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193nm ArF 准分子激光器光学元件损伤特性研究综述

摘要

193nm ArF 准分子激光器作为深紫外波段的重要光源，在集成电路光刻、激光医学及精密材料加工等领域具有不可替代的应用价值。然而，该波段激光光子能量高达 6.4 eV ，远超多数光学材料的吸收带隙，加之脉冲能量密度极高，光学元件的激光诱导损伤已成为制约系统性能与寿命的核心瓶颈。本文从损伤机理、影响因素与提升策略三个层面，系统梳理 193nm 准分子激光器光学元件损伤特性的研究进展。分析表明，193nm 激光对光学薄膜、窗口材料及反射镜的损伤受基底材料、镀膜工艺、环境气氛及脉冲参数等多因素耦合影响，氟化物材料体系因宽禁带特性而表现出相对优势，而保护层工艺与新型沉积方法可显著提升损伤阈值。本综述旨在为高功率 193nm 激光系统的光学元件选型与损伤防护设计提供参考。

关键词：193nm 准分子激光；激光诱导损伤；光学薄膜；损伤阈值；氟化物

1 引言

193nm ArF 准分子激光器凭借其短波长、高光子能量和超紫外辐射特性，已成为半导体光刻技术的主流光源，并逐步取代了基于汞灯的传统光源。在该波段，激光与物质相互作用以光化学反应为主导，能够实现亚微米级的精密加工，这一特性既构成其应用优势，也成为光学元件损伤的根源。

随着光刻分辨率要求不断提升，193nm 激光器的输出功率与脉冲能量持续增加，光学薄膜、窗口材料及反射镜等元件的损伤问题日益突出。损伤不仅导致光束质量劣化和能量损耗，更直接影响系统的可靠性与使用寿命。因此，深入理解 193nm 激光诱导损伤的机理、规律与抑制方法，对推动深紫外光刻技术的发展具有重要意义。

本文基于国内外相关研究成果，系统综述193nm 准分子激光器光学元件损伤特性的研究现状。

第 2 节分析损伤的物理机理与特殊性；第 3 节梳理影响损伤阈值的关键因素；第 4 节总结损伤阈值提升的技术路径；第 5 节给出结论与展望。

2.1 准分子激光器及损伤测量原理

2.1.1 准分子激光器原理：

准分子激光器的核心原理是利用惰性气体和卤素气体混合物在激发状态下形成短寿命的准分子，当其跃迁至基态时释放紫外光。

1. 气体激励：通过强电子束或快速脉冲放电激发混合气体（如氟和氩），使惰性气体原子处于激发态。这种激发态促使惰性气体与卤素原子结合，形成准分子（如 ArF 、KrF） ;在工程上，还会充入大量的缓冲气体（如氖气 Ne 或氦气 He）。缓冲气体的主要作用是充当散热介质、维持放电均匀性，并协助将惰性气体激发到亚稳态。

2. 粒子数反转：基态的准分子极其不稳定，其寿命极短（通常在皮秒量级） ,所以自然形成激发态准分子的寿命天然远长于基态;也就是说准分子的极其容易实现上能级粒子数远多于下能级的粒子数反转状态。这种反转使得受激辐射更容易发生，从而产生激光。

3. 激光发射：当准分子从激发态跃迁回不稳定的基态时，释放出紫外波段的高能光子，波长通常在 193-351 纳米之间。这一过程中，准分子解离为原始原子，在工程上会采用脉冲放电激发，所以准分子激光同样以脉冲形式输出。

图 1 准分子激光器原理图

2.1.2 准分子激光器损伤实验原理

实验系统如图 2 所示，主要由 193 nm ArF 准分子激光器、激光能计、光束质量分析仪、聚焦透镜、衰减片、分光镜与二维移动平台等组成。

图 2 准分子激光器损伤实验原理图

2.2 193nm 激光诱导损伤的机理与特殊性

2.2.1 光化学作用主导的损伤机制

与红外或可见光波段的热效应损伤不同，193nm 深紫外激光与材料相互作用以光化学反应为主导。该波段光子能量足以直接打断有机分子及部分无机材料的化学键，导致材料分解、挥发或结构性破坏。以角膜组织为例，193nm 激光每个脉冲可精确消融 0.2~0.25 μm 厚度的生物组织，其损伤机理经电子显微镜观察确认为“光化学反应”而非热凝固。

对于光学薄膜材料，193nm 激光诱导损伤的机理更为复杂。研究指出，氟化物薄膜（如 LaF3、 MgF2）在 193nm 辐照下的损伤行为与薄膜制备工艺、缺陷密度及膜层界面状态密切相关。高光子能量可直接激发材料中的电子跃迁，引发色心形成、结构缺陷增殖乃至宏观开裂。

