摘要
我们对Mo/Si多层膜在波长为13.5 nm的EUV辐射下进行了1次脉冲（1-on-1）和10次脉冲（10-on-1）的损伤阈值研究。实验使用了以固体金为靶材的桌面激光等离子体光源。研究涉及不同类型的Mo/Si镜面，结果显示单次脉冲的损伤阈值没有显著差异。然而，十次脉冲的损伤阈值比单次脉冲降低了约60%，这表明损伤过程受到缺陷的主导。通过Nomarski微分干涉显微镜（DIC）和原子力显微镜（AFM）对损伤形态进行了分析，结果表明损伤主要由热引起。此外，我们还研究了多层膜镜面受损后反射率的辐射诱导变化。

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1 引言
针对红外（IR）、可见光（VIS）和紫外（UV）激光光学材料的损伤研究已经进行了数十年，并且材料的相互作用机制已被广泛研究[1]。目前，为了下一代半导体微光刻技术的需求，越来越多强大的EUV光源正在开发，这些光源需要使用新的光学元件，例如多层膜或掠入射镜。多层膜镜由非常薄的交替层组成，尤其是用于13.5 nm波长的钼（Mo）和硅（Si），主要用于法向反射角。这些镜面正被优化以提高其热稳定性和反射率[2, 3]。

然而，到目前为止，关于这些光学元件在13.5 nm波长下的烧蚀[4-6]和损伤阈值研究却非常有限[7, 8]。Barkusky等[9]首次研究了EUV引起的掠入射镜、Mo/Si多层膜镜和镜面基底材料（如熔融石英、硅和CaF₂）的单脉冲损伤阈值，并提供了针对纳秒脉冲持续时间的初步损伤阈值数据。

在本文中，我们对三种不同的Mo/Si多层膜镜的EUV诱导损伤阈值进行了进一步研究。我们测量了单次脉冲和十次脉冲的损伤阈值及其相应的辐射诱导表面形态。此外，通过对反射的EUV辐射进行空间分辨观测，我们研究了镜面由于辐射损伤引起的反射率变化。

2 实验装置

实验中使用的装置已经在此前的研究中详细描述[9]。该装置包括一个基于激光的EUV光源和一个与光源相连的独立光学腔（见图1）[10–12]。

EUV辐射生成方式：
EUV辐射通过将Nd

激光器（Innolas，波长1064 nm，脉冲能量700 mJ，脉冲持续时间8.8 ns）聚焦到一个旋转的固体金（Au）靶材上生成。由此产生的等离子体直径约为50 µm（全宽半高，FWHM）[9]。

等离子体的生成位于一个中心区域，用于后续的实验和测量。

图 1EUV光源和光学系统的示意图（左）以及实验装置的实物照（右）。

表 1 激光驱动的EUV等离子体光源输出参数

真空腔体被抽真空至低于 10⁻⁴ mbar，这是因为在大气压下EUV辐射的平均自由程非常短。

一个EUV施瓦茨希尔德物镜由两个涂覆了Mo/Si多层膜的球形环形镜基板组成，其在13.5 nm波长的反射率为约 R ≈ 0.65 [13]，能够提供高EUV通量[9]。根据施瓦茨希尔德物镜的数值孔径，样品上的入射角范围为 12.7° 至 26.6°（平均角约为 20°）。

表1总结了实验中使用的EUV光源和光学系统的部分特性。

1-on-1 损伤测试

使用上述装置在13.5 nm波长下按照ISO 11254标准[14]进行1-on-1损伤测试。在恒定通量下，用单个EUV脉冲照射10个位置。受损位置的数量除以总照射位置的数量，得到损伤概率，该概率针对不同的EUV能量密度进行了测定[14]。

通过Nomarski微分干涉显微镜（DIC）和原子力显微镜（AFM）检测损伤的开始及其形态。损伤被定义为表面形态因与入射EUV辐射的相互作用而产生的永久性变化。

由于旋转固体金靶（参见图1）的机械不稳定性，EUV等离子体的位置稳定性受到限制，因此最大重叠脉冲数量也受到限制。为了确保多脉冲损伤阈值的正确测量，每个位置的最大脉冲数被限制为10次。通过在光束路径中部分插入一个平面Mo/Si镜（45°@13.5 nm），可以使用对EUV敏感的相机观察从镜面样品反射的EUV等离子体。

