EUV多层膜元件的反射率表征：从微观到宏观的极致优化

EUV多层膜元件是EUV光学系统的核心光学元件，通过周期性膜层结构设计可以在特定波长和入射角度条件下获得尽可能高的反射率。如图1是一片由德国optiX fab.制造的周期性Mo/Si多层膜反射镜在5°入射角条件下的反射率测试结果，对中心13.5nm波长的实测反射率可以达到65%以上，非常接近于理论光学极限。

在EUV光刻系统中，我们知道，多层膜元件的峰值反射率是影响曝光效率的关键性能指标之一，由于EUV光在实际曝光过程中经过了多次反射，每块镜片的实际反射率提升1%最终将实现整个系统10%的吞吐量的增益^[2]。高精度的EUV反射率表征对于中心反射波长的确定、膜层周期结构的调控以及光学计量都至关重要。对于EUV光刻而言，光学元件的峰值反射率测量精度要求优于制造公差，例如对中心反射波长为13.5nm的Mo/Si多层膜，要求其峰值反射率的测量精度优于0.08% rms^[1]。

EUV光源能量的稳定性和光谱纯度、二极管探测器的线性度和响应均匀性等是影响反射率测量精度的几个重要因素，不管是实验室的LPP光源还是DPP光源，长时间工作时的能量均存在较大波动和衰减，极大影响反射率的测量精度，因此，目前国际上大部分EUV光学元件的高精度反射率表征仍依赖于同步辐射光源^[1-4]。

德国PTB的同步辐射线站是现有的EUV/软X射线波段光学计量和光学元件表征的实验线站之一（图2），至今已经有40年以上的发展历史，其在BESSY I设计建造的第一条用于多层膜元件反射率表征的光束线于1986年正式运行，并在其后的几十年间对光束线的稳定性、测试的不确定度及光束的偏振特性等方面做了改进和提升^{[2, 7-8]}。

图3是目前PTB BESSY II同步辐射的EUV反射率测试的实验光路，宽带的EUV光经光栅单色器扫描和聚焦在测试样品表面获得1 mm×1 mm以下的EUV单色光，用于光谱纯化的滤片能够有效抑制高阶衍射对反射率测试结果等影响，最后通过样品位置和姿态以及光电二极管角度的精细调节，实现多层膜样品在特定入射角度条件下的EUV反射率测试。该光路系统中，入射光和反射光采用同一光电二极管进行探测，入射光和反射光在探测时多层膜样品的位置始终保持不变，有效地提升了样品在特定位置和角度条件下反射率测试的准确性和测试的效率^[6]。

光束线长期运行的稳定性以及由于光源强度变化、探测器响应均匀性及光散射导致的测量结果的不确定度是EUV多层膜反射率表征的重要技术指标。

图4(a)给出了PTB同步辐射BESSY II和MLS线站从2002年到2014年间对光学滤片的吸收边波长测试和多层膜样品反射率测试的结果。利用Be的K吸收边或Si的L吸收边波长偏移量的反馈，对光栅和反射镜等组件进行精细调节，有效消除了由于光学元件热效应、微振动等引入的测试误差，保证了EUV反射率测试的波长精度在2 pm的公差范围内。

图4(b)对同一组参考多层膜样品反射率进行长期测试反馈的结果，可以看出，即便是受光束线调节的机械误差、探测器性能退化等因素影响，样品的反射率和中心波长测试结果仍在可接受范围内，同时多层膜表面光电流的测试结果表明，这12年间的样品反射率测试结果的微小变化主要是由多层膜在真空工作条件下其表面沉积的约1nm厚的碳污染引起。

EUV多层膜反射率表征结果的不确定度极大地受入射的EUV光束的偏振影响，例如在入射角度为20°时，由光束偏振度引起的峰值反射率的不确定度可以达到0.3%，远高于由其他因素引起的反射率的不确定度。这主要是由于p偏振光的反射率在入射角度接近布鲁斯特角时会发生急剧衰减，导致实际测试的反射率结果严重偏离理论设计，同时中心波长也会随着入射角度增大而变短^[7]。

图5展示了几个不同入射角度的EUV多层膜样品在不同偏振条件下的反射率测试结果，可以看出，在接近正入射条件下，s偏振光和非偏振光测得的EUV多层膜的反射率和理论模拟曲线能够吻合的很好。偏离正入射条件时，随着入射角度的增大，s偏振光的实测反射率曲线仍旧接近理论光学模拟，而非偏振光的实测反射率（在未经修正条件下）发生严重偏离。对此，PTB BESSY II同步辐射通过采用基于多层膜的偏振单元设计，可以实现各种偏振条件下的EUV多层膜的反射率测试，光束的偏振度P最高可以达到98%以上。

