EUV多層膜元件是EUV光學系統(tǒng)的核心光學元件，通過周期性膜層結構設計可以在特定波長和入射角度條件下獲得盡可能高的反射率。如圖1是一片由德國optiX fab.制造的周期性Mo/Si多層膜反射鏡在5°入射角條件下的反射率測試結果，對中心13.5nm波長的實測反射率可以達到65%以上，非常接近于理論光學極限。

在EUV光刻系統(tǒng)中，我們知道，多層膜元件的峰值反射率是影響曝光效率的關鍵性能指標之一，由于EUV光在實際曝光過程中經過了多次反射，每塊鏡片的實際反射率提升1%最終將實現(xiàn)整個系統(tǒng)10%的吞吐量的增益^[2]。高精度的EUV反射率表征對于中心反射波長的確定、膜層周期結構的調控以及光學計量都至關重要。對于EUV光刻而言，光學元件的峰值反射率測量精度要求優(yōu)于制造公差，例如對中心反射波長為13.5nm的Mo/Si多層膜，要求其峰值反射率的測量精度優(yōu)于0.08% rms^[1]。

EUV光源能量的穩(wěn)定性和光譜純度、二極管探測器的線性度和響應均勻性等是影響反射率測量精度的幾個重要因素，不管是實驗室的LPP光源還是DPP光源，長時間工作時的能量均存在較大波動和衰減，極大影響反射率的測量精度，因此，目前國際上大部分EUV光學元件的高精度反射率表征仍依賴于同步輻射光源^[1-4]。

德國PTB的同步輻射線站是現(xiàn)有的EUV/軟X射線波段光學計量和光學元件表征的實驗線站之一（圖2），至今已經有40年以上的發(fā)展歷史，其在BESSY I設計建造的第一條用于多層膜元件反射率表征的光束線于1986年正式運行，并在其后的幾十年間對光束線的穩(wěn)定性、測試的不確定度及光束的偏振特性等方面做了改進和提升^{[2, 7-8]}。

圖3是目前PTB BESSY II同步輻射的EUV反射率測試的實驗光路，寬帶的EUV光經光柵單色器掃描和聚焦在測試樣品表面獲得1 mm×1 mm以下的EUV單色光，用于光譜純化的濾片能夠有效抑制高階衍射對反射率測試結果等影響，最后通過樣品位置和姿態(tài)以及光電二極管角度的精細調節(jié)，實現(xiàn)多層膜樣品在特定入射角度條件下的EUV反射率測試。該光路系統(tǒng)中，入射光和反射光采用同一光電二極管進行探測，入射光和反射光在探測時多層膜樣品的位置始終保持不變，有效地提升了樣品在特定位置和角度條件下反射率測試的準確性和測試的效率^[6]。

光束線長期運行的穩(wěn)定性以及由于光源強度變化、探測器響應均勻性及光散射導致的測量結果的不確定度是EUV多層膜反射率表征的重要技術指標。

圖4(a)給出了PTB同步輻射BESSY II和MLS線站從2002年到2014年間對光學濾片的吸收邊波長測試和多層膜樣品反射率測試的結果。利用Be的K吸收邊或Si的L吸收邊波長偏移量的反饋，對光柵和反射鏡等組件進行精細調節(jié)，有效消除了由于光學元件熱效應、微振動等引入的測試誤差，保證了EUV反射率測試的波長精度在2 pm的公差范圍內。

圖4(b)對同一組參考多層膜樣品反射率進行長期測試反饋的結果，可以看出，即便是受光束線調節(jié)的機械誤差、探測器性能退化等因素影響，樣品的反射率和中心波長測試結果仍在可接受范圍內，同時多層膜表面光電流的測試結果表明，這12年間的樣品反射率測試結果的微小變化主要是由多層膜在真空工作條件下其表面沉積的約1nm厚的碳污染引起。

EUV多層膜反射率表征結果的不確定度極大地受入射的EUV光束的偏振影響，例如在入射角度為20°時，由光束偏振度引起的峰值反射率的不確定度可以達到0.3%，遠高于由其他因素引起的反射率的不確定度。這主要是由于p偏振光的反射率在入射角度接近布魯斯特角時會發(fā)生急劇衰減，導致實際測試的反射率結果嚴重偏離理論設計，同時中心波長也會隨著入射角度增大而變短^[7]。

圖5展示了幾個不同入射角度的EUV多層膜樣品在不同偏振條件下的反射率測試結果，可以看出，在接近正入射條件下，s偏振光和非偏振光測得的EUV多層膜的反射率和理論模擬曲線能夠吻合的很好。偏離正入射條件時，隨著入射角度的增大，s偏振光的實測反射率曲線仍舊接近理論光學模擬，而非偏振光的實測反射率（在未經修正條件下）發(fā)生嚴重偏離。對此，PTB BESSY II同步輻射通過采用基于多層膜的偏振單元設計，可以實現(xiàn)各種偏振條件下的EUV多層膜的反射率測試，光束的偏振度P最高可以達到98%以上。

多層膜的膜層周期設計和鍍膜工藝受反射波長和入射角度共同決定。對于平面多層膜的反射率測試，調節(jié)好入射角度后，通過面內旋轉或平移即可以測得樣品表面不同位置的反射率曲線。而對于曲面多層膜的反射率測試，由于多層膜不同位置的曲率變化會導致入射角度發(fā)生變化，因此對位置的精確調控對曲面多層膜的反射率測試極為重要^{[7, 8]}。

