A Two-Mirror Faceted Projection System for EUV Lithography

De moderne wereld draait op minuscule siliciumchips, de onzichtbare motoren in alles van smartphones tot de systemen die het wereldwijde internetverkeer begeleiden. Om deze chips sneller en krachtiger te maken, moeten ingenieurs de transistors die ze aandrijven verkleinen, waarbij miljarden op een enkele korrel zand worden gepakt. Dit proces van miniaturisering vertrouwt op een techniek genaamd lithografie, die werkt als een precisiecamera die een patroon van een mastertemplate projecteert op een siliciumwafer om de bedrading uit te snijden. Hoe kleiner de kenmerken die de camera kan printen, hoe kleiner de transistors kunnen zijn. Decennialang heeft de industrie de grenzen van licht opgezocht, van zichtbaar licht naar ultraviolet, en uiteindelijk naar extreem ultraviolet licht, een golflengte die zo kort is dat deze in nanometers wordt gemeten. Echter, naarmate de vraag naar nog kleinere kenmerken groeit, loopt de traditionele apparatuur die gebruikt wordt om deze patronen te printen tegen een muur aan. De spiegels die nodig zijn om dit licht te focussen zijn zo complex en talrijk dat ze het grootste deel van de energie absorberen, wat het proces inefficiënt en ongelooflijk duur maakt.

Een team onderzoekers van de Universiteit van Nizhny Novgorod in Rusland heeft een radicaal andere manier voorgesteld om dit probleem op te lossen. In plaats van een lange keten van gebogen spiegels te gebruiken om het licht te focussen, ontwierpen zij een systeem dat slechts twee vlakke oppervlakken gebruikt, elk bedekt met duizenden kleine, platte tegeltjes. In hun simulaties projecteerde deze nieuwe opstelling succesvol een patroon op een siliciumwafer met een detailniveau waar huidige machines moeite mee hebben, terwijl het licht veel helderder bleef. De onderzoekers hebben geen fysieke machine gebouwd voor deze studie; in plaats daarvan gebruikten zij krachtige computermodellen om te bewijzen dat het idee in theorie werkt. Hun werk suggereert een pad naar het printen van kenmerken kleiner dan zes nanometer, een grootte die onmogelijk zou zijn met de huidige generatie apparatuur.

De kern van het probleem ligt in hoe licht zich gedraagt wanneer het extreem kort is. Om minuscule patronen te printen, moet het licht met extreme precisie worden gefocust, wat meestal een reeks van zes tot tien gebogen spiegels vereist. Elke keer dat het licht van een spiegel weerkaatst, wordt een aanzienlijk deel van de energie geabsorbeerd of verloren. Tegen de tijd dat het licht de siliciumwafer bereikt, is minder dan vijftien procent van het oorspronkelijke vermogen over. Dit verlies dwingt de machines om enorme hoeveelheden elektriciteit te gebruiken om genoeg licht te genereren, wat de kosten opdrijft en beperkt hoe klein de kenmerken kunnen zijn. De onderzoekers stelden een eenvoudige vraag: zouden zij hetzelfde resultaat kunnen bereiken met veel minder reflecties? Hun antwoord was om het idee van een enkel, continu spiegeloppervlak te verlaten ten gunste van een "gefacetteerde" aanpak.

Stel je een spiegel niet voor als een enkel glasblad, maar als een mozaïek gemaakt van duizenden kleine, platte tegeltjes. In het systeem dat door de onderzoekers is voorgesteld, wordt het licht dat door het masker wordt verstrooid, opgedeeld in vele afzonderlijke bundels, die elk een specifiek deel van het patroon dragen. In plaats van te proberen al deze bundels met een enkel gebogen oppervlak te buigen, wijst het systeem elke bundel toe aan zijn eigen toegewezen paar platte tegeltjes. De eerste set tegels vangt de bundel op en stuurt deze recht naar beneden, terwijl de tweede set de bundel opnieuw opvangt en deze precies op de wafer richt. Omdat het licht slechts twee keer weerkaatst, behoudt het systeem ongeveer de helft van het vermogen van het licht, een enorme verbetering ten opzichte van de huidige technologie. Deze efficiëntie is cruciaal omdat het betekent dat de machine potentieel veel kleinere kenmerken kan printen zonder een lichtbron nodig te hebben die onmogelijk krachtig is.

