极紫外光刻技术(Extreme ultraviolet lithography-EUVL)作为22-11nm节点的主流光刻技术，其中极紫外多层膜的表面污染和寿命是制约EUVL在大规模生产领域应用的关键之一。EUVL曝光过程中，在EUV辐照和残留碳氢化合物气体以及水蒸气的作用下，EUV光学表面会发生表面碳沉积和表面氧化污染，导致光学元件反射率的降低和芯片产量的减少，此外还会危害光刻质量。为了深入理解多层膜光学表面碳沉积和氧化的机理和相关影响因素，对实际光刻机内的污染状况进行合理评估和预测，建立了多层膜光学表面碳沉积和氧化的理论模型，并对多层膜表面保护层进行了优化设计和分析，以减少表面污染。主要研究内容如下：1．建立了EUV辐照下残留CxHy气体在光学表面引起的碳沉积模型。模型包括CxHy在光学表面的传输、扩散，及在EUV光子和二次电子激发下引起的分解。与实验结果的对比表明模型具有较好的准确性。对碳沉积过程的主要影响因素进行分析，结果表明：引起CxHy分解的主要方式是EUV光子分解；碳层厚度随CxHy气体压强的升高和EUV光强的增加而增长，但会趋于饱和；CxHy分子在光学表面的扩散对碳层分布影响很小；具有较小分子量的CxHy分子(<~100amu)对碳层的贡献较小；当基底温度适度增加时(~30°C)，能够降低表面CxHy的覆盖率，充分减少碳污染。2．建立了EUV辐照下残留水蒸气在光学表面引起的氧化模型。模型包括水分子在Ru表面的吸附、解吸附和扩散、EUV光子和二次电子对水分子的分解、氧原子在Ru层中的扩散和氧化。模型预测结果与电子束曝光实验吻合较好，可用来对实际光刻机中的氧化进行预测和评估。根据模型对表面氧化的主要影响因素进行分析，结果表明：引起水分子分解的主要方式是二次电子分解；随着曝光时长的增加，氧化会持续增加，但速率降低；在较高水蒸气偏压和较大EUV光强条件下，氧化物一般会增加，但是当表面氧原子浓度达到1ML时，氧化会趋于稳定；表面温度的增加(>340K)和较弱的水分子表面结合能(~47KJ/mol)会降低表面水分子覆盖度，有效减少氧化。3．多层膜表面保护层(帽层)能够提高多层膜的稳定性和寿命，本文从光学性能、表面化学稳定性等方面对现有物质进行了系统设计和选择，结果表明Ru、Rh、TiO2、ZrO2相比于其他材料，更适合作为帽层材料。随后对帽层进行优化设计，并从表层电场分布的角度对其进行分析，以减少表层光电子数量，减轻表面污染。当标准Mo/Si多层膜表面Ru帽层的厚度为1.72nm时，反射率最大，为75.59%；当Ru层厚度为2.0nm时，对应的最优顶层Si膜厚度为4.01nm，反射为75.55%；当顶层Si膜厚度为3.25-5.35nm时，Ru层厚度可在一定范围内变化，且反射率均比标准多层膜高。经过优化的多层膜表层电场分布具有以下两个特点：1)多层膜内最上层驻波的波节位于吸收性的帽层中；2)帽层中的总电场强度最低。本文研究内容为EUV多层膜光学表面污染的相关研究提供了理论依据，可对实际光刻机内的污染状况进行合理预测和评估，对多层膜表面污染的控制提供指导。