3 实验结果

以下测量是在三种不同的Mo/Si多层膜镜上进行的，这些镜面设计为在16°入射角@13.5 nm时具有最大反射率。具体描述如下：

1. 第一种镜子仅由Mo/Si多层膜组成。

2. 第二种镜子带有一个钌（Ru）保护层（标记为[Mo/Si]Ru）。

3. 第三种镜子包含有内部扩散屏障（Mo/C/Si/C），屏障厚度为0.6 nm。

所有镜子均由60对Mo和Si双层组成，具有以下结构特性：

• 周期：6.90 nm

• Mo层厚度：2.42 nm

  3.1 单脉冲损伤阈值

  根据文献[14]计算的损伤测试结果如图2所示。以下为三种镜面的单脉冲损伤阈值：

  [Mo/Si]Ru：约 (0.09 ± 0.06) J/cm²

  Mo/Si：约 (0.20 ± 0.06) J/cm²

  Mo/C/Si/C：约 (0.26 ± 0.04) J/cm²

  测量不确定性：

  能量密度和损伤概率的测定相对不确定性为10%。

  能量密度的不确定性主要来源于EUV脉冲能量测量和焦点尺寸确定的误差。

  统计误差：对于Mo/C/Si/C镜，1-on-1损伤测试进行了两次，计算了损伤概率的平均值，因此该样品的损伤概率包含统计误差。

  绝对误差：绝对误差来源于线性回归参数的确定不确定性

  损伤阈值分析

  对Mo/Si镜测得的损伤阈值比Barkusky等人在类似镜面上的研究结果低约四倍[9]。然而，这种差异可能是由于以下原因：

  反射角设计的不同：Barkusky等研究的镜面设计为在20°入射角时具有最大反射率，这与施瓦茨希尔德光学系统给定的样品平均入射角相符。而本实验使用的镜面设计为16°入射角，因此吸收的EUV辐射比例更大，导致了较低的损伤阈值。

  宽带辐射的影响：由于此次实验未使用锆滤光片，带外辐射的存在可能进一步降低了损伤阈值。

  脉冲类型的差异：在FLASH（汉堡自由电子激光设施）使用EUV飞秒脉冲测得的损伤阈值[7]仍然低于本实验的结果。这表明脉冲持续时间对损伤机制有显著影响。

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  图2：不同Mo/Si多层膜镜（16°@13.5 nm）在硅基底上的单脉冲（1-on-1）损伤概率图

