极紫外多层膜利用各个界面反射光的相长干涉,在极紫外波段获得了高反射率,已成为极紫外光刻设备中反射式光学系统的核心元件。本文对近年来极紫外多层膜表征、设计和制备领域的研究现状进行了介绍和分析。由于多层膜的光学性能易受膜层界面粗糙度、膜层扩散以及膜厚误差等因素的影响,文中重点对联合多检测技术的多层膜表征、膜系优化算法和膜层界面优化工程进行阐述。除此之外,本文针对联合多项检测技术表征以及鲁棒性膜系设计,讨论了多目标优化算法在极紫外多层膜技术中的应用潜力,展望了多层膜技术在软X射线波段及光谱裁剪等领域的应用。

极紫外(EUV)宽带多层膜的光谱性能对膜厚控制精度要求较高，仅由时间控制膜厚的镀膜系统难以满足其精度控制要求。本文提出了基于进化算法的宽带EUV多层膜离散化膜系设计方法，与传统膜系设计相比，离散化膜系所制备多层膜具有更为优良的EUV反射光谱性能。为验证离散化膜系设计在宽带EUV多层膜研制中的优越性，采用磁控溅射方法对具有离散化膜系的宽带多层膜反射镜进行了制备和测试。测试结果表明: 研制的宽角度多层膜反射镜可实现入射角带宽为0°~17°，高于41%的反射率; 研制的堆栈宽角度多层膜反射镜可实现入射角带宽为0°~18.5°，高于35%的反射率; 研制的宽光谱多层膜反射镜可实现波长带宽为12.9~14.9 nm，高于21%的反射率。

基于高反射膜层和Gires-Tournois(G-T)腔, 优化设计了一对低振荡高色散镜。该色散镜对的中心波长为800 nm, 能够在680~920 nm的带宽范围内提供-200 fs2的平坦的群延迟色散。基于双离子束溅射工艺, 利用Nb2O5和SiO2制备了低振荡高色散镜对, 并将其应用于800 nm钛宝石激光器系统。通过高色散镜对2次,100.8 fs 激光脉冲被压缩至19 fs。

为提高基于量子进化算法(QEA)在宽带极紫外(EUV)多层膜设计中的求解效率和精度，本文利用宽带多层膜的光学性能评价函数的梯度信息改进QEA，建立具有明确进化方向的适用于宽带EUV多层膜设计的改进型量子进化算法(IQEA)。对比分析了基于IQEA和QEA的宽带Mo/Si多层膜的膜系设计过程和结果，结果表明，基于IQEA的多层膜膜系设计理论方法具有更优越的求解效率和精度; 同时，IQEA同样可以小种群规模进行多参数优化。基于IQEA的宽带Mo/Si多层膜的设计理论实现了包括入射角为0°~18°，反射率达50%的宽角度多层膜，以及反射光谱带宽为13~15 nm，反射率达25%的宽光谱多层膜的设计。基于IQEA的宽带高反射率EUV多层膜的理论膜系设计方法为复杂多层膜的理论设计提供了一种可供选择的高效膜系设计方法。

提出了一种基于实数编码量子进化算法(RQEA)的宽角度极紫外(EUV)多层膜理论膜系的设计方法。采用基于实数编码的遗传算法(RGA)和RQEA对宽角度Mo/Si多层膜进行了理论设计和分析, 发现RQEA具有种群规模小、搜索效率高和求解精度高的明显优势, 体现出RQEA在光学薄膜设计领域的潜在应用价值。同时, 设计出入射光波长为13.5 nm、在入射角0°～18°范围内反射率可达50%的宽反射带Mo/Si多层膜。

结合等离子金属光栅原理和多层膜理论，提出一种金属介质金属多层光栅结构以增强透射光的聚焦效应。利用时域有限差分(FDTD)法对该多层结构的聚焦特性进行模拟仿真，得到多层结构的聚焦特性随金属介质膜层数和凹槽数目的变化特性。结果表明，通过控制金属介质层层数或者凹槽数目，焦距明显改善，焦距可达9.15 \mm，最大焦深约为26.38 \mm，相对于传统金属光栅，聚焦效应得到了明显增强。

为了研究常用间隔层材料的软X射线多层膜的材料设计，利用Lawrence-Livermore国家实验室提供的软X射线多层膜设计程序进行模拟计算，得到了软X射线波段内的具有高反射率的膜系。结果表明，Mo在相当大的波段范围内具有良好的光学特性；除了在12.44nm是首选膜系外(除4.36nm外)，其它波长都有较高的反射率；U作为吸收层材料，在相当大的波段范围内，与其它间隔层材料配对的多层膜也具有较高的反射率。这对多层膜膜系的材料选择有一定的指导意义。

利用薄膜光学理论及材料在软X射线波段的原子散射因子,设计了大批量的软X射线多层膜的计算程序,对常用材料的膜系配对进行了优化设计,给出的结果对软X射线整个波段内的多层膜膜系的选择有一定的指导意义。