基于密度泛函理论的Ru表面碳行为原子尺度分析及其对极紫外多层膜镜性能的影响

为解决极紫外(EUV)多层膜镜(Multilayer Mirrors, MLMs)中钌(Ru)保护层碳污染导致的性能退化问题，研究人员采用密度泛函理论(DFT)和爬坡弹性带(CI-NEB)方法，系统研究了碳原子在Ru(0001)、Ru(10—10)及阶梯状Ru(10—11)表面的吸附、迁移与渗透动力学。研究发现阶梯表面虽可实现无势垒碳渗透但结构稳定性差，而Ru(10—10)表面通过选择性动力学瓶颈平衡了清洁性与稳定性，为EUV光学器件设计提供了原子尺度理论依据。

　　

在半导体制造领域，极紫外光刻(EUVL)技术凭借13.5 nm波长成为下一代光刻工艺的核心。然而，这一技术的关键组件——由40-60层钼(Mo)/硅(Si)构成的多层膜镜(MLMs)，正面临钌(Ru)保护层碳污染的严峻挑战。残余光刻胶分解和有机气体在EUV辐照下产生的碳沉积，不仅降低镜面反射率，更会缩短器件寿命。尽管氢等离子体清洗可部分去除碳残留，但原子尺度上碳与Ru表面的相互作用机制仍不明确，这直接制约着抗污染材料设计和清洁策略优化。

四川大学的研究团队在《Vacuum》发表的研究中，采用密度泛函理论(DFT)结合爬坡弹性带(CI-NEB)方法，首次系统比较了碳原子在三种典型Ru晶面（密排Ru(0001)、开放Ru(10—10)及阶梯状Ru(10—11)）的吸附与扩散行为。通过VASP软件包进行第一性原理计算，使用PBE泛函描述电子交换关联作用，并设置500 eV截断能和10^-5 eV能量收敛标准。研究重点分析了不同晶面几何结构对碳原子迁移势垒的影响，建立了表面取向-碳动力学-结构稳定性的构效关系。

吸附行为
碳原子在所有Ru表面均优先占据hollow位点，但吸附能呈现显著各向异性：Ru(0001)表面-7.21 eV的强吸附表明碳难以脱附，而Ru(10—10)表面-6.38 eV的中等吸附能暗示其更易清洁。阶梯状Ru(10—11)表面独特的低配位原子导致吸附能进一步降低至-5.97 eV，同时诱发表面重构。

迁移机制
Ru(0001)表面碳迁移需克服1.2 eV势垒，形成级联扩散路径；Ru(10—10)表面通过0.8 eV的过渡态实现二维扩散；而Ru(10—11)阶梯边缘存在0.3 eV的超低势垒，使碳原子可沿台阶方向快速迁移。

渗透动力学
最关键的发现在于阶梯表面可实现无势垒碳渗透——碳原子直接通过表面台阶缺陷进入次表层，但伴随2.7%的晶格膨胀；Ru(10—10)表面通过1.5 eV的能垒选择性阻滞碳渗透；Ru(0001)则需突破2.1 eV的高势垒，形成动力学保护屏障。

该研究首次从电子结构层面揭示了碳-Ru相互作用的本质：碳2p轨道与Ru 4d轨道的共价-金属键杂化导致界面电荷重分布，其中Ru(10—10)表面适度的电荷转移(0.32 e^-)既维持吸附稳定性又保留清洁潜力。这一发现为EUV镜面设计提供了明确指导：需在原子尺度平衡"碳阻隔能力"与"结构完整性"的矛盾。阶梯表面虽有利于原位碳清除，但长期使用易引发疲劳损伤；而密排面虽稳定却难以再生。研究提出的"选择性动力学瓶颈"设计原则，即通过控制表面台阶密度来调控碳渗透通道，为开发新型抗污染Ru基涂层奠定了理论基础。该成果不仅推动EUV光学器件性能提升，其揭示的晶面工程策略还可拓展至其他催化与表面科学领域。