  此图展示了在16°入射角和13.5 nm波长条件下，三种Mo/Si多层膜镜在硅基底上的单脉冲损伤概率随能量密度的变化情况。

  关键内容：

  横轴（能量密度）：表示EUV脉冲的能量密度（单位：J/cm²）。

  纵轴（损伤概率）：表示特定能量密度下样品发生损伤的概率。

  观察结果：

  损伤概率随能量密度增加而升高。

  每种多层膜镜的损伤阈值可通过图中曲线的拐点确定。

  三种镜子（[Mo/Si]Ru、Mo/Si、Mo/C/Si/C）的阈值差异表明保护层和屏障层对提升损伤耐受性具有显著影响。

  此图量化了各镜面结构在EUV辐射下的损伤敏感性，为优化多层膜镜的耐久性提供了重要依据。

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• 高通量损伤形态及机制分析

• 实验结果：

• 在高通量条件下，Mo/Si镜的受损表面形态与文献[15]中研究的金镜表现出视觉上的相似性。

• 特别是，在损伤坑的中心形成了一个凸起，这表明损伤机制主要由多层膜结构的热加热过程驱动。

• 此外，由于硅化物的形成，多层膜镜的压实（结构密度变化）可能在损伤过程中起到了作用[7]。

• 对比分析：

• 热驱动与非热驱动损伤机制：

• 热驱动损伤：例如Mo/Si镜，损伤表面表现出粗糙形态，中心凸起是热膨胀的典型标志。

• 非热驱动损伤：例如文献[9]中研究的熔融石英，损伤表面完全平滑，可能是由于光子直接引起的键断裂过程。

• 不同镜面结构的表现：

• 原因推测：

• 热扩散率的差异：Mo/C/Si/C镜的扩散屏障可能改变了热传导行为。

• 化合物的形成：屏障层可能促进了不同密度化合物（如SiC）的生成，从而影响了损伤形态。

• [Mo/Si]Ru镜：与Mo/Si样品表现出类似的损伤形态，表明其保护层并未显著改变热损伤的驱动机制。

• Mo/C/Si/C镜：显示出略微不同的行为，在达到高能量密度之前，损伤坑中心的凸起并未出现。

• 结论：

• 热驱动机制主导了Mo/Si基多层膜镜的损伤过程。

• 镜面结构中的扩散屏障或保护层可能通过调节热扩散或化学反应，部分改变了损伤行为。

• 不同镜面结构对EUV损伤机制的研究为优化光学元件提供了关键参考。

• 3.2 多脉冲损伤效应

• 为了研究多脉冲损伤效应，分别进行了1-on-1和10-on-1损伤测试。以下为测试方法和结果的概要

  

图3说明：

该图展示了不同能量密度（从上到下分别为0.6 J/cm²、1.3 J/cm²、2.0 J/cm²）下，Mo/Si镜（左侧）和Mo/C/Si/C镜（右侧）的Nomarski (DIC)图像和对应的AFM显微图像。

图3分析：损伤形态的Nomarski (DIC)与AFM图像

观察对象：
图3展示了Mo/Si和Mo/C/Si/C镜面受损位置的Nomarski (DIC)图像，以及对应的AFM显微图，能量密度范围为0.6到2.0 J/cm²。

结果描述：

接近损伤阈值的现象：当通量刚超过损伤阈值时，会出现深度约60 nm的小坑。

更高能量密度的影响：当能量密度达到**≈0.9 J/cm²**时，小坑开始融合，形成一个单一的更大的坑。

随机分布的特性：小坑随机分布（参见图3顶部），可能与多层膜结构中的缺陷或非均匀性（如吸收率较高的区域）相关。

机制推测：

缺陷主导的损伤：损伤位置的随机性支持了之前的实验结果，即高吸收区域（如缺陷或结构非均匀性）是主要的损伤起点[15]。

飞秒脉冲实验的支持：这种缺陷主导的机制与在EUV飞秒脉冲实验中观察到的结果一致。

总体结论：
上述现象表明损伤过程可能受到热诱导机制和多层膜缺陷分布的共同影响

Mo/C/Si/C 镜的单脉冲和十脉冲损伤实验结果

实验方法：
在Mo/C/Si/C镜上以恒定通量分别对六个位置进行单脉冲（1-on-1）和十脉冲（10-on-1）EUV辐照测试，并依据文献[14]测定了不同EUV能量密度下的损伤概率。

实验结果：

• 单脉冲损伤阈值：约为 (0.26 ± 0.04) J/cm²

• 十脉冲损伤阈值：约为 (0.10 ± 0.05) J/cm²

• 十脉冲阈值比单脉冲阈值降低了约 60%。

• 机制分析：

• 缺陷与累积效应：

• 对于单脉冲损伤，由于特定缺陷导致损伤的概率低于1，因此损伤的随机性较高。

• 在多脉冲（10-on-1）条件下，缺陷累积的作用增强，使得损伤发生的可能性更高。

• 多次脉冲的热积累和材料结构变化，使得损伤具有更确定性，这可从十脉冲损伤概率曲线比单脉冲曲线陡峭的斜率中体现出来。

• 热驱动机制与缺陷作用：

• 十脉冲条件下，热量无法完全散失，导致局部温度升高，进一步削弱了材料的稳定性。

• 多脉冲增加了对表面或内部缺陷的敏感性，促使损伤更容易发生。

• 总结：

• 十脉冲损伤阈值显著低于单脉冲，表明多脉冲实验更能揭示缺陷主导的累积效应。

• 损伤概率的变化曲线（如图4所示）表明，多脉冲条件下的损伤具有更高的可预测性。

• 这些结果对评估多层膜镜在高重复频率EUV光源中的长期稳定性提供了重要信息。

  

