A Two-Mirror Faceted Projection System for EUV Lithography

आधुनिक दुनिया नन्हे सिलिकॉन चिप्स पर चलती है, जो स्मार्टफोन से लेकर वैश्विक इंटरनेट ट्रैफिक को निर्देशित करने वाली प्रणालियों तक, हर चीज़ के भीतर अदृश्य इंजन हैं। इन चिप्स को तेज़ और अधिक शक्तिशाली बनाने के लिए, इंजीनियरों को उन्हें चलाने वाले ट्रांजिस्टर को सिकोड़ना पड़ता है, जिससे रेत के एक दाने पर अरबों ट्रांजिस्टर समा सकें। लघुकरण (miniaturization) की यह प्रक्रिया लिथोग्राफी नामक एक तकनीक पर निर्भर करती है, जो एक उच्च-सटीक कैमरे की तरह कार्य करती है, जो एक मास्टर टेम्पलेट से पैटर्न को सिलिकॉन वेफर पर प्रोजेक्ट करती है ताकि सर्किट्री को उकेरा जा सके। कैमरा जितनी सूक्ष्म आकृतियों को प्रिंट कर सकता है, ट्रांजिस्टर उतने ही छोटे हो सकते हैं। दशकों से, उद्योग ने प्रकाश की सीमाओं को आगे बढ़ाया है, दृश्य प्रकाश से पराबैंगनी (ultraviolet) और अंततः अत्यधिक पराबैंगनी (extreme ultraviolet) प्रकाश की ओर बढ़ा है, जो एक ऐसी तरंग दैर्ध्य (wavelength) है जिसे नैनोमीटर में मापा जाता है। हालाँकि, जैसे-जैसे और भी छोटी आकृतियों की मांग बढ़ रही है, इन पैटर्न को प्रिंट करने के लिए उपयोग किए जाने वाले पारंपरिक उपकरण एक दीवार से टकरा रहे हैं। इस प्रकाश को केंद्रित करने के लिए आवश्यक दर्पण इतने जटिल और संख्या में अधिक हैं कि वे अधिकांश ऊर्जा को अवशोषित कर लेते हैं, जिससे यह प्रक्रिया अक्षम और अविश्वसनीय रूप से महंगी हो जाती है।

रूस के निज़नी नोवगोरोड विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या को हल करने के लिए एक मौलिक रूप से भिन्न तरीका प्रस्तावित किया है। प्रकाश को केंद्रित करने के लिए घुमावदार दर्पणों की एक लंबी श्रृंखला का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने एक ऐसा सिस्टम डिज़ाइन किया है जो केवल दो सपाट सतहों का उपयोग करता है, जिनमें से प्रत्येक हजारों छोटे, सपाट टाइल्स (tiles) से ढकी होती है। अपने सिमुलेशन में, इस नई व्यवस्था ने सफलतापूर्वक एक सिलिकॉन वेफर पर एक ऐसे स्तर के विवरण के साथ पैटर्न प्रोजेक्ट किया जिसे वर्तमान मशीनें हासिल करने के लिए संघर्ष करती हैं, और यह सब प्रकाश को बहुत उज्ज्वल बनाए रखते हुए किया गया। शोधकर्ताओं ने इस अध्ययन के लिए कोई भौतिक मशीन नहीं बनाई; बल्कि, उन्होंने यह सिद्ध करने के लिए कि यह विचार सैद्धांतिक रूप से काम करता है, शक्तिशाली कंप्यूटर मॉडल का उपयोग किया। उनका काम यह सुझाव देता है कि छह नैनोमीटर से भी छोटी आकृतियों को प्रिंट करने का एक मार्ग है, जो वर्तमान पीढ़ी के उपकरणों के साथ असंभव होगा।

