng)支撐的Al 濾光片樣品Fig.6 Al filter sample with mesh supported

圖7 顯微鏡下濾光片表面形態(tài)Fig.7 Surface topography of mesh-support filter under microscope

3 測量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 濾光片的透過率測量

濾光片樣品EUV 波段的透過率測量在合肥國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，在17.1 nm 的透射率達(dá)到43.81%。美國NASA Solar Dynamics Observatory（SDO）搭載的The Extreme ultraviolet Spectro Photometer（ESP）［19］采用的是150 nm 自支撐Al 濾光片，考慮鎳網(wǎng)所造成的遮擋，本文制備的濾光片透過率與國外設(shè)備濾光片透過率基本一致，如圖8 所示。樣品測量曲線中的“毛刺”可能是測試時(shí)通過濾光片的光強(qiáng)不穩(wěn)定造成的，多次測量可消除。

圖8 ESP 與樣品濾光片透過率對比圖Fig.8 Comparison between the transmission of ESP and sample

3.2 氧化層對濾光片影響研究

在實(shí)際應(yīng)用過程中Al 在空氣中容易被氧化形成Al2O3，氧化層的透過率比金屬薄膜小很多，對濾光片的總體透過率影響較大［20］。將Al 膜在室溫狀態(tài)下放置，利用橢圓偏振光譜儀測量、建模、優(yōu)化擬合得到氧化層在不同時(shí)間（1 d，3 d，7 d）的厚度隨時(shí)間變化規(guī)律，模擬得到氧化后濾光膜的透過率。

Al 作為基底建立模型，假定Al 在空氣中形成的Al2O3大約為5 nm［21］。對于已知確定材料選擇數(shù)據(jù)庫中的光學(xué)常數(shù)參考值，波長范圍為300～700 nm，測試入射角為70°。通過χ2值檢驗(yàn)擬合質(zhì)量（量化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算之間的差，值越小擬合越好）。由于氧化層的表面粗糙度很高，引入粗糙層可以優(yōu)化χ2，從而得到更準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。

圖9 為樣品放置24 h，引入粗糙度優(yōu)化前后的擬合結(jié)果。初次擬合，χ2為0.796。利用原子力顯微鏡（AFM）測得氧化層的粗糙度，加入粗糙度影響對優(yōu)化后模型再次擬合得到χ2為0.789。表1 為利用原子力顯微鏡和橢偏儀測得同一樣品隨時(shí)間變化的表面粗糙度與氧化層厚度，結(jié)果表明放置一周時(shí)氧化基本完成，氧化層厚度與模擬透過率基本不變。

圖9 橢偏儀擬合結(jié)果Fig.9 Results of fitting by spectroscopic ellipsometry

表1 粗糙度和氧化層厚度變化Tab.1 Variations in roughness and thickness of oxide layer

樣品放置7 d，在合肥同步輻射實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行透過率測量。將實(shí)際測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入IMD，以進(jìn)行建模和曲線擬合，調(diào)整層厚度以達(dá)到指定的目標(biāo)輪廓。利用IMD 擬合得到與測量值最為接近的曲線，Al2O3/Al/Al2O3擬合的厚度為6.25 nm/139.88 nm/6.25 nm，粗糙度為1.87 nm，在17.1 nm 處透過率為42.15%。將IMD 擬合結(jié)果，橢偏儀模擬結(jié)果與濾光片樣品實(shí)際測試結(jié)果進(jìn)行對比，如圖10 所示。

圖10 濾光片模擬透過率與測量透過率對比圖Fig.10 Comparison between simulated transmission and measured transmission of filter

結(jié)果顯示模擬值與實(shí)驗(yàn)值絕對誤差在1%左右，符合良好。造成誤差的可能原因：一是Al2O3與Al 分界不明顯，模擬厚度不準(zhǔn)確造成模擬值的偏差；二是可能由于光學(xué)常數(shù)不同，表面污染，儀器精度等問題引起，在誤差允許范圍內(nèi)。濾光片氧化后透過率顯著降低，如何防止濾光片氧化來提高在中心波長的透過率是EUV 濾光片的重點(diǎn)研究問題。

3.3 濾光片表面XPS 測試

利用X 射線光電子能譜儀（XPS）分析濾光片表面的元素組成，XPS 探測的信號在樣品表層的5～10 nm 左右。所用X 射線源為Al Kα 微聚集單色器，X 光束斑直徑為400 μm，真空度為8×10-8，入射角90°，功率72 W，分辨率為0.4 eV。測試樣品為采用真空熱蒸發(fā)鍍膜在Si 基底上沉積Al 薄膜，厚度為150 nm。測試中，樣品峰位用C1s 峰進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)（284.8 eV）。

通過采集Al 膜表層的XPS 圖譜，如圖11 所示?？梢源_認(rèn)濾光膜表層的主要成分是Al 和O，O 由于樣品氧化來自于空氣吸附，表層還存在少量的C，N。通過譜圖積分面積計(jì)算出表層元素含量，計(jì)算結(jié)果如表2 所示。分析認(rèn)為C 由于樣品表面吸附或污染引起的［22］，而N 可能為薄膜沉積時(shí)真空室內(nèi)引入的微量雜質(zhì)，沒有檢測到基底Si 元素說明樣品致密性良好。

圖11 Al 膜表面XPS 全譜圖Fig.11 XPS survey of the Al film on the surfaces

3.4 表面缺陷對濾光片影響研究

濾光片邊緣可能存在一定數(shù)量的針孔，將樣品放在強(qiáng)光燈下照射，如圖12 所示。針孔可能是蒸鍍金屬材料時(shí)引起的顆粒噴濺或脫膜劑潮解造成的，可能導(dǎo)致濾光片在可見光波段整體透過率增大［6］。用PerkinElmer Lambda 950 紫外可見分光光度計(jì)測量濾光片在可見光波段的透過率，與 IMD 模擬得到的可見光透過率相比增大，如圖13所示。因Lambda 950 的測試精度為0.03%，測量極限大約在10-4～10-5量級，測量數(shù)值達(dá)到了儀器的測量極限而使結(jié)果產(chǎn)生誤差。

表2 薄膜表面各元素的原子百分比Tab.2 Atomic ratio on the surface of the thin films

圖12 濾光片表面針孔Fig.12 Pinholes on the surface of a filter

4 結(jié)論

本文經(jīng)過理論計(jì)算和軟件模擬，選擇150 nm的Al 作為制備濾光片的材料。采用真空熱蒸發(fā)技術(shù)在熔石英基底上依次沉積CsI 和Al，成功制備了鎳網(wǎng)支撐的EUV 濾光片。結(jié)果表明，濾光片樣品在17.1 nm 處的透過率測量值為43.81%，表面光滑平整無明顯針孔，符合應(yīng)用要求。

圖13 可見光波段濾光片的透過率Fig.13 Transmission of the filter in visible region

由于Al 在空氣中極易氧化，對透過率影響較大。為了探究氧化層對透過率的影響，使用橢偏儀測量、建模、擬合得到隨時(shí)間變化的氧化層的厚度，利用原子力顯微鏡測量其表面粗糙度，模擬放置不同天數(shù)的濾光片透過率。并用IMD 與實(shí)際測量值擬合得到濾光片在17.1 nm 處的模擬透過率。最終實(shí)際測量值與模擬值絕對誤差在1%左右，達(dá)到理論設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。但目前依舊存在針孔及氧化問題，是下一步研究的重點(diǎn)方向。