EUV多層膜元件是EUV光學(xué)系統(tǒng)的核心光學(xué)元件，通過(guò)周期性膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以在特定波長(zhǎng)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(guó)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(cè)試結(jié)果，對(duì)中心13.5nm波長(zhǎng)的實(shí)測(cè)反射率可以達(dá)到65%以上，非常接近于理論光學(xué)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(guān)鍵性能指標(biāo)之一，由于EUV光在實(shí)際曝光過(guò)程中經(jīng)過(guò)了多次反射，每塊鏡片的實(shí)際反射率提升1%最終將實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)10%的吞吐量的增益^[2]。高精度的EUV反射率表征對(duì)于中心反射波長(zhǎng)的確定、膜層周期結(jié)構(gòu)的調(diào)控以及光學(xué)計(jì)量都至關(guān)重要。對(duì)于EUV光刻而言，光學(xué)元件的峰值反射率測(cè)量精度要求優(yōu)于制造公差，例如對(duì)中心反射波長(zhǎng)為13.5nm的Mo/Si多層膜，要求其峰值反射率的測(cè)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(cè)器的線性度和響應(yīng)均勻性等是影響反射率測(cè)量精度的幾個(gè)重要因素，不管是實(shí)驗(yàn)室的LPP光源還是DPP光源，長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)的能量均存在較大波動(dòng)和衰減，極大影響反射率的測(cè)量精度，因此，目前國(guó)際上大部分EUV光學(xué)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(guó)PTB的同步輻射線站是現(xiàn)有的EUV/軟X射線波段光學(xué)計(jì)量和光學(xué)元件表征的實(shí)驗(yàn)線站之一（圖2），至今已經(jīng)有40年以上的發(fā)展歷史，其在BESSY I設(shè)計(jì)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(yùn)行，并在其后的幾十年間對(duì)光束線的穩(wěn)定性、測(cè)試的不確定度及光束的偏振特性等方面做了改進(jìn)和提升^{[2, 7-8]}。

圖3是目前PTB BESSY II同步輻射的EUV反射率測(cè)試的實(shí)驗(yàn)光路，寬帶的EUV光經(jīng)光柵單色器掃描和聚焦在測(cè)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(duì)反射率測(cè)試結(jié)果等影響，最后通過(guò)樣品位置和姿態(tài)以及光電二極管角度的精細(xì)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)多層膜樣品在特定入射角度條件下的EUV反射率測(cè)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(jìn)行探測(cè)，入射光和反射光在探測(cè)時(shí)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(cè)試的準(zhǔn)確性和測(cè)試的效率^[6]。

光束線長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性以及由于光源強(qiáng)度變化、探測(cè)器響應(yīng)均勻性及光散射導(dǎo)致的測(cè)量結(jié)果的不確定度是EUV多層膜反射率表征的重要技術(shù)指標(biāo)。

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(duì)光學(xué)濾片的吸收邊波長(zhǎng)測(cè)試和多層膜樣品反射率測(cè)試的結(jié)果。利用Be的K吸收邊或Si的L吸收邊波長(zhǎng)偏移量的反饋，對(duì)光柵和反射鏡等組件進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，有效消除了由于光學(xué)元件熱效應(yīng)、微振動(dòng)等引入的測(cè)試誤差，保證了EUV反射率測(cè)試的波長(zhǎng)精度在2 pm的公差范圍內(nèi)。

圖4(b)對(duì)同一組參考多層膜樣品反射率進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)試反饋的結(jié)果，可以看出，即便是受光束線調(diào)節(jié)的機(jī)械誤差、探測(cè)器性能退化等因素影響，樣品的反射率和中心波長(zhǎng)測(cè)試結(jié)果仍在可接受范圍內(nèi)，同時(shí)多層膜表面光電流的測(cè)試結(jié)果表明，這12年間的樣品反射率測(cè)試結(jié)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(jié)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(shí)，由光束偏振度引起的峰值反射率的不確定度可以達(dá)到0.3%，遠(yuǎn)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(shí)會(huì)發(fā)生急劇衰減，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)試的反射率結(jié)果嚴(yán)重偏離理論設(shè)計(jì)，同時(shí)中心波長(zhǎng)也會(huì)隨著入射角度增大而變短^[7]。

圖5展示了幾個(gè)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(cè)試結(jié)果，可以看出，在接近正入射條件下，s偏振光和非偏振光測(cè)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(shí)，隨著入射角度的增大，s偏振光的實(shí)測(cè)反射率曲線仍舊接近理論光學(xué)模擬，而非偏振光的實(shí)測(cè)反射率（在未經(jīng)修正條件下）發(fā)生嚴(yán)重偏離。對(duì)此，PTB BESSY II同步輻射通過(guò)采用基于多層膜的偏振單元設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)各種偏振條件下的EUV多層膜的反射率測(cè)試，光束的偏振度P最高可以達(dá)到98%以上。

