光之谷 - EUV PSM空白掩模板以及actinic metrology的长期稳定性

EUV attPSM 的 phase metrology 做到 sub-degree 之后，reference blank 不能再被当成一个永远不变的标准件。

HOYA 和 EUV Tech 在 SPIE Photomask Technology 2025 上发表了一组持续约一年的 actinic reflectometry 数据。实验结果看起来很清楚：新 multilayer 的 reflectivity 可以保持稳定，单层材料的 n,k 也基本稳定，但 PSM absorber 相对 multilayer 的 phase shift 却在三套样品上持续漂移。

作者认为这个 phase drift 很可能来自 absorber 表面缓慢生长的 carbon contamination。按薄膜模型折算，一年的变化只有 Å-level，相当于几个 carbon atomic radii。这个变化很小，但这恰好是问题所在。

当工具已经可以测到 sub-angstrom thickness 和 sub-degree phase 时，几个原子层不再是可以忽略的表面状态，而会直接进入校准结果。

attPSM 对 phase 为什么这么敏感

attPSM 的价值来自对衍射级次的振幅和相位重新分配。对接近分辨率极限的 dense pattern，如果 absorber reflection 的振幅和 phase 设计合适，可以削弱 zeroth order、增强 first order，使参与成像的衍射级次更平衡，从而改善 image contrast 和 dose。

理想的 thin-mask model 很直观。但真实 EUV mask 不是二维振幅板。Mask 3D effect 会让 pattern phase 随 pitch 改变。absorber stack 内部多个界面的薄膜干涉，又会让 phase shift 随 thickness 非线性变化。论文的模拟显示，在小 pitch 下，rigorous pattern phase 会明显偏离 Fresnel phase；absorber thickness 改变时，phase 还会在总体趋势上出现约 ±10° 的振荡。

这意味着，attPSM 不能只靠名义 thickness 或单点 reflectivity 来保证成像性能。absorber、cap、multilayer 的 thickness 和 optical constants 都会影响最终 phase。

Figure 1：真实 attPSM 中，M3D effect 和薄膜干涉都会使 pattern phase 偏离简单的 Fresnel phase。

所以 actinic metrology 在这里不是“多测一个参数”。它要回答的是：它需要表征的是实际工作波长和入射角下，absorber 与 multilayer 之间的相对 phase 到底是多少。

四类样品，三个稳定性问题

这项实验使用了四类 mask blank：

新配方 multilayer，用于观察 reflectivity stability；
标准 high-reflectivity multilayer；
标准 multilayer 上的 PSM absorber，用于相对 phase 测量；
单层 material sample，用于 n,k 测量。

每一类样品有三套，由 HOYA 提供，分别在 EUV Tech 的 ENK 和 Lawrence Berkeley National Laboratory 的 CXRO beamline 6.3.2 上进行重复测量。

Figure 2：实验使用的四类样品及其典型 reflectivity response

这个设计解耦了三个问题：

multilayer 的 reflectivity 会不会随时间变化；
单层材料的 n,k 会不会漂移；
PSM absorber 与 multilayer 的相对 phase 会不会漂移。

这三个问题不能混在一起。reflectivity stable不代表 phase stable；n,k stable，也不代表完整 film stack 的 surface condition 没有变化。

新的 multilayer 确实更稳定

两种 multilayer 在最初一个月都出现了 reflectivity 下降。之后，标准 multilayer 仍继续缓慢下降；HOYA 的新 multilayer 则在测量精度范围内基本保持不变。

Figure 3：新 multilayer (multilayer 1) 在初始变化后保持稳定，标准 multilayer (multilayer 2) 在一年内继续下降。原图以最终测量值归一化，因此重点应看变化轨迹，不是曲线的绝对高低。

这个结果支持新 multilayer 作为 fixed 6° incidence reflectivity calibration standard。但图中还有一个容易被忽略的细节：两个样品在第一个月都发生了变化。也就是说，即使最终能得到稳定标准件，也可能存在初始 conditioning 或 early aging。对 calibration sample 来说，交付时合格还不够。什么时候开始稳定、经过怎样的保存和测量历史后进入稳定区，同样需要定义。

n,k 稳定，但只能说明单层材料稳定

单层 material sample 在 ENK 和 CXRO 上得到的 n,k 基本一致。三套样品随时间都出现了非常轻微的同向变化，但变化量与 measurement uncertainty 相当，也低于 tool specification。

