EUV 光学元件表面污染简介

在芯片的生产工艺中，光刻是最核心的部分，难度大、耗时长、成本高。目前，芯片用光刻机经历了五代产品的发展，其中，前四代光刻机使用的光源都属于深紫外光（DUV），而第五代光刻机则属于极紫外光（EUV）。它以波长为 13.5nm 的极紫外光作为光源，是目前可实现 7nm 以下先进制程的唯一手段。EUV 光刻机与 DUV 光刻机原理基本类似，主要的区别是 EUV 光极易被包括空气在内的所有物质吸收，光学元件表面污染也会影响 EUV 的反射率。
▲EUV光刻机内部示意图EUV 光刻机主要被分成光源和主腔体，主腔体包含照明和成像光学系统、掩膜平台、晶圆平台、掩模搬运模组以及晶圆搬运模组，这些子系统都必须置于真空环境中。其中晶圆装卸器和掩膜装卸器分别与主腔体连接，可实现晶圆与掩膜在大气与真空环境间的转移，照明和成像光学系统对真空洁净度的要求最高。EUV光刻机主腔体环境为超洁净真空 (ECV），以保证极紫外光的高透过性以及光学元件洁净使用环境。EUV 光刻机通常采用全反射式的曝光系统，光学元件主要为多层膜反射镜，由交替的 Mo/Si 层堆叠而成，表面通常覆盖有由 Ru、TiO2 或 Si 等物质组成的保护层。如果 ECV 室中含有残余气体（H2、O2、H2O 和 CxHy），部分气体不仅会吸收极紫外光，还会污染光学元件，如 H2O 会氧化腐蚀反射镜表面，碳氢化合物（CxHy）会在镜片上沉积碳层，造成反射率下降和镜面型的改变。因此两者在 ECV 室内环境分压要求是： H2O＜10-5 Pa，CxHy＜10-7 Pa。

▲EUV 光学元件表面主要污染物EUV 光刻机的晶圆工作模组的工作环境为洁净真空（CV），主要负责对晶圆进行曝光。由于 CV 室不包含光学元件，且 EUV 光路只通过很少一部分区域，所以洁净度要求低于 ECV 室，允许产生一定的污染物，但必须通过真空系统将这些污染物快速排走，并严格控制其扩散，通常要求真空室内环境分压要求是： H2O＜10-3Pa；CxHy＜10-5 Pa。ECV 室与 CV 室之间通过动态气体锁（DGL）隔离，以减小两室之间的流导。DGL 内通入 Ar 洁净气流，对 CV 室中欲流向 ECV 室的污染物分子进行近似线性的弹性碰撞，使其回流并达到抑制污染扩散的效果。

影响 EUV 真空环境的污染物分子主要是氢气、氧气、水蒸气以及乙醇、苯、甲苯、异丁烯和甲基丙烯酸甲酯（MMA）等碳氢化合物。它们主要来自真空腔内壁吸附的气体、真空中残余气体、零部件和光刻胶释气。其中吸附在真空腔内壁上的污染物分子比真空腔中残余气体分子多，是污染物的主要来源。尽管真空腔内壁表面积比真空腔中线缆的表面积大，但线缆的释气率更高，释放的气体更多。为减少对真空环境的污染，所有处于 EUV 真空环境中的零部件须经过特殊加工以确保最小释气量，真空室内的电缆须经退火处理，传感器本体及传输电缆对 H2O 的释气率低于 8.62×10-7 Pa·L/s，CxHy 的释气率低于 2.2×10-9 Pa·L/s。运动部件、电机等尽可能的放置在真空室外。

▲残余气**测仪（RGA）示意图

影响光学寿命的主要因素是光刻过程中光刻胶挥发出的气态污染物分子在光学元件上的沉积，因此研究不同光刻胶的释气特性及其对光学元件表面污染的影响程度也非常必要，并且光刻机内部应该有针对污染的检测方案。当光刻机的光学系统因为污染出现光能损失之前，污染物分子就应该在不打开真空腔的条件下被及时发现和处理，并且监控设备应具备探测范围宽、响应速度快、高灵敏度、高精度、与真空环境兼容性好、操作简单，占用光刻机内部空间小等特点。气态污染物监控设备主要是残余气**测仪（RGA）。

▲光敏碳沉积示意图

光学元件表面的碳沉积主要是在 EUV 光子和碳氢化合物的共同作用下形成的。环境中的碳氢化合物分子吸附在光学元件的表面，在极紫外光的作用下碳氢化合物发生分解，形成自由基，基团聚合在一起并化学吸附在光学元件表面形成碳的沉积。真空环境中碳氢化合物分压升高时，吸附在光学元件表面的碳氢化合物分子增多，碳沉积的速率便会增大。曝光功率增大，由光子或者光电子导致的碳氢化合物分解概率增大，碳沉积的速率也会增大。

不同的光学元件保护层材料具有不同的碳氢化合物吸附特性、催化效果和光电子产量，都会导致碳沉积的速率不同。例如对比 Ru 和 TiO2 保护层表面碳化物沉积，发现 TiO2 表面碳沉积的初始速率比 Ru 快，而当碳沉积厚度达到约 1nm 时二者的碳沉积速率相当。不同的 Si 保护层厚度对碳沉积速率影响也不尽相同，发现 3nm 厚的 Si 保护层具有良好的抗碳沉积特性。

▲Ru 保护层表面氧化示意图

光学元件表面氧化的主要污染源为水蒸气。由于 EUV 光刻机真空腔体包含大量精密部件，不能进行烘烤，因此真空腔体中水蒸气的分压相对较高，不过多数水分子是吸附在真空腔体的内壁上。与碳沉积相同，光学元件表面的氧化仍是水分子和 EUV 光子共同作用的结果。当真空环境中水蒸气分压升高时，光学元件表面吸附的水分子增多，氧化速率加快。曝光功率增大时，参与反应的光子和电子的数量增多，氧化速率增大。

极紫外光学元件表面污染及其控制技术是制约 EUV 技术在大规模量产（HVM）领域应用的关键因素之一。在高能量的 EUV 光子以及真空环境中污染物分子的作用下，EUV 光学元件表面极易被污染，这不仅会降低光学元件的反射率，影响光学系统的波像差，还会造成对准误差及焦深的减小，导致光学系统的寿命和曝光性能下降。尽管在研究 EUV 光学元件表面污染形成机理与污染控制技术研究已取得了长足的进步，光学元件的寿命显著提高，但仍然存在许多问题与挑战：建立了光学元件表面碳沉积和氧化的统一模型；研发新的保护层材料和制作工艺，更好阻止污染物的生成；研究新的污染物清洗工艺，进一步降低清洗过程对光学元件的损伤。