A Two-Mirror Faceted Projection System for EUV Lithography
本文提出了一种用于极紫外（EUV）光刻的全反射双反光镜分块投影系统，该系统通过利用每个衍射级次的专用平面反射镜对、严格的光路等长化以及优化的多层膜涂层来解决亚10纳米特征问题，从而实现了高数值孔径（）并显著提高了光学通量。
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现代世界运行在微小的硅芯片之上，这些芯片是智能手机到引导全球互联网流量系统等一切事物内部的隐形引擎。为了让这些芯片更快、更强大，工程师必须缩小驱动它们的晶体管，将数十亿个晶体管压缩在单粒沙子的体积内。这种微缩化过程依赖于一种被称为光刻的技术，它就像一台高精度相机，将来自母版模板的图案投影到硅晶圆上，从而刻蚀出电路。相机能够打印出的特征越小，晶体管就可以做得越小。几十年来，业界一直在挑战光的极限，从可见光转向紫外线，最后转向极紫外光——这是一种波长极短、以纳米计的波长。然而，随着对更小特征的需求不断增长，用于打印这些图案的传统工具正面临瓶颈。用于聚焦这种光的反射镜极其复杂且数量众多，它们吸收了大部分能量，使得整个过程效率低下且极其昂贵。
来自俄罗斯下诺夫哥罗德大学的一个研究小组提出了一种完全不同的解决办法。他们没有使用长链式的曲面镜来聚焦光线，而是设计了一个仅使用两个平面、每个平面覆盖着数千块微小平整瓷砖的系统。在他们的模拟中，这种新布局成功地将图案投影到硅晶圆上，其细节水平达到了现有机器难以企及的高度，同时保持了更高的光强。研究人员并未制造物理机器进行这项研究；相反，他们利用强大的计算机模型证明了该想法在理论上的可行性。他们的工作为打印小于六纳米的特征指明了道路，而这种尺寸对于当前一代设备来说是不可能实现的。
问题的核心在于光在极短波长下的行为方式。为了打印微小的图案，光必须被极度精确地聚焦，这通常需要一系列六到十个曲面镜。每当光线从镜面反射时，很大一部分能量就会被吸收或损失。当光到达硅晶圆时，不到百分之十五的原始功率得以保留。这种损耗迫使机器必须使用海量的电力来产生足够的亮度，从而推高了成本并限制了特征能做到的最小尺寸。研究人员提出了一个简单的问题：我们能否用更少的反射实现同样的结果？他们的答案是放弃使用单一连续曲面镜的想法，转而采用“分面”的方法。
想象一下，镜子不再是一整块玻璃，而是一个由数千块微小平型瓷砖组成的马赛克。在研究人员提出的系统中，被掩模散射的光被分解成许多不同的光束，每束光都携带着图案的特定部分。该系统并没有试图用单一的曲面去弯曲所有这些光束，而是为每束光分配了一对专属的平整瓷砖。第一组瓷砖接收光束并将其向下直射，而第二组瓷砖再次接收它，并将其精确地导向晶圆。由于光仅经过两次反射，该系统保留了约一半的功率，这与当前技术相比有了巨大的提升。这种效率至关重要，因为这意味着机器未来可以打印出更小的特征，而无需使用功率大到无法实现的强光源。
该系统的几何结构非常复杂。研究人员必须计算每一块瓷砖的确切角度和位置，以确保所有不同的光束都能同时到达晶圆并具有正确的焦点。如果时间差稍有偏差，图案就会模糊。他们设计的系统确保无论光束击中哪块瓷砖，其行进距离都是相同的。这确保了光波能够相互增强，从而形成清晰的图像。他们还必须考虑到光线以不同角度撞击瓷砖的事实。为了处理这个问题，他们为每块瓷砖设计了特殊的涂层，由不同金属的交替层组成。这些层充当过滤器，反射特定瓷砖所需的特定颜色光，同时吸收其余部分。通过为每一块瓷砖定制涂层，他们确保了系统在所需的整个角度范围内都能高效工作。
团队使用两种不同类型的光波长测试了他们的设计，一种为13.5纳米，另一种为11.2纳米。他们模拟了包含细至六纳米线条以及宽度约为5.4纳米孤立峰值的图案打印。在计算机模型中，即使在焦点略微偏移的情况下，这些微小特征依然保持清晰且分明，这表明该系统具有鲁棒性。模拟显示，该系统可以达到接近1.0的数值孔径（即透镜捕捉细节能力的度量），这在理论上是可能的，但在实际机器中从未实现过，因为目前的设计仅限于约0.55。
虽然结果令人鼓舞，但研究人员谨慎地指出，这是一个理论性的突破。该系统依赖于二维图案，将其扩展到真实计算机芯片中复杂的三维形状仍面临新的挑战。此外，由于瓷砖的数量巨大（在三维版本中超过两千块），制造和对准这些瓷砖将是一项艰巨的工程任务。研究人员承认，建造这样一台机器需要解决每个瓷砖的精确放置以及涂层稳定性的问题。然而，他们的工作证明了物理学原理允许存在一个仅需两次反射的系统，这一概念最终可能导致新一代光刻工具的诞生。
这项工作的意义不仅在于制造更小的芯片。通过证明一个拥有更少反射镜的系统可以实现更高的分辨率，研究人员为光学设计提供了一种全新的思考方式。传统的做法是通过增加更多反射镜来修正误差，但这种新方法表明，解决方案可能是简化光线的路径本身。能够保留更多光能意味着未来的机器可以更高效，且运行成本可能更低。虽然从计算机模拟到投入工厂使用的机器之路漫长且充满障碍，但这项研究为一条此前被认为已经封死的路径提供了清晰的地图。它表明，只要有足够的创造力，物理定律是可以被“弯曲”的，从而让我们能够观察并构建出曾经被认为不可能实现的微观尺度之物。
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