समस्या का मूल कारण यह है कि जब प्रकाश अत्यंत छोटा होता है तो वह कैसे व्यवहार करता है। सूक्ष्म पैटर्न प्रिंट करने के लिए, प्रकाश को अत्यधिक सटीकता के साथ केंद्रित किया जाना चाहिए, जिसके लिए आमतौर पर छह से दस घुमावदार दर्पणों की एक श्रृंखला की आवश्यकता होती है। प्रत्येक बार जब प्रकाश एक दर्पण से टकराता है, तो उसकी ऊर्जा का एक महत्वपूर्ण हिस्सा अवशोषित या नष्ट हो जाता है। जब तक प्रकाश सिलिकॉन वेफर तक पहुँचता है, मूल शक्ति का पंद्रह प्रतिशत से भी कम हिस्सा शेष रहता है। यह हानि मशीनों को पर्याप्त प्रकाश उत्पन्न करने के लिए भारी मात्रा में बिजली का उपयोग करने के लिए मजबूर करती है, जिससे लागत बढ़ जाती है और आकृतियों के आकार की सीमा तय हो जाती है। शोधकर्ताओं ने एक सरल प्रश्न पूछा: क्या वे बहुत कम प्रतिबिंबों (reflections) के साथ समान परिणाम प्राप्त कर सकते हैं? उनका उत्तर एक निरंतर वक्र सतह के विचार को त्यागकर एक "फैसेटेड" (faceted) दृष्टिकोण अपनाने का था।

कल्पना कीजिए कि एक दर्पण कांच की एक एकल शीट नहीं, बल्कि हजारों छोटे, सपाट टाइल्स से बना एक मोज़ेक (mosaic) है। शोधकर्ताओं द्वारा प्रस्तावित सिस्टम में, मास्क द्वारा बिखेरे गए प्रकाश को कई अलग-अलग बीमों में विभाजित किया जाता है, जिनमें से प्रत्येक एक विशिष्ट पैटर्न का हिस्सा ले जाता है। एक एकल घुमावदार सतह के साथ इन सभी बीमों को मोड़ने की कोशिश करने के बजाय, सिस्टम प्रत्येक बीम को अपनी समर्पित जोड़ी फ्लैट टाइल्स को सौंप देता है। टाइल्स का पहला सेट बीम को पकड़ता है और उसे सीधा नीचे भेजता है, जबकि दूसरा सेट उसे फिर से पकड़ता है और उसे सटीक रूप से वेफर की ओर निर्देशित करता है। क्योंकि प्रकाश केवल दो बार परावर्तित होता है, इसलिए सिस्टम प्रकाश की लगभग आधी शक्ति को बनाए रखता है, जो वर्तमान तकनीक की तुलना में एक बड़ा सुधार है। यह दक्षता महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि मशीन को एक असंभव रूप से शक्तिशाली प्रकाश स्रोत की आवश्यकता के बिना बहुत छोटी आकृतियों को प्रिंट करने में सक्षम हो सकता है।

इस प्रणाली की ज्यामिति जटिल है। शोधकर्ताओं को प्रत्येक टाइल के सटीक कोण और स्थिति की गणना करनी पड़ी ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि सभी अलग-अलग बीम वेफर पर एक ही समय में और सही फोकस के साथ पहुँचें। यदि समय (timing) में अंतर हुआ, तो पैटर्न धुंधला हो जाएगा। उन्होंने सिस्टम को इस तरह डिज़ाइन किया कि प्रत्येक बीम द्वारा तय की गई दूरी समान हो, चाहे वह किसी भी टाइल से टकराए। यह सुनिश्चित करता है कि प्रकाश की तरंगें एक स्पष्ट छवि बनाने के लिए एक-दूसरे को सुदृढ़ करें। उन्हें इस तथ्य को भी ध्यान में रखना पड़ा कि प्रकाश विभिन्न कोणों पर टाइल्स से टकराता है। इसे संभालने के लिए, उन्होंने प्रत्येक टाइल के लिए एक विशेष कोटिंग डिज़ाइन की, जो विभिन्न धातुओं की वैकल्पिक परतों से बनी है। ये परतें एक फिल्टर की तरह कार्य करती हैं, जो उस विशेष टाइल के लिए आवश्यक प्रकाश के विशिष्ट रंग को परावर्तित करती हैं और बाकी को अवशोषित कर लेती हैं। प्रत्येक टाइल के लिए कोटिंग को कस्टमाइज़ करके, उन्होंने सुनिश्चित किया कि सिस्टम आवश्यक कोणों की पूरी रेंज में कुशलतापूर्वक कार्य करे।

