EUV光刻机镜头比中子星表面还要光滑，这是如何做到的?

EUV极紫外光刻机镜片，是世界上最光滑的物体之一。

它的镜片粗糙度优于50pm以下（1pm=10e-12米）[1]。

最新一代EUV光刻机，最大镜面1.2m，表面粗糙度仅仅只有20pm（均方根 ），面精度（峰值与谷值的差值 ）也仅仅只有0.12nm[2]。

如果把EUV光刻机镜片放大到地球那么大，那么它的表面粗糙度也仅仅0.2mm。

而一般中子星表面粗糙度也有几毫米，面精度甚至有几十厘米，它的粗糙度已经优于了中子星。

EUV光刻机为什么需要这么高的精度？

主要原因在于EUV光刻机通过精准控制激光器，连续两次照射滴落的锡液（第一次激发为等离子体），得到13.5nm稳定极紫外光。

虽然经过精密控制，但一开始得到的光源也不能完全13.5nm，需要通过布拉格反射镜收集光源，然后再使用多个光束矫正器，把光线校正为可用的光源。

例如，通过不规则的镜面，把不规则的波前调整成规则的球面或者平面波，甚至补偿修正像差。

为了降低色差，从光掩模出来的光，还会经过数个反射镜才会到达晶圆片上。

光掩模既雕刻芯片的模板，位于光刻机的顶部

光刻原理

为了在不停修正成像，完成高精度光刻，极紫外光刻机使用的反射镜数目可多达十几个以硅与钼制成的特殊镀膜。

由于每一次反射，误差就会放大，所以镜面的平整度需要比光刻尺度还要低上1000倍。

不过EUV光刻机的镜头，并不是ASML自家的技术，而是蔡司帮忙量身打造的。

200年的光学沉淀，在全球光学技术上，蔡司如果称第二，就没有敢称第一了。

硅原子的直径都有0.25nm，蔡司的这个精度可谓是已经接近物理极限。

扫描隧道显微镜下的硅原子

这也是为什么EUV光刻机需要在真空中工作，而且连病毒细菌都不能污染。

毕竟一个病毒的大小往往都能达到20-250nm。

中国无法制造出EUV光刻机，最重要的一个原因就是光学技术的差距。

中科院目前能够达到的精度是0.1nm，而且这个还是实验室精度，是EUV光刻机镜片表面粗糙度的5倍。

虽然，国产EUV光刻机迟早会实现，但可能会是一条漫长的技术沉淀之路。

很多人可能不能理解，为什么EUV光刻机的精度（粗糙度）会比硅原子还小？

我这里再补充一下：

表面粗糙度是通过RMS(均方根)计算：

要做到精度小于硅原子，其实并不是需要所有的表面凹凸都比硅原子更小，相反最大的凹凸实际上相当于5个硅原子（0.12nm），但只要做到大部分的表面整齐。

那么均方根不仅可以小于一个硅原子，甚至可以远远小很多。

那么蔡司是通过什么技术做到的呢？

其实很容易查证，蔡司所用的是离子束抛光技术[3]。

可以看出，离子束抛光技术的基本精度，本身就是原子级别的

超光滑表面加工工艺有好几种：

离子束抛光、磁流变抛光、抛光盘抛光、柔性介质抛光、浴法抛光、浮法抛光，等离子体辅助抛光……

其中，多种抛光方法的精度都可以优于1个硅原子级别。

蔡司在2015年提出了离子束抛光抛光装置，后又于2017年申请了两项专利，进一步在晶体上设置非晶体材料，然后用电子束照射消除基底表面缺陷，使基底更加的平滑。

我们知道晶体材料的原子是一个个排列在晶格中的，即便是解理面这样的高度平整的表面，相对比离子束抛光技术，都有着更高的表面粗糙度。

这种抛光技术，其实相当于在物体表面原子层面进行雕刻修饰[4]。

从5nm抛光到0.3nm：

通过离子轰击，反冲效应会移除表面低谷中结合能最低的粒子。

通过建立多层膜，可以降低晶粒扩散时的反射率，从而可以打造更小的粗糙度。

离子束抛光中的离子束溅射法能够沉积致密的薄膜，从而可以一层层地给EUV光刻机镜片镀上多层膜。

目前先进的超光滑表面粗糙度为0.1nm左右，蔡司能做到0.02nm真的不服不行。

最后，希望中国光学技术的发展，能尽快达到生产EUV光刻机的标准。只要光学技术达到了，其它问题很快也就会迎刃而解了。

当然，虽然我希望尽快，但目前来说，应该还是一个需要足够时间来攻坚的。

你怎么看待呢？

《参考文献》

[1]http://euvlsymposium.lbl.gov/pdf/2015/Oral_Wednesday/Session9_EUV%20Lithography%20Extendibility/S9.1_Kaiser.pdf

[2] 中国电子报：一家“磨玻璃的”，为何如此任性?

[3] 张凯华. 光刻机曝光系统中物镜抛光专利分析[J]. 电子元器件与信息技术, 2020.

[4] https://rdreview.jaea.g

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来源：瞻云

编辑：TT

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