圖6是一塊直徑為670mm的EUV多層膜收集鏡在德國PTB BESSY II同步輻射進行反射率測試的實驗裝置及其全鏡面反射率測試的結果^[2]。該多層膜收集鏡是由美國CYMER公司設計，德國Fraunhofer IOF完成鍍膜。可以看到，通過s偏振EUV光對鏡面3360個點的反射率測試結果表明，鏡面在有效區(qū)域內的對13.5nm波長EUV光的反射非常均勻，實測反射率值高達65%以上。

在EUV光刻系統(tǒng)中，對EUV光源產生的帶內脈沖能量（13.5 nm附近2%能量帶寬）的絕對計量對于實現(xiàn)EUV曝光過程中光刻膠曝光劑量的準確控制至關重要。在極紫外計量領域，受EUV光源發(fā)射的帶外輻射干擾、光學元件對EUV光的吸收和散射等，要絕對計量EUV光源的特性，并排除計量工具本身對測量結果的影響，一直是一個復雜的技術挑戰(zhàn)。

對此，2000年ASML聯(lián)合FOM和飛利浦研究所建立了一套基于EUV多層膜反射鏡的EUV計量光學系統(tǒng)及其標準測試流程，如圖7所示^[9]。其中，曲面的EUV多層膜鏡可用于收集和反射大部分的EUV帶內輻射，Si3N4/Nb濾片主要起到消除由多層膜鏡反射的DUV和可見光等長波輻射的作用?？梢钥闯?，該EUV計量系統(tǒng)在最大程度消除了由帶外輻射引起的測量結果的不確定性，可用于各類型EUV光源的輸出功率、脈沖能量等計量表征。

然而，在絕對計量的測試過程中發(fā)現(xiàn)，EUV光在實際傳輸過程中受多層膜反射鏡吸收和散射、濾片吸收等因素影響，同樣會引入計量測量結果的不確定性。因此，對系統(tǒng)中曲面多層膜鏡的反射率、濾片的透過率及探測器的能量響應等進行絕對標定，有利于提高EUV計量工具絕對測量結果的準確性。如圖8是對EUV計量工具中的各核心組件在PTB BESSY II同步輻射和NIST進行標定的結果，該系統(tǒng)最終絕對計量結果的不確定度優(yōu)于5%^[10]。

在典型的EUV光刻系統(tǒng)中，EUV光源發(fā)出的光要經過收集鏡、照明系統(tǒng)及投影物鏡的多次反射，導致光刻機中光學系統(tǒng)的總反射率要比單塊多層膜鏡的反射率低約一百多倍^[11]?？梢哉f，EUV多層膜鏡的中心反射波長和反射率是決定系統(tǒng)曝光效率的兩個關鍵性能指標。

如圖9是由ASML提供的Alpha Demo Tool和NXE:3100兩個系列的EUV光刻系統(tǒng)中的Mo/Si多層膜反射鏡在PTB BESSY同步輻射測試的反射率結果。可以看到，NXE:3100系統(tǒng)中多層膜反射鏡在工作入射角度條件下的實測峰值反射率可以達到69.6%，相較于Alpha Demo Tool系統(tǒng)，單塊多層膜反射鏡在13.5nm波長的反射率提升了5%左右，最終使得經多層膜鏡多次反射后的曝光系統(tǒng)的吞吐量提升了50%以上^{[11, 12]}。

除此以外，EUV多層膜鏡在長時間曝光過程中的性能衰退是極紫外光刻面臨的另一個工程應用難題。受膜層結構表面氧化、等離子體碎屑污染及界面化學擴散等因素影響，即使是在具備嚴格的抗氧化和防污染措施的條件下，多層膜鏡在13.5nm波長附近的峰值反射率仍不可避免地會發(fā)生衰減。如圖10所示，含表面抗氧化層的EUV多層膜鏡在5mW/mm2的極紫外光強曝光50h，其反射率下降了約0.28±0.15%。通常情況下，當EUV多層膜鏡的反射率衰減量超過1%，將導致整個曝光系統(tǒng)的傳輸效率降低10%^[13]。因此，準確標定EUV曝光系統(tǒng)中多層膜鏡的反射率變化，有利于保證極紫外光刻的效率。

德國optiX fab.是Fraunhofer IOF孵化的附屬（衍生）公司，成立于2012年，旨在商業(yè)化Fraunhofer IOF的EUV光學研究和開發(fā)活動，致力于設計，開發(fā)和制造各類EUV鏡。optiX fab.為全球芯片制造商、EUV工具和光源制造商以及研究所、大學、同步輻射和全球的EUV研究客戶提供定制的用于13.5nm EUV光刻及整個XUV/軟硬X射線光譜范圍內的多層膜和掠入射光學器件，能夠為有度量需求的客戶提供PTB同步輻射標定的多層膜反射鏡。

北京眾星聯(lián)恒科技有限公司作為德國optiX fab公司中國區(qū)授權總代理商，為中國客戶提供optiX fab所有產品的售前咨詢，銷售及售后服務。我司始終致力于為廣大科研用戶提供專業(yè)的EUV、X射線產品及解決方案。如果您有任何問題，歡迎聯(lián)系我們進行交流和探討。

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