50亿次脉冲之后：DUV光学测试揭示半导体设备稼动率真相

半导体光刻设备使用的深紫外光学元件，在整个服役周期内可能会承受数十亿次激光脉冲轰击。这就带来了元件验证难题：仅依靠出厂初始反射率指标或是激光诱导损伤阈值，无法完整评估元件实际表现。

一面反射镜在出厂时各项光学指标达标，并且测试可以测出很高的激光诱导损伤阈值（LIDT）。但初始性能参数，无法反映它在长期承受高能深紫外激光脉冲照射之后，光学性能会发生多大变化。

OPTOMAN发布的测试结果显示：一款面向193nm工况的离子束溅射镀膜反射镜，在约100 mJ/cm² 能量密度下接受约50亿次脉冲照射，归一化反射率降幅仍低于0.5%，性能优于电子束蒸发镀膜反射镜。该测试结果并不代表深紫外光学元件通用寿命标准。但它说明，必须把累积脉冲辐照，和初始性能、灾难性损伤分开评估。

为什么反射率与激光损伤阈值只能反映部分真实情况

反射率表征激光反射镜对光束的反射能力，直接关系激光系统损耗，最终影响整套系统效率。而激光诱导损伤阈值（参考ISO标准83937）回答的是另一个问题：按照既定测试方法，在哪种条件下激光会造成元件损伤。

两项指标都很关键，但二者都无法直接衡量元件在数十亿次脉冲下的长期稳定性。经过长时间深紫外激光辐照，光学元件性能会逐步改变：反射率下降、吸收率上升，进而影响波前性能、热效应以及其他关乎整套系统表现的参数。

激光光学领域的相关研究也指出，设备运行过程中，除了发生肉眼可见的损伤扩大，还会出现功能性光学性能劣化。采用不同波长、不同脉冲条件得出的数值结果，不能直接套用在193nm半导体系统上，不过这套广义验证思路依然适用。

灾难性损伤只是光学性能的其中一项限制条件。针对半导体设备，有三项测量指标尤其重要：

• 初始性能：元件全新状态下是否满足规格指标。

• 抗损伤能力：发生损伤时对应的工况条件。

• 寿命稳定性：长期辐照之后，性能发生多大程度的偏移。

193nm下50亿次脉冲测试带来哪些启示

OPTOMAN的寿命测试，是直接衡量长期光学稳定性的实例。这面离子束溅射镀膜深紫外反射镜，在193nm、约100 mJ/cm² 条件下经受约50亿次脉冲。测试结束，归一化反射率下降不到0.5%；镀膜没有出现灾难性损伤，在经历巨量累积辐照后，反射率依旧接近初始水平。

图1：电子束溅射氟化物镀膜与离子束溅射氧化物镀膜在193nm附近的反射光谱。

数十亿次脉冲条件的测试，和早期针对193nm光刻光学元件的相关研究结论能够互相印证。有研究对熔融石英样品开展最高400亿次脉冲辐照实验，用来观测只有在长时间照射后才会显现出来的性能变化。

但这不代表50亿次或400亿次脉冲是通用的设备寿命目标。脉冲次数不能孤立看待；能量密度、脉冲宽度、重复频率、光束特性、材料本身、环境条件，全部都会影响光学元件的响应表现。

OPTOMAN的实验结果，不能解读为所有深紫外应用都能保证50亿次脉冲寿命。它的价值，是给出特定累积辐照总量下光学性能的变化幅度，这是只做出厂初始反射率测试无法给到设备工程师的信息。

累积辐照带来的变化不止反射率下降

长期深紫外激光照射，还会改变基底材料以及整体光学响应。熔融石英相关研究证实，激光辐照会引发材料致密化，改变折射率和光程长度。还有多篇文献探讨了吸收率、热致波前形变与永久性材料改变之间的关联。

上述效应需要重视：光学元件不一定出现肉眼可见损伤，就已经开始对整套系统产生负面影响。性能变化可能体现为反射、透射、吸收、散射、波前性能的缓慢漂移。

对系统层面造成多大影响，取决于该元件所处位置。反射镜反射率下降，会改变抵达下游工艺的光功率；吸收增加会形成温度梯度；光程或者波前性能发生偏移，会提升校准工作量，压缩可用工艺裕量。

同样幅度的光学漂移，在设备的某一段光路尚可接受，换到另一段就会变成严重问题。激光光束传输系统往往包含十面以上反射镜，光束经过多个元件，各项性能偏移会叠加累积。经过十次性能已经劣化的反射镜反射之后，输出的激光光束就有可能不再满足光刻工艺要求。

因此，可接受的性能漂移阈值，应由整套光学系统的需求定义，而不是简单套用元件失效的通用标准。

面向数十亿次脉冲工况的光学元件验证

针对深紫外半导体系统，光学元件验证可以分成三个阶段：

1. 初始性能：元件全新状态下，反射率、透射率、吸收率、波前等指标必须满足规格。

2. 抗损伤能力：设备正常工作工况，与标准方法测得的损伤阈值之间，要留有充足安全裕度。

3. 寿命稳定性：在设备预期服役周期对应的累积辐照总量下，光学响应必须维持在允许公差范围内。

一份完整的寿命要求，需要综合考虑工作波长、能量密度、脉冲宽度、重复频率、累积脉冲数量、光束口径与光束轮廓、入射角、偏振态，以及允许的光学漂移范围。

环境条件同样不能忽略，尤其是污染、反复清洗会改变光学元件性能的场景。

性能允许的变化幅度，最终取决于元件在整机设备中承担的功能。同样0.5% 以内的反射率衰减，某条光路下完全在公差范围内，换到另一条光路就需要重点评估。核心判断标准是：该漂移会不会影响工艺窗口、校准工作量以及维护周期。

• 初始反射率：反映元件刚出厂的基准水平。

• LIDT损伤阈值：给出特定条件下的损伤边界。

• 寿命测试：评估元件在中间数十亿次脉冲工况区间内的实际表现。

对于需要长期连续运行的半导体设备，累积脉冲辐照测试应当纳入元件验证流程。