一種聚合物輻照損傷測(cè)試裝置與測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種材料輻照損傷測(cè)試裝置與測(cè)試方法，具體涉及一種準(zhǔn)分子激光對(duì) 聚合物材料的輻照損傷測(cè)試裝置與測(cè)試方法，屬于材料性能的測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光應(yīng)用系統(tǒng)（如光刻機(jī)）會(huì)使用各種類型的材料，激光直射或散射到材料表面， 可能會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生輻照損傷，從而使材料發(fā)生功能性失效。一些短波長的激光（如準(zhǔn)分子 激光）的峰值功率高、單光子能量高且材料對(duì)其吸收率也高，能將一些聚合物的化學(xué)鍵直 接打斷，產(chǎn)生的某些氣體碎片會(huì)污染光學(xué)系統(tǒng)，影響光刻性能。因此，必須準(zhǔn)確獲得聚合物 的輻照損傷閾值，分析損傷產(chǎn)生的氣體碎片組分，計(jì)算損傷組分中污染物（如碳?xì)浠衔铮?的總量，從而指導(dǎo)光刻機(jī)材料的選型。
[0003] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中典型的光學(xué)薄膜激光損傷測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)示意圖，其是一種基于 光學(xué)顯微成像和偏振衰減的光學(xué)薄膜激光損傷測(cè)試裝置，但該裝置不能實(shí)時(shí)檢測(cè)樣品的輻 照損傷，因此得到的損傷閾值會(huì)有一定的誤差；并且該裝置不能實(shí)時(shí)定性和定量地分析出 聚合物輻照損傷產(chǎn)生的氣體碎片組分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明提出了一種聚合物輻照損傷的測(cè)試裝置與方法。本發(fā)明首先準(zhǔn) 確測(cè)試輻照到聚合物上的準(zhǔn)分子激光能量密度，精確得到聚合物的輻照損傷閾值；其次，定 性分析聚合物發(fā)生輻照損傷的物質(zhì)組分，結(jié)合其化學(xué)組成結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分析斷裂的化學(xué)鍵； 最后，計(jì)算得到輻照損傷產(chǎn)生的污染物總量。
[0005] 為解決上述問題，本發(fā)明提出一種聚合物輻照損傷的測(cè)試裝置，包括相互獨(dú)立的 光源室、光路室和樣品室，所述光路室和樣品室為真空腔室，且所述光源室、光路室和樣品 室之間通過法蘭窗口隔斷；
[0006] 所述光源室中設(shè)置有用于產(chǎn)生預(yù)定波長的準(zhǔn)分子激光的準(zhǔn)分子激光源，所產(chǎn)生的 準(zhǔn)分子激光入射到光路室中；
[0007] 所述光路室內(nèi)設(shè)置有光路傳輸部件和光學(xué)檢測(cè)部件；所述光路傳輸部件包括：光 束衰減器、勻束器、快門、聚焦透鏡、第一分束鏡和第二分束鏡，用于將入射到所述光路室的 準(zhǔn)分子激光變?yōu)槟芰靠烧{(diào)節(jié)的、能量密度均勻的和輻照時(shí)間可控制的聚焦光斑而出射出 去；所述光學(xué)檢測(cè)部件包括能量計(jì)和光束質(zhì)量分析儀，用于測(cè)試所在位置的光束能量和光 斑面積，以獲得輻照到樣品上的能量密度；
[0008] 所述樣品室放置有樣品座、樣品、質(zhì)譜計(jì)和真空栗組，其中樣品座具有三維調(diào)節(jié)裝 置，用于對(duì)所述樣品座進(jìn)行X、y和Z軸三維調(diào)節(jié)，所述質(zhì)譜計(jì)在線測(cè)試所述樣品室的氣體組 分，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與判斷樣品是否發(fā)生輻照損傷，同時(shí)分析樣品發(fā)生輻照損傷產(chǎn)生的碎片氣 體組分，所述真空栗組用于對(duì)樣品室進(jìn)行抽真空。