Figure 4：三套单层材料样品的 Δn 和 Δk 在一年内保持在测量不确定度范围内。

这说明该材料样品至少在一年尺度上可以作为 n,k reference，也说明两套测量系统能够得到一致结果。但这个结论有明确边界。n,k reference 的稳定性来自单层材料样品。它不能直接证明 PSM stack 的 phase reference 同样稳定。完整 stack 多了 absorber、cap、multilayer 和表面污染，每一个界面都可能改变拟合得到的相对 phase。

phase 在三套样品上持续漂移

论文最值得关注的是下图。

Figure 5：三套样品均出现持续的 phase increase；原图展示相对漂移，没有公开 absolute phase 数值。

三套 PSM 样品的相对 phase 都随时间增加。两套样品在 ENK 上测到相同趋势，第三套样品在 CXRO 上持续接近 400 天后仍沿同一方向变化。

作者的 leading hypothesis 是 absorber 表面逐渐沉积了 carbon contamination。薄薄的 contamination layer 改变了 film stack 的 actinic response，模型最终把它表现为 absorber 与 multilayer 之间的相对 phase 变化。这个解释在物理上合理，但证据还不完整。

论文没有给出直接的 surface chemistry measurement 来确认 carbon，也没有证明污染层的组成和厚度。上图证明了重复出现的 phase drift，但“由 carbon growth 引起”仍是作者明确标注的假设。

reference sample 已经是测量系统的一部分

从工程角度看，这组数据改变了 tool stability 的定义。

传统校准思路容易把 reference sample 当成固定输入：标准件不变，测到的变化就属于工具。但在 sub-degree phase metrology 中，测量值至少由三部分共同决定：

tool 本身的长期 repeatability 和 matching；
reference blank 的材料与 film-stack stability；
sample handling、storage 和 surface contamination history。

只使用一块 PSM reference blank，无法区分 tool drift 与 sample drift。即使曲线非常平滑，也不能据此判断是哪一部分在变。

更稳妥的 calibration strategy 应该分层：

第一层，用稳定 multilayer 监控 reflectivity channel。

第二层，用单层 material sample 监控 n,k measurement 和多设备 matching。

第三层，用多块独立 PSM reference blanks 监控 phase，并保留 storage、cleaning、exposure 和 measurement history。

如果多块 PSM reference 同向漂移，而 multilayer 与 n,k reference 保持稳定，就有理由优先怀疑共同的 surface process 或 reference design，而不是直接把变化归因于 ENK设备。

对 attPSM qualification 的含义

attPSM 的 absorber thickness 和 material properties 会决定 phase，phase 又会通过 M3D effect 转化为 pattern-dependent imaging result。因此，phase specification 不能只写成一个初始 release value。

它至少还需要回答：

reference blank 是否经过了规定的 conditioning；
phase stability 的监控周期是多少；
storage 与 contamination control 是否进入规范；
tool matching 使用的是同一块样品，还是独立 reference set；
当 phase drift 超限时，如何区分设备、样品与环境。

这不是把 metrology 流程复杂化。相反，它是在避免用一个正在缓慢变化的样品去判断另一台设备是否稳定。

后记看法

这篇文章的价值在于作者使用了长期数据进行研究，但并不代表已经得到一个定论的机理。论文中并没有公开 phase drift 的绝对数值尺度，也没有给出 contamination layer 的直接成分分析。样品的数量有限，不同 PSM absorber material, cap layer, and storage condition 是否会得到文中描述的相同趋势？这个问题也无法回答。

另外需要注意的是，新的 multilayer 的配方以及稳定机制同样没有展开讨论。我们能确认它在这组测量中更加的稳定，但是不能够从文中判断这种稳定性的来源是材料的设计、界面的设计、亦或是制造和保存条件的优化。

最后 HOYA 和 EUV Tech 的一年稳定性数据说明，EUV actinic metrology 的精度已经高到足以看到 reference blank 自身的缓慢变化。