2.2.2 193nm 波段的特殊性

与其他准分子激光波段（如 248nm KrF 、308nm XeCl）相比，193nm 激光的损伤效应呈现独特性。体外细胞实验表明，193nm 辐照导致的细胞毒性低于基于 DNA 吸收光谱的预测值，其致突变性也弱于 248nm 。研究者认为，这可能是由于 193nm 激光被细胞表面蛋白质强烈吸收，削弱了其对细胞核 DNA 的直接作用。然而，这一“相对安全”特征对光学材料并不适用——恰恰因为几乎所有材料对 193nm 辐射都有强吸收，光学元件的损伤阈值普遍偏低。

环境因素进一步加剧了 193nm 光学元件的损伤风险。在激光腔内测试时，介质反射镜的损伤阈值较空气中测试平均降低约 20%，归因于辐照面积增大导致的缺陷概率增加、X 射线辐射以及含氟气体环境的化学侵蚀。

3 光学元件损伤的影响因素

3.1 基底材料

基底材料的光学性能与热物性显著影响元件整体抗损伤能力。对于透镜而言在 193nm 波段， CaF2 与 MgF2基底的损伤阈值比石英基底高出约 60%。且 DUV 透射率远超石英，是 DUV 透镜的首选材料。

对于深紫外反射镜的考量点在于：反射镜表面的增反膜主要承担抗损伤能力，而基底材料主要承担散热能力，所以高热导率且便宜的硅相比石英更适合做反射镜的基底材料。

3.2 薄膜材料与镀膜工艺

薄膜材料的选择直接决定反射镜与增透膜的损伤阈值。不同膜系在 193nm 的损伤阈值差异显著（表 1）：

膜系/反射镜类型	反射率	损伤阈值
(Al₂O3/MgF₂)*Al₂O₃ on MgF₂基底	70%	0.6 J/cm²
(LaF₃/MgF₂)*MgF₂	93%	2.7 J/cm²
热离子沉积铝镜（193nm）	~85-90%	0.5 J/cm²
Si 基底铝镜（193nm）	~85-90%	1.2 J/cm²

从上面的深紫外反射镜体系评估图表可见，LaF₃/MgF₂体系在 193nm 具有较高的损伤阈值且反射率最高，是性能参数上的最优解，仅因为其成本高昂，未必是工程上的最优解；而硅基底的铝镜其反射率和损伤阈值综合评估均为第二，但成本远低于 LaF₃/MgF₂体系，所以可以构成一个工程上的备选项。

3.3 脉冲参数与环境气氛

激光脉冲宽度、重复频率及环境气氛对损伤阈值亦有重要影响。193nm ArF 激光器典型脉冲宽度都在纳秒级，腔外测试与腔内测试的损伤阈值差异体现了环境气氛的显著作用。含氟气氛对石英窗口增透膜的侵蚀效应尤为突出，而对 MgF₂ 、CaF₂等氟化物材料则影响较小。

4 损伤阈值提升策略

4.1 保护层工艺

在光学薄膜表面镀制保护层是提升 193nm 元件损伤阈值的有效手段。研究表明，在反射镜表面镀制λ/2 厚度的 MgF₂保护层，可将损伤阈值提高 2 倍以上。保护层的功能在于隔离环境气氛的化学侵蚀，同时抑制表面缺陷处的电场增强效应。

4.2 新型沉积技术-热离子沉积法

传统热蒸发镀膜因膜层疏松、缺陷密度高，限制了损伤阈值的进一步提升。热离子沉积法通过提高沉积粒子能量，可获得接近块体材料密度的膜层，显著改善铝镜的紫外光学强度。对于介质膜，离子辅助沉积等技术的引入也有望减少膜层吸收与缺陷。

4.3 材料体系优化

LaF₃/MgF₂ 高反射膜体系在 193nm 展现出 2.7 J/cm² 的损伤阈值，是目前报道的较优水平。 Nd F₃/NaAlF₆体系同样表现出高损伤阈值和良好的化学耐久性。氟化物材料因宽禁带特性（吸收边远短于 193nm），在深紫外波段具有天然优势，是未来高功率 193nm 光学元件的重要发展方向。

5 结论与展望

193nm ArF 准分子激光器的光学元件损伤是限制系统性能提升的关键瓶颈。本文综述表明：

1. 193nm 激光损伤以光化学机理为主导，其特殊性在于几乎所有材料对该波段均有强吸收，导致损伤阈值普遍偏低。

2. 基底材料、薄膜体系、镀膜工艺及环境气氛是影响损伤阈值的主要因素，氟化物材料体系（如LaF₃/MgF₂ 、CaF₂ 、MgF₂）因宽禁带特性而表现出更优的抗损伤性能。

3. 保护层工艺、新型沉积技术及材料体系优化可将损伤阈值提升 2 倍以上，但目前 193nm 高反镜的实用损伤阈值仍普遍在 1~3 J/cm²量级。

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