造一臺光刻機竟要挑戰(zhàn)極限？之光學難題之二 ——精確成像

光學設計難題二：精確成像

   在現(xiàn)實中，除了要盡力追求衍射的極限，還要嚴格控制像差。

   像差可以理解為理想的成像與實際成像的差距。控制像差一般需要很多透鏡共同作用，例如一個單反鏡頭有五到七枚透鏡共同成像。那光刻機需要多少枚鏡頭呢，答案是29枚。

   近60個光學表面，直徑達到80厘米，500kg的重量，組成了DUV光刻機的投影物鏡。并且每一枚鏡頭的平整度非常高，如果將鏡頭放大到中國東西距離那么大的直徑，加工產(chǎn)生的高低起伏誤差比乒乓球直徑還要小。所有的鏡頭都只是為了盡可能地成像，將掩模版精確地復刻在芯片上。

DUV光刻機投影物鏡（圖片來源：光學系統(tǒng)Layout）

DUV光刻機（圖片來源：ASML）

       EUV光刻機難度更高了。極紫外線又稱為軟x射線，聽名字就知道，它的穿透性也很強，因此DUV所用的透射式系統(tǒng)無法使它偏折。對于這么難搞的光源，我們只能使用全反射的投影系統(tǒng)。此外波長越短的光，越容易被吸收。幾乎任何物質(zhì)對于EUV都是強吸收，甚至空氣都能吸收它的能量，因而整個光刻間都要處于真空狀態(tài)，以盡量減少光能的損耗。

EUV全反射投影系統(tǒng)（圖片來源：ASML）

        EUV所需要用到的鏡子是具有精度的鉬/硅反射鏡。反射鏡需要多精準呢？

   首先它不僅需要提高對EUV的反射，還能吸收雜光。因此它上面鍍了四十層膜，主要是鉬和硅的交替納米層制作的。其次是平整度，它的表面需要幾乎的光滑與干凈，每個原子都要在正確的位置，比DUV更離譜，如果將反射鏡放大到地球這么大，那它上面只能有一根頭發(fā)絲直徑的小凸起。別忘了這還是鍍數(shù)十層膜后的光滑度，意味著每一層膜都要更加平整。這可能是宇宙中最光滑的人造結構了。

   即使是這樣的鍍膜水平，每個鏡片依然會對EUV有30%的吸收率，而整個反射系統(tǒng)需要十一枚反射鏡，因此真正用于光刻芯片的光強只剩下2%。

   這只是光學設計部分，還有大量挑戰(zhàn)極限的事情。

以上文章節(jié)選來源于科學大院 ，作者王智豪

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