A Two-Mirror Faceted Projection System for EUV Lithography

現代の世界は、スマートフォンからグローバルなインターネット・トラフィックを制御するシステムに至るまで、あらゆるものの中に潜む目に見えないエンジンである、極小のシリコンチップによって動いています。これらのチップをより高速かつ強力にするために、エンジニアはそれらを駆動するトランジスタを縮小し、一粒の砂の中に数十億個を詰め込まなければなりません。この微細化のプロセスは、リソグラフィと呼ばれる技術に依存しています。これは高精度なカメラのように機能し、マスターテンプレートからシリコンウェハーへとパターンを投影し、回路を刻み込みます。カメラがプリントできる特徴（フィーチャー）が小さければ小さいほど、トランジスタも小さくなります。数十年にわたり、業界は光の限界を押し広げてきました。可視光から紫外線へ、そして最終的にはナノメートル単位で測定される極端紫外線（EUV）へと移行してきました。しかし、さらに小さな特徴への需要が高まるにつれ、これらのパターンをプリントするために使用される従来のツールは壁に突き当たっています。この光を集中させるために必要な鏡は非常に複雑かつ多数存在するため、エネルギーの大部分を吸収してしまい、プロセスを非効率的かつ極めて高価なものにしています。

ロシアのニジニ・ノヴゴロド大学の研究チームは、この問題を解決するための、根本的に異なる方法を提案しました。光を集中させるために長い湾曲した鏡の連鎖を使用する代わりに、彼らはそれぞれが数千の小さな平らなタイルで覆われた、わずか2つの平面を使用するシステムを設計しました。彼らのシミュレーションでは、この新しい配置によって、現在の機械が苦戦しているレベルの詳細度でシリコンウェハー上にパターンを投影することに成功し、同時に光をより明るい状態に保つことができました。研究者たちはこの研究のために物理的な機械を製作したのではなく、むしろ、そのアイデアが理論的に機能することを証明するために強力なコンピュータモデルを使用しました。彼らの研究は、現在の世代の装置では不可能とされるサイズである、6ナノメートル未満の特徴をプリントするための道筋を示唆しています。

問題の核心は、光が極端に短い場合にどのように振る舞うかにあります。微細なパターンをプリントするには、光を極めて精密に集中させる必要があり、通常は6個から10個の一連の湾曲した鏡を必要とします。光が鏡に反射するたびに、エネルギーの大部分が吸収または消失します。光がシリコンウェハーに到達するまでに、元の電力の15パーセント未満しか残っていません。この損失により、機械は十分な光を生成するために膨大な量の電力を使用せざるを得ず、それがコストを押し上げ、特徴のサイズを制限しています。研究者たちはシンプルな問いを投げかけました。「より少ない反射で同じ結果を得ることはできるだろうか？」 彼らの答えは、単一の連続した鏡の表面という考えを捨て、「ファセット（小面）」によるアプローチを採用することでした。

鏡を、単一のガラス板としてではなく、数千の小さな平らなタイルで作られたモザイクとして想像してみてください。研究者が提案したシステムでは、マスクによって散乱された光は、それぞれがパターンの特定の部分を運ぶ多くの明確なビームに分解されます。これらすべてのビームを単一の湾曲した表面で曲げようとする代わりに、システムは各ビームに対して専用のペアとなる平らなタイルを割り当てます。最初のタイルのセットがビームを受け止めて真下に送り、次に二番目のセットがそれを受け止めてウェハーに対して正確に狙いを定めます。光は2回しか反射しないため、システムは約半分の光のパワーを保持することができ、これは現在の技術に対する大幅な改善となります。この効率性は重要です。なぜなら、これは機械が、あり得ないほど強力な光源を必要とすることなく、より小さな特徴をプリントできる可能性があることを意味するからです。

このシステムの幾何学的な構造は複雑です。研究者たちは、すべての異なるビームが同時にウェハーに到着し、正しい焦点を持つように、すべてのタイルの正確な角度と位置を計算しなければなりませんでした。もしタイミングがずれていれば、パターンはぼやけてしまいます。彼らは、どのタイルに当たっても、各ビームが移動する距離が同一になるようにシステムを設計しました。これにより、光の波が互いに強め合い、シャープな像を作り出すことが保証されます。また、光が異なる角度でタイルに当たることも考慮しなければなりませんでした。これを処理するために、彼らは異なる金属の層を交互に重ねた特殊なコーティングを各タイルに設計しました。これらの層はフィルターとして機能し、その特定のタイルに必要な特定の色の光を反射し、残りの光を吸収します。すべてのタイルに対してカスタマイズされたコーティングを行うことで、要求される全角度の範囲においてシステムが効率的に動作するようにしました。

チームは、13.5ナノメートルと11.2ナノメートルの2種類の異なる波長の光を使用して、設計のテストを行いました。彼らは、6ナノメルの細さの線や、幅約5.4ナノメートルの孤立したピークを含むパターンのプリントをシミュレートしました。コンピュータモデルにおいて、これらの極小の特徴は、焦点がわずかにずれていてもシャープで明確なままであり、これはシステムが堅牢であることを示しています。シミュレーションの結果、システムは、レンズが捉えられる詳細度の尺度である開口数（数値開口数）において、1.0近くに達することができるという結果が出ました。これは理論的には可能ですが、実用的な機械では達成されたことがない値であり、現在の設計は約0.55に制限されています。

有望な結果ではありますが、研究者たちはこれが理論的な突破口であることを慎重に注記しています。このシステムは二次元のパターンに依存しており、実際のコンピュータチップに見られる複雑な三次元形状へと拡張するには新たな課題が存在します。さらに、タイルの膨大な数（3Dバージョンでは2,000個以上）は、それらを製造し、整列させることが記念碑的なエンジニアリング作業になることを意味します。研究者たちは、そのような機械を構築するには、各タイルの精密な配置やコーティングの安定性に関する問題を解決する必要があると認めています。しかし、彼らの研究は、基礎的な物理学によって、わずか2回の反射のみで構成されるシステムが可能であることを証明しており、これは将来的に次世代のリソグラフィ・ツールにつながる概念となり得ます。

この研究の意義は、単にチップをより小さくすることに留まりません。より少ない鏡で高い解像度を実現できることを示すことで、研究者たちは光学設計の考え方を変える扉を開きました。伝統的なアプローチは、エラーを補正するために、より多くの鏡を追加することでした。しかし、この新しい手法は、解決策は光の経路自体を単純化することにあるかもしれないことを示唆しています。より多くの光エネルギーを保持できる能力は、将来の機械がより効率的になり、運用コストを下げられる可能性を意味します。コンピュータ・シミュレーションから稼働する工場用機械への道のりは長く、障害に満ちていますが、この研究は、以前は閉ざされていたと考えられていた道筋への明確な地図を提供しています。それは、十分な創意工夫があれば、物理学の法則を曲げて、かつては不可能と考えられていたスケールで物事を見たり、作ったりできることを示しているのです。