[0009] 本發(fā)明還提出了一種利用上述裝置進(jìn)行聚合物輻照損傷的測(cè)試方法，其包括：
[0010] 將聚合物樣品放置到樣品室中的樣品座上，三維調(diào)節(jié)樣品座，記錄X、y和Z軸坐 標(biāo)，以計(jì)算樣品的被輻照面與聚焦透鏡中心的距離；
[0011] 對(duì)光路室和樣品室抽真空，打開質(zhì)譜計(jì)持續(xù)測(cè)試樣品室中氣體組分；
[0012] 關(guān)閉快門，打開準(zhǔn)分子激光光源并調(diào)到一個(gè)預(yù)定的輻照能量密度；
[0013] 當(dāng)樣品室的真空度進(jìn)入107Pa后，打開快門并控制輻照時(shí)間，對(duì)樣品的第一個(gè)輻 照點(diǎn)進(jìn)行輻照，同時(shí)觀察質(zhì)譜計(jì)的譜峰；若無明顯突變，保持樣品座的z軸坐標(biāo)不變，調(diào)節(jié) 其X軸和y軸坐標(biāo)，使輻照光斑移至樣品的下一輻照點(diǎn)，調(diào)節(jié)光束衰減器增大輻照能量密 度，同時(shí)觀察質(zhì)譜峰變化；以此類推，直至發(fā)現(xiàn)質(zhì)譜峰的明顯突變，則判斷聚合物發(fā)生了輻 照損傷，此時(shí)輻照到樣品上的激光能量密度即為樣品的輻照損傷閾值。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出的上述裝置的準(zhǔn)分子激光在真空中傳輸，減小了光 路傳輸過程中的能量衰減和測(cè)試誤差，有利于更準(zhǔn)確地測(cè)試輻照能量密度，結(jié)合高靈敏度 的輻照損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)部件，進(jìn)而更精準(zhǔn)地得到聚合物的輻照損傷閾值。本發(fā)明提出的上述 裝置和方法能分析聚合物發(fā)生輻照損傷產(chǎn)生的氣體碎片組分，進(jìn)而分析聚合物斷裂的化學(xué) 鍵和計(jì)算輻照損傷產(chǎn)生的污物總量。測(cè)試結(jié)果可指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用。
【附圖說明】
[0015] 圖1為現(xiàn)有的一種典型的光學(xué)薄膜激光損傷測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖2為本發(fā)明中聚合物輻照損傷測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 其中：1_光源室，2-光路室，3-樣品室，4-法蘭窗口，5-光束衰減器，6-勻束器， 7-第一分束鏡，8-聚焦透鏡，9-第二分束鏡，10-快門，11-能量計(jì)，12-光束質(zhì)量分析儀， 13-樣品，14-樣品座，15-質(zhì)譜儀，16-真空栗組。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0019] 如圖2所示，本發(fā)明提出的一種聚合物輻照損傷的測(cè)試裝置，包括3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的 腔室，分別是光源室1、光路室2和樣品室3,其中所述光路室2和樣品室3為真空腔室，上 述三個(gè)腔室間采用法蘭窗口 4隔斷，窗口為CaF2材質(zhì)，可透過準(zhǔn)分子激光，其透射率為T4， T4通常在99. 9 %以上。
[0020] 所述光源室1中容納有輻照用的準(zhǔn)分子激光光源，其用于產(chǎn)生預(yù)定波長的準(zhǔn)分子 激光，本實(shí)施例中優(yōu)選為193nm的ArF準(zhǔn)分子激光，當(dāng)然也可以根據(jù)實(shí)際需要選用其他的準(zhǔn) 分子激光。