टीम ने दो अलग-अलग प्रकार की प्रकाश तरंग दैर्ध्य का उपयोग करके अपने डिज़ाइन का परीक्षण किया, एक 13.5 नैनोमीटर पर और दूसरा 11.2 नैनोमीटर पर। उन्होंने उन पैटर्न को प्रिंट करने का सिमुलेशन किया जिसमें छह नैनोमीटर जितनी पतली रेखाएं और लगभग 5.4 नैनोमीटर की चौड़ाई वाले अलग शिखर (peaks) शामिल थे। कंप्यूटर मॉडल में, ये सूक्ष्म आकृतियाँ तब भी स्पष्ट और विशिष्ट बनी रहीं जब फोकस थोड़ा हट गया था, जो एक संकेत है कि सिस्टम मजबूत है। सिमुलेशन ने दिखाया कि सिस्टम लगभग 1.0 का न्यूमेरिकल एपर्चर (numerical aperture), जो यह मापता है कि लेंस कितना विवरण कैप्चर कर सकता है, प्राप्त कर सकता है। यह एक ऐसा मान है जो सैद्धांतिक रूप से संभव है लेकिन कभी भी व्यावहारिक मशीन में प्राप्त नहीं किया गया है, क्योंकि वर्तमान डिज़ाइन लगभग 0.55 तक सीमित हैं।

यद्यपि परिणाम उत्साहजनक हैं, शोधकर्ता सावधानी बरतते हुए यह नोट करते हैं कि यह एक सैद्धांतिक सफलता है। सिस्टम एक द्वि-आयामी (two-dimensional) पैटर्न पर निर्भर करता है, और इसे वास्तविक कंप्यूटर चिप्स में पाए जाने वाले जटिल, त्रि-आयामी (three-dimensional) आकारों तक विस्तारित करना नई चुनौतियाँ पेश करता है। इसके अलावा, टाइल्स की विशाल संख्या—3D संस्करण में दो हजार से अधिक—का अर्थ है कि उनका निर्माण और संरेखण (alignment) एक बहुत बड़ा इंजीनियरिंग कार्य होगा। शोधकर्ता स्वीकार करते हैं कि ऐसी मशीन बनाने के लिए प्रत्येक टाइल के सटीक प्लेसमेंट और कोटिंग की स्थिरता से संबंधित समस्याओं को हल करने की आवश्यकता होगी। हालाँकि, उनका काम यह सिद्ध करता है कि मौलिक भौतिकी केवल दो प्रतिबिंबों वाले सिस्टम की अनुमति देती है, एक ऐसा विचार जो अंततः लिथोग्राफी उपकरणों की एक नई पीढ़ी की ओर ले जा सकता है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल छोटे चिप्स बनाने तक ही सीमित नहीं हैं। यह प्रदर्शित करके कि कम दर्पणों वाला सिस्टम उच्च रिज़ॉल्यूशन प्राप्त कर सकता है, शोधकर्ताओं ने ऑप्टिकल डिज़ाइन के बारे में सोचने के एक अलग तरीके का द्वार खोल दिया है। पारंपरिक दृष्टिकोण त्रुटियों को ठीक करने के लिए अधिक दर्पण जोड़ने का रहा है, लेकिन यह नया तरीका सुझाव देता है कि समाधान प्रकाश के पथ को ही सरल बनाने में हो सकता है। अधिक प्रकाश ऊर्जा को बनाए रखने की क्षमता का अर्थ है कि भविष्य की मशीनें अधिक कुशल और संभावित रूप से संचालित करने में कम महंगी हो सकती हैं। हालाँकि कंप्यूटर सिमुलेशन से एक कामकाजी फैक्ट्री मशीन तक का रास्ता लंबा है और बाधाओं से भरा है, यह अध्ययन एक स्पष्ट मानचित्र प्रदान करता है जो पहले अवरुद्ध माना जाता था। यह दिखाता है कि पर्याप्त सूझबूझ के साथ, भौतिकी के नियमों को मोड़कर हम उन चीजों को देख और बना सकते हैं जिन्हें कभी असंभव माना जाता था।