多層膜的膜層周期設(shè)計(jì)和鍍膜工藝受反射波長(zhǎng)和入射角度共同決定。對(duì)于平面多層膜的反射率測(cè)試，調(diào)節(jié)好入射角度后，通過(guò)面內(nèi)旋轉(zhuǎn)或平移即可以測(cè)得樣品表面不同位置的反射率曲線。而對(duì)于曲面多層膜的反射率測(cè)試，由于多層膜不同位置的曲率變化會(huì)導(dǎo)致入射角度發(fā)生變化，因此對(duì)位置的精確調(diào)控對(duì)曲面多層膜的反射率測(cè)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(guó)PTB BESSY II同步輻射進(jìn)行反射率測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置及其全鏡面反射率測(cè)試的結(jié)果^[2]。該多層膜收集鏡是由美國(guó)CYMER公司設(shè)計(jì)，德國(guó)Fraunhofer IOF完成鍍膜?？梢钥吹?，通過(guò)s偏振EUV光對(duì)鏡面3360個(gè)點(diǎn)的反射率測(cè)試結(jié)果表明，鏡面在有效區(qū)域內(nèi)的對(duì)13.5nm波長(zhǎng)EUV光的反射非常均勻，實(shí)測(cè)反射率值高達(dá)65%以上。

在EUV光刻系統(tǒng)中，對(duì)EUV光源產(chǎn)生的帶內(nèi)脈沖能量（13.5 nm附近2%能量帶寬）的絕對(duì)計(jì)量對(duì)于實(shí)現(xiàn)EUV曝光過(guò)程中光刻膠曝光劑量的準(zhǔn)確控制至關(guān)重要。在極紫外計(jì)量領(lǐng)域，受EUV光源發(fā)射的帶外輻射干擾、光學(xué)元件對(duì)EUV光的吸收和散射等，要絕對(duì)計(jì)量EUV光源的特性，并排除計(jì)量工具本身對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，一直是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)挑戰(zhàn)。

對(duì)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(jì)量光學(xué)系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(nèi)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(zhǎng)波輻射的作用?？梢钥闯?，該EUV計(jì)量系統(tǒng)在最大程度消除了由帶外輻射引起的測(cè)量結(jié)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(jì)量表征。

然而，在絕對(duì)計(jì)量的測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，EUV光在實(shí)際傳輸過(guò)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(huì)引入計(jì)量測(cè)量結(jié)果的不確定性。因此，對(duì)系統(tǒng)中曲面多層膜鏡的反射率、濾片的透過(guò)率及探測(cè)器的能量響應(yīng)等進(jìn)行絕對(duì)標(biāo)定，有利于提高EUV計(jì)量工具絕對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。如圖8是對(duì)EUV計(jì)量工具中的各核心組件在PTB BESSY II同步輻射和NIST進(jìn)行標(biāo)定的結(jié)果，該系統(tǒng)最終絕對(duì)計(jì)量結(jié)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(jīng)過(guò)收集鏡、照明系統(tǒng)及投影物鏡的多次反射，導(dǎo)致光刻機(jī)中光學(xué)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(shuō)，EUV多層膜鏡的中心反射波長(zhǎng)和反射率是決定系統(tǒng)曝光效率的兩個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)。

如圖9是由ASML提供的Alpha Demo Tool和NXE:3100兩個(gè)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(cè)試的反射率結(jié)果?？梢钥吹?，NXE:3100系統(tǒng)中多層膜反射鏡在工作入射角度條件下的實(shí)測(cè)峰值反射率可以達(dá)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(zhǎng)的反射率提升了5%左右，最終使得經(jīng)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(zhǎng)時(shí)間曝光過(guò)程中的性能衰退是極紫外光刻面臨的另一個(gè)工程應(yīng)用難題。受膜層結(jié)構(gòu)表面氧化、等離子體碎屑污染及界面化學(xué)擴(kuò)散等因素影響，即使是在具備嚴(yán)格的抗氧化和防污染措施的條件下，多層膜鏡在13.5nm波長(zhǎng)附近的峰值反射率仍不可避免地會(huì)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(qiáng)曝光50h，其反射率下降了約0.28±0.15%。通常情況下，當(dāng)EUV多層膜鏡的反射率衰減量超過(guò)1%，將導(dǎo)致整個(gè)曝光系統(tǒng)的傳輸效率降低10%^[13]。因此，準(zhǔn)確標(biāo)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(guó)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(xué)研究和開發(fā)活動(dòng)，致力于設(shè)計(jì)，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(xué)、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(gè)XUV/軟硬X射線光譜范圍內(nèi)的多層膜和掠入射光學(xué)器件，能夠?yàn)橛卸攘啃枨蟮目蛻籼峁?span style="color: rgba(119, 32, 109, 0.77);box-sizing: border-box;">PTB同步輻射標(biāo)定的多層膜反射鏡。

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