17.1 nm 极紫外滤光片的制备

牛筱茜，缪鹏飞，王瀚林，王孝东，陈波*

（1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130031；2.中国科学院大学，北京 100190；3.上海卫星工程研究所，上海 200240）

1 引言

紫外光谱段根据波长的不同可以划分成EUV（Extreme Ultraviolet）、远紫外、日盲和近紫外等区域［1-2］，EUV 区在电磁波谱中波长范围通常为5～50 nm。地球大气层中的臭氧层、氧原子和氮原子阻挡大部分紫外线到达地面，所以对空间的EUV 观测必须在地球大气层上。

空间EUV 成像仪器是EUV 观测的重要载荷，一般由多层膜反射镜、金属滤光片和微通道板探测器构成［3］。极紫外真空紫外薄膜反射镜作为重要的光学元件，已广泛应用于大型地面科学装置以及空间天文观测设备［4］。多层膜反射镜在EUV 工作波段有很高的反射率，但是在非工作波段如紫外、可见和红外等波段也有较高的反射率。为了抑制带外杂光的干扰，需引入滤光片消除非工作波段的辐射来确保探测光谱的纯度并提高信噪比。

EUV 滤光片大致分为三种：无衬底自支撑滤光片，具有栅网支撑和有机膜支撑滤光片。自支撑滤光片在运载和火箭发射过程中极易破碎，不利于制作成大面积的滤光片。有机膜因吸收较强，对透过率影响较大。栅网支撑滤光片机械强度高，能够很好地对金属薄膜起到支撑作用，且有良好的导热性。但网格会造成衍射，对成像质量有一定影响。在EUV 滤光片研究方面，美国的LUXEL 公司自1973 年以来开展EUV 和软X 射线波段滤光片的研制，并成功应用在众多载荷中。例如美国发射的Solar Dynamics Observatory Atmospheric Imaging Assembly（SDO-AIA）等多个EUV 载荷均使用了Al 和Zr 金属薄膜滤光片［5］。国内同济大学对自支撑和有机膜支撑滤光片进行研究，研制出30.4 nm Cr/Al/Cr 自支撑滤光片和聚酰亚胺/Zr 膜滤光片［6-7］。长春理工大学于2022 年成功研制出自支撑Al 滤光片［8］。长春光学精密机械与物理研究所对30.4 nm 处正入射成像系统滤光片进行研究，测量了在30.4 nm 处自支撑Al 滤光片的透过率［9］，但目前国内对栅网支撑的EUV 滤光片暂无深入研究。

针对太阳观测的其中一条谱线Fe IX/X 17.1 nm，本文系统介绍了栅网支撑滤光片的材料选取及制备方法，通过真空热蒸发技术沉积脱膜层及滤光膜，测量滤光片在17.1 nm 处的透过率，分析氧化层对滤光片的影响，利用椭圆偏振光谱仪建模、优化、拟合氧化层的厚度，进一步模拟透过率，以此对测量结果进行验证。分析讨论滤光片目前存在的问题以及提出后续改进想法。本文对空间EUV 成像仪的研究有重要意义，对其他波段的滤光片研制具有参考价值。

2 基本原理

2.1 滤光片设计理论基础

EUV 波段波长很短，接近于原子尺度，光子能量和原子内电子的束缚能相当。当光子能量不足以使原子电离时，最常发生的过程是光子的相干散射。通过多电子原子散射截面的概念来描述EUV 辐射与物质的相互作用［10］：

其中：δ（ω）是多电子原子散射截面；γ是阻尼率；ωs是束缚电子的各种共振频率；ω是入射波频率；，是经典电子半径；Z是被原子束缚的电子的个数；gs是振子强度，表示与给定共振频率ωs有关的电子的个数；f0（ω）是波长相关的原子散射因子，可以将其表示为：

其中，f10（ω）和f20（ω）对应于原子散射因子的实部和虚部，分别与反射和吸收有关。

每种材料与EUV 辐射有不同的相互作用，可以用复折射率的概念来表示为：其中：n，k为复折射率的实部和虚部，实部代表入射光的相位变化称为折射率，虚部代表吸收称为消光系数，n和k是光学常数，可用原子散射参数的实部f10（ω）和虚部f20（ω）来表示：

其中：N是单位体积中原子个数，；ρ是物质密度；NA是单位体积摩尔数；λ为入射波长。

透射式滤光片如图1 所示，当光通过厚度为d的原子密度均匀的吸收介质，假设反射率可忽略，由比尔-朗伯定律表示在EUV 波段不同材料透过率T的计算公式为：

其中：μ为特定波长处的线性吸收系数；μ*为特定波长处的质量吸收系数，单位：cm²/g；质量吸收系数相比于线性吸收系数数值与物质密度无关，实际中处理更为方便。d为材料的厚度。其中：

