造一台光刻机竟要挑战极限？之光学难题之二 ——精确成像

来源：青岛佳鼎分析仪器有限公司 2024年07月31日 07:23

光学设计难题二：精确成像

在现实中，除了要尽力追求衍射的极限，还要严格控制像差。

像差可以理解为理想的成像与实际成像的差距。控制像差一般需要很多透镜共同作用，例如一个单反镜头有五到七枚透镜共同成像。那光刻机需要多少枚镜头呢，答案是29枚。

近60个光学表面，直径达到80厘米，500kg的重量，组成了DUV光刻机的投影物镜。并且每一枚镜头的平整度非常高，如果将镜头放大到中国东西距离那么大的直径，加工产生的高低起伏误差比乒乓球直径还要小。所有的镜头都只是为了尽可能地成像，将掩模版精确地复刻在芯片上。

DUV光刻机投影物镜（图片来源：光学系统Layout）

DUV光刻机（图片来源：ASML）

EUV光刻机难度更高了。极紫外线又称为软x射线，听名字就知道，它的穿透性也很强，因此DUV所用的透射式系统无法使它偏折。对于这么难搞的光源，我们只能使用全反射的投影系统。此外波长越短的光，越容易被吸收。几乎任何物质对于EUV都是强吸收，甚至空气都能吸收它的能量，因而整个光刻间都要处于真空状态，以尽量减少光能的损耗。

EUV全反射投影系统（图片来源：ASML）

EUV所需要用到的镜子是具有精度的钼/硅反射镜。反射镜需要多精准呢？

首先它不仅需要提高对EUV的反射，还能吸收杂光。因此它上面镀了四十层膜，主要是钼和硅的交替纳米层制作的。其次是平整度，它的表面需要几乎的光滑与干净，每个原子都要在正确的位置，比DUV更离谱，如果将反射镜放大到地球这么大，那它上面只能有一根头发丝直径的小凸起。别忘了这还是镀数十层膜后的光滑度，意味着每一层膜都要更加平整。这可能是宇宙中最光滑的人造结构了。

即使是这样的镀膜水平，每个镜片依然会对EUV有30%的吸收率，而整个反射系统需要十一枚反射镜，因此真正用于光刻芯片的光强只剩下2%。

这只是光学设计部分，还有大量挑战极限的事情。

以上文章节选来源于科学大院，作者王智豪

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