A Two-Mirror Faceted Projection System for EUV Lithography

يعتمد العالم الحديث على رقائق السيليكون الصغيرة، وهي المحركات غير المرئية داخل كل شيء، من الهواتف الذكية إلى الأنظمة التي توجه حركة الإنترنت العالمية. ولجعل هذه الرقائق أسرع وأكثر قوة، يجب على المهندسين تصغير الترانزستورات التي تشغلها، وحشد المليارات منها فوق حبة رمل واحدة. تعتمد عملية التصغير هذه على تقنية تسمى الطباعة الحجرية (lithography)، والتي تعمل مثل كاميرا عالية الدقة، حيث تسقط نمطاً من قالب رئيسي على رقاقة سيليكون لنحت الدوائر. وكلما صغرت الميزات التي يمكن للكاميرا طباعتها، صغر حجم الترانزستورات. لعقود من الزمن، دفع القطاع حدود الضوء، من الضوء المرئي إلى الأشعة فوق البنفسجية، وصولاً في النهاية إلى الأشعة فوق البنفسجية القصوى، وهو طول موجي قصير جداً يُقاس بالنانومتر. ومع ذلك، مع تزايد الطلب على ميزات أصغر، بدأت الأدوات التقليدية المستخدمة لطباعة هذه الأنماط تصطدم بحائط مسدود؛ فالمرايا المطلوبة لتركيز هذا الضوء معقدة ومتعددة لدرجة أنها تمتص معظم الطاقة، مما يجعل العملية غير فعالة ومكلفة للغاية.

اقترح فريق من الباحثين من جامعة نيجني نوفغورود في روسيا طريقة مختلفة جذرياً لحل هذه المشكلة. فبدلاً من استخدام سلسلة طويلة من المرايا المنحنية لتركيز الضوء، صمموا نظاماً يستخدم سطحين مسطحين فقط، يغطيهما آلاف البلاطات الصغيرة المسطحة. وفي عمليات المحاكاة التي أجروها، نجح هذا الترتيب الجديد في إسقاط نمط على رقاقة سيليكون بمستوى من التفاصيل تجد الآلات الحالية صعوبة في تحقيقه، مع الحفاظ على سطوع الضوء بشكل أكبر بكثير. لم يبنِ الباحثون آلة فيزيائية لهذه الدراسة، بل استخدموا نماذج حاسوبية قوية لإثبات أن الفكرة ناجحة من الناحية النظرية. ويشير عملهم إلى مسار نحو طباعة ميزات أصغر من ستة نانومترات، وهو حجم سيكون مستحيلاً باستخدام الجيل الحالي من المعدات.

يكمن جوهر المشكلة في كيفية سلوك الضوء عندما يكون قصيراً للغاية. لطباعة أنماط دقيقة، يجب تركيز الضوء بدقة متناهية، وهو ما يتطلب عادةً سلسلة من ست إلى عشر مرايا منحنية. وفي كل مرة يرتد فيها الضوء عن مرآة، يتم امتصاص جزء كبير من طاقته أو فقدانه. وبحلول الوقت الذي يصل فيه الضوء إلى رقاقة السيليكون، يتبقى أقل من خمسة عشر بالمائة من القوة الأصلية. هذا الفقد يجبر الآلات على استخدام كميات هائلة من الكهرباء لتوليد ضوء كافٍ، مما يؤدي لرفع التكاليف والحد من مدى صغر الميزات التي يمكن إنتاجها. وقد طرح الباحثون سؤالاً بسيطاً: هل يمكننا تحقيق نفس النتيجة بعدد أقل بكثير من الانعكاسات؟ كانت إجابتهم هي التخلي عن فكرة سطح المرآة المستمر الواحد لصالح نهج "المضلعات" (faceted).

تخيل المرآة ليس كلوح زجاجي واحد، بل كفسيفساء مكونة من آلاف البلاطات الصغيرة المسطحة. في النظام الذي اقترحه الباحثون، يتم تفكيك الضوء المشتت بواسطة القناع إلى العديد من الحزم المتميزة، حيث تحمل كل منها قطعة محددة من النمط. وبدلاً من محاولة ثني كل هذه الحزم باستخدام سطح منحني واحد، يقوم النظام بتخصيص زوج مخصص من البلاطات المسطحة لكل حزمة. تلتقط المجموعة الأولى من البلاطات الحزمة وترسلها مباشرة للأسفل، بينما تلتقط المجموعة الثانية الحزمة مرة أخرى وتوجهها بدقة نحو الرقاقة. ولأن الضوء يرتد مرتين فقط، يحتفظ النظام بنحو نصف قوة الضوء، وهو تحسن هائل مقارنة بالتكنولوجيا الحالية. وهذا الكفاءة أمر بالغ الأهمية لأنها تعني أن الآلة يمكن أن تطبع ميزات أصغر بكثير دون الحاجة إلى مصدر ضوء قوي بشكل مستحيل.