图1 透射式滤光片示意图Fig.1 Schematic of transmission filter

通过式（6）即可计算出不同材料不同厚度滤光片的透过率。

2.2 EUV 滤光片的设计

材料决定EUV 滤光片的性能，选材主要考虑三个方面：较好的热稳定性及成膜特性［11］；较高的机械强度；抗氧化性，或采用在滤光片材料表面添加保护涂层的方法，防止滤光片氧化［12］。

图2 不同材料的质量吸收系数及透过率Fig.2 Absorption coefficient and trasmission of different materials

根据材料本身性质和不同波长下的质量吸收系数和透过率，EUV 滤光片常选用的材料有Al，C，Si，Zr，Cr 等，如图2 所示。本文软件模拟使用的是Windt 开发的IMD 软件，IMD 用于模拟单层或多层薄膜的光学性质（反射率，透射率，电场强度等）［13］。将所有材料的厚度均设为150 nm。根据图2、图3 中Al 在各波段的透过率曲线可知，Al 在17～67 nm 波段处具有较高的透过率，并且在17 nm 吸收边以下、近紫外和可见光区域透过率很低［14］。通过对材料的机械强度、热稳定性、成膜特性、无毒性和在17.1 nm 处的质量吸收系数及透过率等方面的综合考虑，选择Al 作为17.1 nm EUV 滤光片的制作材料。

图3 150 nm Al 在可见光的透过率曲线Fig.3 Transmission of 150 nm Al in visible

滤光片的透过率随滤光膜厚度的减小而增大，厚度减小的同时机械强度会降低，因此滤光膜厚度通常大于100 nm［15］。对100～250 nm 厚的Al 膜利用IMD 软件进行透过率的模拟，如图4所示。模拟结果显示：150 nm 的Al 膜在17.1 nm处的透过率较高且在吸收边以下的波段透过率较低，因此选择150 nm 厚的Al 膜制备滤光片，保证有效抑制带外辐射的同时提高机械强度。

图4 不同厚度Al 的透过率曲线Fig.4 Transmission of Al with different thicknesses

2.3 EUV 滤光片的制备

通常情况下，当膜厚为亚微米量级并且直径达到1 cm 时，就需要网衬加以支撑［16］。本文采用金属镍网支撑，以提高滤光片的机械性能和面积。滤光片的制备分为真空热蒸发沉积薄膜和脱膜打捞两个过程，滤光膜制备过程如图5所示。

图5 滤光膜的制备流程Fig.5 Preparation of filter

将脱膜层和金属薄膜依次通过热蒸发沉积在基底上。选用直径25 mm 的超光滑洁净熔石英作为基底，基底在制作过程中为金属薄膜提供额外的机械支撑。脱膜层选用纯度为99.999% 的CsI，金属材料选用纯度为99.99%的Al 丝，镀膜初始真空度为9×10-4Pa，温度为室温。

蒸镀完成后将其倾斜放入水中进行脱膜，CsI 极易溶于水，水作为脱膜剂简单方便并且环保无毒［17］。静 置5～10 min 待脱膜层完全溶解，用透过率为80% 的镍网将漂浮的Al 膜打捞起，制备成具有栅网支撑的EUV 滤光片。

制备好的滤光片样品如图6 所示。在显微镜下观察滤光片的正反两面可见，Al 膜平整均匀无明显针孔，如图7 所示。如果膜厚不均匀，则对薄膜特性有严重的影响［18］。

图6 具有栅网支撑的Al 滤光片样品Fig.6 Al filter sample with mesh supported

图7 显微镜下滤光片表面形态Fig.7 Surface topography of mesh-support filter under microscope

3 测量实验与结果

3.1 滤光片的透过率测量

滤光片样品EUV 波段的透过率测量在合肥国家同步辐射实验室进行，在17.1 nm 的透射率达到43.81%。美国NASA Solar Dynamics Observatory（SDO）搭载的The Extreme ultraviolet Spectro Photometer（ESP）［19］采用的是150 nm 自支撑Al 滤光片，考虑镍网所造成的遮挡，本文制备的滤光片透过率与国外设备滤光片透过率基本一致，如图8 所示。样品测量曲线中的“毛刺”可能是测试时通过滤光片的光强不稳定造成的，多次测量可消除。

图8 ESP 与样品滤光片透过率对比图Fig.8 Comparison between the transmission of ESP and sample

3.2 氧化层对滤光片影响研究

在实际应用过程中Al 在空气中容易被氧化形成Al2O3，氧化层的透过率比金属薄膜小很多，对滤光片的总体透过率影响较大［20］。将Al 膜在室温状态下放置，利用椭圆偏振光谱仪测量、建模、优化拟合得到氧化层在不同时间（1 d，3 d，7 d）的厚度随时间变化规律，模拟得到氧化后滤光膜的透过率。