[0021] 所述光路室2用于傳輸和檢測(cè)準(zhǔn)分子激光，包括光路傳輸部件和光學(xué)檢測(cè)部件。 其中光路傳輸部件包括：沿光路方向依次放置的光束衰減器5、勾束器6、、第一分束鏡7、聚 焦透鏡8、第二分束鏡9和快門10。所述光束衰減器5中沿光路依次且對(duì)稱放置有鍍膜衰 減鏡片和補(bǔ)償鏡片，通過齒輪耦合同時(shí)調(diào)節(jié)兩鏡片的傾斜角度，來控制所述準(zhǔn)分子激光光 源輻照到樣品上的能量；當(dāng)角度為0°時(shí)，透射率為100%，角度為45°時(shí)，透射率<5%。 從光束衰減器5出射的準(zhǔn)分子激光入射到勻束器6,使得從勻束器6出射的光束變?yōu)槟芰?密度均勻的準(zhǔn)分子激光。第一分束鏡7與光路呈45°角放置，將光束分為兩部分，一部分 從第一分束鏡7反射到能量計(jì)11上，另一部分透過第一分束鏡7入射到聚焦透鏡8上，第 一分束鏡7的透射率為T7，其范圍為50 %~80%。聚焦透鏡8能將光束進(jìn)行匯聚，其焦距 固定為F，焦距F的優(yōu)選范圍為100~500mm，聚焦透鏡8的透射率T8通常在99 %以上。第 二分束鏡9置于聚焦透鏡8和快門10之間，第二分束鏡9與聚焦透鏡8中心間的距離固定 為L，其與光路也呈45°角放置，該距離L與所述裝置的具體尺寸有關(guān)；第二分束鏡9也將 光束分為兩部分，一部分被反射到光束質(zhì)量分析儀12上，另一部分透過第二分束鏡9入射 到快門10,第二分束鏡9的透射率為T9，其范圍為50%~80%?？扉T10用于控制光路的迅 速通斷，從而控制激光輻照到樣品上的時(shí)間，其打開時(shí)透射率100%，關(guān)閉時(shí)透射率0。光學(xué) 檢測(cè)部件包括能量計(jì)11和光束質(zhì)量分析儀12,用于直接測(cè)量所在位置處光束的能量E11和 光斑面積A12。
[0022] 所述樣品室3中放置有聚合物樣品13、樣品座14、質(zhì)譜計(jì)15和真空栗組16。樣品 座14可進(jìn)行x、y和z軸三維調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)和測(cè)量精度為0. 01mm。所述樣品13置于樣品座14 上，且被輻照面與光路垂直。假設(shè)樣品座14左端面與聚焦透鏡8中心的垂直距離固定且已 知為L。，當(dāng)z坐標(biāo)為零時(shí)，聚焦透鏡8的焦點(diǎn)正好在樣品座14的左端面上；調(diào)節(jié)z軸坐標(biāo)， 可改變樣品座14左端面和聚焦透鏡8中心的距離，從而改變輻照到樣品13上的光斑面積， 當(dāng)調(diào)節(jié)z軸靠近聚焦透鏡8時(shí)，z坐標(biāo)為正；調(diào)節(jié)樣品座14的X軸和y軸坐標(biāo)，可對(duì)樣品13 的輻照點(diǎn)進(jìn)行選擇。測(cè)量得到樣品13的厚度為d。真空栗組16用于對(duì)樣品室3進(jìn)行抽真 空，其有效抽速已知為S。質(zhì)譜計(jì)15可實(shí)時(shí)測(cè)試樣品室3中的氣體組分。
[0023] 所述材料輻照損傷測(cè)試裝置還包括一套控制單元，其用于電動(dòng)控制準(zhǔn)分子激光光 源1、光束衰減器5、快門10、能量計(jì)11、光束質(zhì)量分析儀12、樣品座14和真空栗組16。通 過軟件操作，可控制準(zhǔn)分子激光光源1的充放氣，調(diào)節(jié)其放電電壓和重復(fù)頻率；可控制光束 衰減器5鏡片的傾斜角度，從而控制能量的衰減；操控快門10可控制輻照時(shí)間和輻照脈沖 個(gè)數(shù)；操控能量計(jì)11和光束質(zhì)量分析儀12的啟動(dòng)、采集和停止；調(diào)控樣品座14的三軸坐 標(biāo)，可使準(zhǔn)分子激光垂直輻照到樣品13被輻照面的各個(gè)位置；控制真空栗組16的啟停，使 輻照實(shí)驗(yàn)前樣品室3的真空度優(yōu)于IX10 6Pa。
[0024] 材料輻照損傷的測(cè)試裝置還包括一套數(shù)據(jù)采集單元，用于實(shí)時(shí)采集能量計(jì)11、光 束質(zhì)量分析儀12和質(zhì)譜計(jì)15探測(cè)到的信號(hào)，其可進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算、顯示和保存數(shù)據(jù)。
[0025] 輻照到樣品上的光斑面積A計(jì)算如公式（1)。其中，F(xiàn)為聚焦透鏡8的焦距；L。為 固定且已知的樣品座14左端面與聚焦透鏡8中心的垂直距離；d為