De geometrie van dit systeem is ingewikkeld. De onderzoekers moesten de exacte hoek en positie voor elk afzonderlijk tegeltje berekenen om ervoor te zorgen dat alle verschillende bundels tegelijkertijd en met de juiste focus bij de wafer aankomen. Als de timing niet klopte, zou het patroon wazig worden. Ze ontwierpen het systeem zo dat de afstand die elke bundel aflegt identiek is, ongeacht welk tegeltje hij raakt. Dit zorgt ervoor dat de lichtgolven elkaar versterken om een scherp beeld te creëren. Ze moesten ook rekening houden met het feit dat het licht onder verschillende hoeken de tegels raakt. Om dit aan te pakken, ontwierpen ze een speciale coating voor elk tegeltje, bestaande uit afwisselende lagen van verschillende metalen. Deze lagen werken als een filter die de specifieke kleur licht reflecteert die nodig is voor dat specifieke tegeltje, terwijl de rest wordt geabsorbeerd. Door de coating voor elk afzonderlijk tegeltje aan te passen, zorgden ze ervoor dat het systeem efficiënt werkt over het gehele bereik van de vereiste hoeken.

Het team testte hun ontwerp met twee verschillende soorten lichtgolflengten, één op 13,5 nanometer en een andere op 11,2 nanometer. Ze simuleerden het printen van patronen die lijnen bevatten die zo dun zijn als zes nanometer en geïsoleerde pieken met een breedte van ongeveer 5,4 nanometer. In de computermodellen bleven deze minuscule kenmerken scherp en duidelijk, zelfs wanneer de focus iets afweek, een teken dat het systeem robuust is. De simulaties toonden aan dat het systeem een numerieke apertuur kan bereiken, een maatstaf voor hoeveel detail de lens kan vastleggen, van bijna 1,0. Dit is een waarde die theoretisch mogelijk is maar nog nooit in een praktische machine is bereikt, aangezien huidige ontwerpen beperkt zijn tot ongeveer 0,55.

Hoewel de resultaten veelbelovend zijn, benadrukken de onderzoekers voorzichtig dat dit een theoretische doorbraak is. Het systeem vertrouwt op een tweedimensionaal patroon, en het uitbreiden ervan naar de complexe, driedimensionale vormen die in echte computerchips worden gevonden, brengt nieuwe uitdagingen met zich mee. Bovendien betekent het enorme aantal tegels — meer dan tweeduizend in de 3D-versie — dat het fabriceren en uitlijnen ervan een monumentale technische taak is. De onderzoekers erkennen dat het bouwen van een dergelijke machine problemen vereist met betrekking tot de precieze plaatsing van elk tegeltje en de stabiliteit van de coatings. Hun werk bewijst echter dat de fundamentele fysica een systeem toestaat met slechts twee reflecties, een concept dat uiteindelijk kan leiden tot een nieuwe generatie lithografietools.

De implicaties van dit werk reiken verder dan alleen het maken van kleinere chips. Door aan te tonen dat een systeem met minder spiegels een hogere resolutie kan bereiken, hebben de onderzoekers de deur geopend naar een andere manier van denken over optisch ontwerp. De traditionele aanpak is geweest om meer spiegels toe te voegen om fouten te corrigeren, maar deze nieuwe methode suggereert dat de oplossing kan liggen in het vereenvoudigen van het pad van het licht zelf. Het vermogen om meer lichtenergie te behouden betekent dat toekomstige machines efficiënter en potentieel goedkoper in gebruik kunnen zijn. Hoewel de weg van een computersimulatie naar een werkende fabrieksmachine lang is en vol obstakels zit, biedt deze studie een duidelijke kaart van een pad dat voorheen als geblokkeerd werd beschouwd. Het laat zien dat we, met genoeg vindingrijkheid, de wetten van de fysica kunnen buigen om dingen te kunnen zien en bouwen op een schaal die ooit als onmogelijk werd beschouwd.