  图4：Mo/C/Si/C镜（16°@13.5 nm）的单脉冲（1-on-1）和十脉冲（10-on-1）损伤概率曲线

• 实验中并未对相变、结晶化或SiC的形成对损伤阈值的影响进行研究，但这些因素可能会进一步影响损伤过程。

  3.3 反射率变化

  目的

• 研究损伤过程与反射率变化的关系，以评估在线损伤检测工具的可能性

• 实验方法

• 测量反射率

• 使用低通量EUV辐射，通过EUV相机采集Mo/C/Si/C样品反射的辐射强度（参见图1）。

• 对样品进行五次脉冲辐照以产生损伤（此过程中光束路径中未使用平面镜）。

• 分别在损伤脉冲前后记录反射强度（参见图5）。

• 反射率计算

• 在一个固定区域（130 µm × 80 µm）内，对脉冲前后的像素强度进行平均并取比值，计算相对反射率。

实验结果

1. 低能量密度下（<0.9 J/cm²）

• 反射率没有显著变化，表明损伤区域较小，尚未显著影响反射性能。

2. 高能量密度下（>0.9 J/cm²）

• 随着能量密度增加，反射率明显下降，在约 2.0 J/cm² 时达到接近 0.4 的稳定值。

• 损伤区域扩大，导致镜面有效反射区域减少（参见图5中的Nomarski图像）。

3. 部分反射的原因

• 即使样品受到严重损伤（如图4所示），部分EUV辐射仍能从未损伤的区域边缘反射。

• 多层膜结构可能部分保持完整，从而维持了一定的反射率。

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• 图5说明：Mo/C/Si/C镜（16°@13.5 nm）在不同能量密度下的损伤前后对比

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• 图6结果分析

• 图6显示了相对反射率与能量密度的关系，进一步说明了损伤与反射率的关联性。

结论

• 在线损伤检测的可能性：反射率的变化可以用于实时监测镜面损伤，尤其是能量密度接近或超过损伤阈值时。

• 损伤机制的启示：即使在高能量密度下，未完全损伤的区域仍提供了部分反射，表明多层膜可能在高通量条件下具有一定的结构稳定性。

  在FLASH设施中进行的飞秒损伤实验[7]中观察到，部分EUV辐射仍然能够从未受损的多层膜区域反射。然而，本次实验中测得的反射率损失仅在小缺陷诱导的损伤点（参见图3右上）合并为一个大的损伤坑后才显现出来。因此，在线损伤检测只能在能量密度远高于损伤阈值时实现。

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• 4 结论

• 本研究中，我们使用纳秒级桌面EUV光源对三种不同的Mo/Si多层膜镜进行了单脉冲（1-on-1）和十脉冲（10-on-1）损伤阈值的测试。以下是主要结论：

• 1. 单脉冲（1-on-1）损伤阈值：

• 三种样品的单脉冲损伤阈值无显著差异，即使其中一个镜面带有钌（Ru）保护层，另一个具有内部扩散屏障。

• 然而，不同材料特性导致了Mo/C/Si/C镜的损伤形态与Mo/Si和[Mo/Si]Ru镜略有不同。这可能与热扩散率或化合物（如SiC）的形成密度差异有关。

• 2. 多脉冲（10-on-1）损伤阈值：

• 对Mo/C/Si/C镜的实验表明，其十脉冲损伤阈值比单脉冲低约60%。

• 这一结果与缺陷诱导的损伤机制一致，低能量密度下的AFM图像（参见图3右上）进一步支持了这一结论。

• 3. 反射率变化：

• 通过在损伤脉冲前后采集反射的EUV辐射，确定了Mo/C/Si/C镜的相对反射率。

• 反射率的显著变化仅在通量**>0.9 J/cm²**时出现，此时损伤点合并形成单个大的损伤坑。

• 即使在严重损伤条件下，部分EUV辐射仍从未受损的边缘区域或部分完整的多层膜结构反射。在能量密度**>2.0 J/cm²时，反射率趋于稳定，约为0.4**。

• 总结：

• 多脉冲效应显著：多脉冲条件下的损伤阈值显著降低，表明缺陷主导的累积效应对多层膜镜的耐久性有显著影响。

• 热扩散和化学反应的作用：扩散屏障和化合物形成可能通过改变热扩散行为或材料密度影响损伤机制。

• 反射率检测的局限性：反射率的变化仅在较高通量下明显，这限制了在线损伤检测的灵敏度。

• 这些结果为优化EUV光学元件的设计、提高其在高重复率光源中的可靠性提供了关键参考。