هندسة هذا النظام معقدة. كان على الباحثين حساب الزاوية والموضع الدقيق لكل بلاطة لضمان وصول جميع الحزم المختلفة إلى الرقاقة في نفس الوقت وبالتركيز الصحيح. فإذا اختل التوقيت، سيصبح النمط ضبابياً. لقد صمموا النظام بحيث تكون المسافة التي تقطعها كل حزمة متطابقة، بغض النظر عن البلاطة التي تصطدم بها، مما يضمن أن تعزز موجات الضوء بعضها البعض لإنشاء صورة حادة. كما توجب عليهم مراعاة حقيقة أن الضوء يصطدم بالبلاطات بزوايا مختلفة. وللتعامل مع ذلك، صمموا طلاءً خاصاً لكل بلاطة، مكوناً من طبقات متبادلة من معادن مختلفة. تعمل هذه الطبقات كمرشح، حيث تعكس اللون المحدد للضوء المطلوب لتلك البلاطة بعينها بينما تمتص الباقي. ومن خلال تخصيص الطلاء لكل بلاطة، ضمنوا أن يعمل النظام بكفاءة عبر كامل نطاق الزوايا المطلوبة.

اختبر الفريق تصميمهم باستخدام نوعين مختلفين من الأطوال الموجية للضوء، أحدهما عند 13.5 نانومتر والآخر عند 11.2 نانومتر. وقاموا بمحاكاة طباعة أنماط تتضمن خطوطاً بسمك يصل إلى ستة نانومترات وقمماً معزولة بعرض حوالي 5.4 نانومتر. وفي النماذج الحاسوبية، ظلت هذه الميزات الدقيقة حادة ومتميزة حتى عندما كان التركيز بعيداً قليلاً، وهي علامة على أن النظام متين. وأظهرت عمليات المحاكاة أن النظام يمكن أن يحقق فتحة عددية (numerical aperture)، وهي مقياس لمدى التفاصيل التي يمكن للعدسة التقاطها، تصل إلى ما يقرب من 1.0. وهذه قيمة ممكنة نظرياً ولكن لم يتم الوصول إليها أبداً في آلة عملية، حيث تقتصر التصميمات الحالية على حوالي 0.55.

بينما تعد النتائج واعدة، يحرص الباحثون على الإشارة إلى أن هذا اختراق نظري. يعتمد النظام على نمط ثنائي الأبعاد، وتوسيع نطاقه ليشمل الأشكال المعقدة ثلاثية الأبعاد الموجودة في الرقائق الحاسوبية الحقيقية يفرض تحديات جديدة. علاوة على ذلك، فإن العدد الهائل من البلاطات — أكثر من ألفي بلاطة في النسخة ثلاثية الأبعاد — يعني أن تصنيعها ومحاذاتها سيكون مهمة هندسية هائلة. يقر الباحثون بأن بناء مثل هذه الآلة سيتطلب حل مشكلات تتعلق بالوضع الدقيق لكل بلاطة واستقرار الطلاءات. ومع ذلك، فإن عملهم يثبت أن الفيزياء الأساسية تسمسة بنظام يحتوي على انعكاسين فقط، وهو مفهوم قد يؤدي في النهاية إلى جيل جديد من أدوات الطباعة الحجرية.

تمتد آثار هذا العمل إلى ما هو أبعد من مجرد صنع رقائق أصغر. فمن خلال إثبات أن نظاماً بعدد أقل من المرايا يمكنه تحقيق دقة أعلى، فتح الباحثون باباً لطريقة تفكير مختلفة في التصميم البصري. كان النهج التقليدي يقتضي إضافة المزيد من المرايا لتصحيح الأخطاء، لكن هذه الطريقة الجديدة تشير إلى أن الحل قد يكمن في تبسيط مسار الضوء نفسه. إن القدرة على الاحتفاظ بمزيد من طاقة الضوء تعني أن الآلات المستقبلية يمكن أن تكون أكثر كفاءة وأقل تكلفة في التشغيل. وبينما يكون الطريق من المحاكاة الحاسوبية إلى آلة مصنع عامل مليئاً بالعقبات، فإن هذه الدراسة توفر خريطة واضحة لمسار كان يُعتقد سابقاً أنه مسدود. إنها تظهر أنه مع القدرة الكافية على الابتكار، يمكن ثني قوانين الفيزياء للسماح لنا برؤية وبناء أشياء بمقياس كان يعتبر في السابق مستحيلاً.