多层膜的膜层周期设计和镀膜工艺受反射波长和入射角度共同决定。对于平面多层膜的反射率测试，调节好入射角度后，通过面内旋转或平移即可以测得样品表面不同位置的反射率曲线。而对于曲面多层膜的反射率测试，由于多层膜不同位置的曲率变化会导致入射角度发生变化，因此对位置的精确调控对曲面多层膜的反射率测试极为重要^{[7, 8]}。

图6是一块直径为670mm的EUV多层膜收集镜在德国PTB BESSY II同步辐射进行反射率测试的实验装置及其全镜面反射率测试的结果^[2]。该多层膜收集镜是由美国CYMER公司设计，德国Fraunhofer IOF完成镀膜。可以看到，通过s偏振EUV光对镜面3360个点的反射率测试结果表明，镜面在有效区域内的对13.5nm波长EUV光的反射非常均匀，实测反射率值高达65%以上。

在EUV光刻系统中，对EUV光源产生的带内脉冲能量（13.5 nm附近2%能量带宽）的绝对计量对于实现EUV曝光过程中光刻胶曝光剂量的准确控制至关重要。在极紫外计量领域，受EUV光源发射的带外辐射干扰、光学元件对EUV光的吸收和散射等，要绝对计量EUV光源的特性，并排除计量工具本身对测量结果的影响，一直是一个复杂的技术挑战。

对此，2000年ASML联合FOM和飞利浦研究所建立了一套基于EUV多层膜反射镜的EUV计量光学系统及其标准测试流程，如图7所示^[9]。其中，曲面的EUV多层膜镜可用于收集和反射大部分的EUV带内辐射，Si3N4/Nb滤片主要起到消除由多层膜镜反射的DUV和可见光等长波辐射的作用。可以看出，该EUV计量系统在最大程度消除了由带外辐射引起的测量结果的不确定性，可用于各类型EUV光源的输出功率、脉冲能量等计量表征。

然而，在绝对计量的测试过程中发现，EUV光在实际传输过程中受多层膜反射镜吸收和散射、滤片吸收等因素影响，同样会引入计量测量结果的不确定性。因此，对系统中曲面多层膜镜的反射率、滤片的透过率及探测器的能量响应等进行绝对标定，有利于提高EUV计量工具绝对测量结果的准确性。如图8是对EUV计量工具中的各核心组件在PTB BESSY II同步辐射和NIST进行标定的结果，该系统最终绝对计量结果的不确定度优于5%^[10]。

在典型的EUV光刻系统中，EUV光源发出的光要经过收集镜、照明系统及投影物镜的多次反射，导致光刻机中光学系统的总反射率要比单块多层膜镜的反射率低约一百多倍^[11]。可以说，EUV多层膜镜的中心反射波长和反射率是决定系统曝光效率的两个关键性能指标。

如图9是由ASML提供的Alpha Demo Tool和NXE:3100两个系列的EUV光刻系统中的Mo/Si多层膜反射镜在PTB BESSY同步辐射测试的反射率结果。可以看到，NXE:3100系统中多层膜反射镜在工作入射角度条件下的实测峰值反射率可以达到69.6%，相较于Alpha Demo Tool系统，单块多层膜反射镜在13.5nm波长的反射率提升了5%左右，最终使得经多层膜镜多次反射后的曝光系统的吞吐量提升了50%以上^{[11, 12]}。

除此以外，EUV多层膜镜在长时间曝光过程中的性能衰退是极紫外光刻面临的另一个工程应用难题。受膜层结构表面氧化、等离子体碎屑污染及界面化学扩散等因素影响，即使是在具备严格的抗氧化和防污染措施的条件下，多层膜镜在13.5nm波长附近的峰值反射率仍不可避免地会发生衰减。如图10所示，含表面抗氧化层的EUV多层膜镜在5mW/mm2的极紫外光强曝光50h，其反射率下降了约0.28±0.15%。通常情况下，当EUV多层膜镜的反射率衰减量超过1%，将导致整个曝光系统的传输效率降低10%^[13]。因此，准确标定EUV曝光系统中多层膜镜的反射率变化，有利于保证极紫外光刻的效率。

德国optiX fab.是Fraunhofer IOF孵化的附属（衍生）公司，成立于2012年，旨在商业化Fraunhofer IOF的EUV光学研究和开发活动，致力于设计，开发和制造各类EUV镜。optiX fab.为全球芯片制造商、EUV工具和光源制造商以及研究所、大学、同步辐射和全球的EUV研究客户提供定制的用于13.5nm EUV光刻及整个XUV/软硬X射线光谱范围内的多层膜和掠入射光学器件，能够为有度量需求的客户提供PTB同步辐射标定的多层膜反射镜。

北京众星联恒科技有限公司作为德国optiX fab公司中国区授权总代理商，为中国客户提供optiX fab所有产品的售前咨询，销售及售后服务。我司始终致力于为广大科研用户提供专业的EUV、X射线产品及解决方案。如果您有任何问题，欢迎联系我们进行交流和探讨。

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