Al 作为基底建立模型，假定Al 在空气中形成的Al2O3大约为5 nm［21］。对于已知确定材料选择数据库中的光学常数参考值，波长范围为300～700 nm，测试入射角为70°。通过χ2值检验拟合质量（量化实验数据与模型计算之间的差，值越小拟合越好）。由于氧化层的表面粗糙度很高，引入粗糙层可以优化χ2，从而得到更准确的模拟结果。

图9 为样品放置24 h，引入粗糙度优化前后的拟合结果。初次拟合，χ2为0.796。利用原子力显微镜（AFM）测得氧化层的粗糙度，加入粗糙度影响对优化后模型再次拟合得到χ2为0.789。表1 为利用原子力显微镜和椭偏仪测得同一样品随时间变化的表面粗糙度与氧化层厚度，结果表明放置一周时氧化基本完成，氧化层厚度与模拟透过率基本不变。

图9 椭偏仪拟合结果Fig.9 Results of fitting by spectroscopic ellipsometry

表1 粗糙度和氧化层厚度变化Tab.1 Variations in roughness and thickness of oxide layer

样品放置7 d，在合肥同步辐射实验室进行透过率测量。将实际测量数据导入IMD，以进行建模和曲线拟合，调整层厚度以达到指定的目标轮廓。利用IMD 拟合得到与测量值最为接近的曲线，Al2O3/Al/Al2O3拟合的厚度为6.25 nm/139.88 nm/6.25 nm，粗糙度为1.87 nm，在17.1 nm 处透过率为42.15%。将IMD 拟合结果，椭偏仪模拟结果与滤光片样品实际测试结果进行对比，如图10 所示。

图10 滤光片模拟透过率与测量透过率对比图Fig.10 Comparison between simulated transmission and measured transmission of filter

结果显示模拟值与实验值绝对误差在1%左右，符合良好。造成误差的可能原因：一是Al2O3与Al 分界不明显，模拟厚度不准确造成模拟值的偏差；二是可能由于光学常数不同，表面污染，仪器精度等问题引起，在误差允许范围内。滤光片氧化后透过率显著降低，如何防止滤光片氧化来提高在中心波长的透过率是EUV 滤光片的重点研究问题。

3.3 滤光片表面XPS 测试

利用X 射线光电子能谱仪（XPS）分析滤光片表面的元素组成，XPS 探测的信号在样品表层的5～10 nm 左右。所用X 射线源为Al Kα 微聚集单色器，X 光束斑直径为400 μm，真空度为8×10-8，入射角90°，功率72 W，分辨率为0.4 eV。测试样品为采用真空热蒸发镀膜在Si 基底上沉积Al 薄膜，厚度为150 nm。测试中，样品峰位用C1s 峰进行数据校准（284.8 eV）。

通过采集Al 膜表层的XPS 图谱，如图11 所示。可以确认滤光膜表层的主要成分是Al 和O，O 由于样品氧化来自于空气吸附，表层还存在少量的C，N。通过谱图积分面积计算出表层元素含量，计算结果如表2 所示。分析认为C 由于样品表面吸附或污染引起的［22］，而N 可能为薄膜沉积时真空室内引入的微量杂质，没有检测到基底Si 元素说明样品致密性良好。

图11 Al 膜表面XPS 全谱图Fig.11 XPS survey of the Al film on the surfaces

3.4 表面缺陷对滤光片影响研究

滤光片边缘可能存在一定数量的针孔，将样品放在强光灯下照射，如图12 所示。针孔可能是蒸镀金属材料时引起的颗粒喷溅或脱膜剂潮解造成的，可能导致滤光片在可见光波段整体透过率增大［6］。用PerkinElmer Lambda 950 紫外可见分光光度计测量滤光片在可见光波段的透过率，与 IMD 模拟得到的可见光透过率相比增大，如图13所示。因Lambda 950 的测试精度为0.03%，测量极限大约在10-4～10-5量级，测量数值达到了仪器的测量极限而使结果产生误差。

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

图12 滤光片表面针孔Fig.12 Pinholes on the surface of a filter

4 结论

本文经过理论计算和软件模拟，选择150 nm的Al 作为制备滤光片的材料。采用真空热蒸发技术在熔石英基底上依次沉积CsI 和Al，成功制备了镍网支撑的EUV 滤光片。结果表明，滤光片样品在17.1 nm 处的透过率测量值为43.81%，表面光滑平整无明显针孔，符合应用要求。

图13 可见光波段滤光片的透过率Fig.13 Transmission of the filter in visible region

由于Al 在空气中极易氧化，对透过率影响较大。为了探究氧化层对透过率的影响，使用椭偏仪测量、建模、拟合得到随时间变化的氧化层的厚度，利用原子力显微镜测量其表面粗糙度，模拟放置不同天数的滤光片透过率。并用IMD 与实际测量值拟合得到滤光片在17.1 nm 处的模拟透过率。最终实际测量值与模拟值绝对误差在1%左右，达到理论设计的预期效果。但目前依旧存在针孔及氧化问题，是下一步研究的重点方向。