风云变幻：光刻技术早期的几个关键
传承辟新的约 13 分钟导读：
邵屹峰 | 撰文
光刻技术早期的关键挑战
尽管与卡尔蔡司建立了新的合作关系，飞利浦依然坚持其关键元件必须有第二供应商的原则。基于这个原因，飞利浦让ASML的前总裁兼CTO Martin van den Brink和我作为光学专家在欧洲寻找第二供应商。我们选择了在瑞士海尔布鲁克的Wild公司（现在已并入徕卡公司）。我们的目标是光刻镜头，但我们被分派到了该公司的航空照相部门，这个部门的主要业务是航空测绘系统。
最终我们寻找第二供应商的尝试失败了，因为过于严格的公差要求，Wild公司无法制造满足衍射极限要求的镜头。现在回顾这段经历，我们意识到我们当初被分派到了错误的部门。当时的航拍镜头允许像差大于衍射极限1/3，而光刻镜头要求设计和制造像差必须同时远小于λ/4的衍射极限。此外，航拍镜头还有比光刻镜头更广的视场。这些系统要求的差异导致了设计师和工程师不同的思维方式。也许我们能够在这家公司的显微部门得到更好的结果，但是那儿的人可能会抱怨光刻镜头中元件的巨大尺寸。因此，我的结论是，对于光刻镜头这样极高质量要求的光学系统，寻找第二供应商是不现实的。相反，生产商和客户之间密切专业的合作是高科技产品更好的解决方案。最终，全世界极高质量光刻镜头的生产商仅限于三家公司：蔡司，尼康和佳能。如今，只有蔡司可以“批量生产”用于生产极紫外（EUV）光刻的反射系统。
我刚才提到了光刻成像中“零”畸变的重要性。然而，在相当长的一段时间内，蔡司用自己的光学方法测量出的残余畸变和ASML（镜头从德国运输到荷兰后）在曝光晶圆上通过光机测量的残余畸变存在显著的差异。我仔细研究比较了两种测量方法，包括照明方和探测器方的孔径大小对测量畸变的影响。通过理论建模计算孔径值变化对测量畸变的微小影响，我证明了正确地设置这两个孔径可以更好地减小残余畸变。
光刻技术的进一步发展包括使用更短的波长（193nm）和更高的数值孔径。在这方面，使用水作为浸没液体能够使数值孔径超过1.0的极限，通常可以达到1.25。进一步提高分辨率则需要改变照明的波长。所以光刻技术的研究方向逐渐转向极紫外（EUV）波段。
1986年，日本NTT公司的Hiroo Kinoshita得到了第一张光刻胶中的EUV曝光图像。同时，在荷兰的我与Fred Bijkerk的团队也开始了EUV光源和光刻工艺的合作研究。我还与ASML的Steef Wittekoek研究员一起研究设计了多层膜结构（与Mandeep Singh合作）和反射式成像系统（我最初的反射式成像系统有5-6面镜子），我们还发明了一种用于修复反射镜表面微小缺陷的办法，用以补偿光学像差。我参与了基于改进的Ronchi测试用原波长测量EUV镜面的研究（发表于1991）。
那是一个非常有趣的时期，我们向成熟的极紫外光刻迈出了最初的几步。直至近日，这些极其复杂的光刻机已经成功地由ASML制造并销售，实现了EUV光刻机的产业化。
人们曾多次预言极紫外光刻技术将被其他技术所替代。在以下的年份，甚至认为继任者已经准备就绪：（1）1972年Spears和Smith提出的X射线光刻技术（XRL）；（2）1980年飞利浦公司开发的电子束图案生成器（EBPG）；（3）1995年Chou提出的纳米压印光刻技术（NIL）；（4）2000年Kruit等人在Mapper公司开发的电子束并行写入技术；（5）2010年提出的X射线干涉光刻技术（XIL）。
但仔细研究光刻的竞争对手，我们发现，这些技术要么使用了1:1的放大倍率（X射线与NIL），要么无需掩膜（电子束）。在第一种情况下，制造满足大视场的掩膜及其昂贵，也容易受到灰尘的污染。在第二种情况下，数据传输的速度（这里指每小时能够生产的晶元数量）成为了主要的制约因素。因此，由于各种原因，使用没有质量也无互相作用的光子和相应的光学系统依然是可靠和快速传输数据（图案从掩膜转移到晶元）的最佳选择。目前来看，未来的其它选项仍然不明显。尽管长期以来，非接触式光刻成像系统一直通过降低波长来提高分辨率，但是现在已不再是一个短期可行的选项。
通过定义一个共同的经济目标并互相团结会产生长期积极的成果，这与通过宣扬民族主义挑起冲突形成鲜明对比。因此，我志愿参与欧洲光学领域的合作就不足为奇。在20世纪80年代，欧洲首先成立了从事光学和成像技术领域的咨询服务公司EUroptica，随后，在1991年，一些国家的光学学会融合组成了欧洲光学学会（EOS）。其中法国最为活跃，而德国则略显犹豫。这主要因为光学一直是德国的重要产业，而且德国自身具有完善的光学学会（德国应用光学学会DGaO）。但是在最初的犹豫之后，德国也成为了EOS的活跃会员，并在汉诺威设立了十多年的办公室。
欧洲光学学会在20世纪90年代起步，在本世纪的第一个十年中稳步增长，推出了新期刊（JEOS-RP）并获得了一定的声誉（我在2010年至2014年担任其主编）。虽然有一些财务问题需要行政调整，但EOS在欧洲将继续蓬勃发展。
图 EOS主页
光学在科学和技术中的角色无处不在，并且具有重大的社会相关性。在科学层面，例如在天文学中，尽管存在射电天文学、X射线天文学和最近的引力波天文学等不同的细分学科，但光学元件在其中均发挥着不可或缺的重要作用。在光学的帮助下，我们希望天文学和天体物理学能够揭开关于暗物质、暗能量、黑洞和大爆炸等未解之谜。在应用层面，光学在通信、集成电路制造以及信号调制与加密中起着关键作用。因此，光学的未来是非常光明的！
邵：回顾您辉煌的职业生涯，您取得最重要的成就是什么？
Joseph：我认为我的优势在于应用物理，比如使用我广泛的光学知识设计和改良高科技产品。飞利浦和ASML作为公司，迫切地需要对发明进行专利保护，并且通常可以高效和快速地完成专利的申请。所以在这期间，专利问题从未妨碍我发表我的工作。我一共发明了超过60项美国专利，这些专利涉及光数据存储和光刻，并被飞利浦或者ASML公司拥有。同时我在飞利浦期间，也发表了相当数量的论文，通常与我的专利一一对应。后来当我在学术界时，我更侧重在学术期刊发表论文。在大学中申请专利通常比在公司中更复杂，主要原因是缺乏有多学科教育背景的专利代理人。原因很简单：他们非常昂贵！
在光数据存储和光刻领域，我对相同的基础理论（衍射极限成像）在截然不同的环境中的应用很有兴趣。在消费产品中，亚波长水平（通常为100nm）的光学质量必须在大规模生产中以极低的成本实现，因此，通常需要特殊的创造力才能够在非常有限的空间中实现便宜、紧凑和稳定的系统。相反，在光刻环境中，更小的波长为材料和测量带来了挑战，这些挑战遍布整个成像系统以及掩模和晶圆的定位和对准。光刻系统则较少受到资金的限制。在机器的整个寿命期间，都可以对其进行先进的纳米级别测量和控制。此外，我还对光学天文学很感兴趣。一般的光学制造集中在单一的新颖元件或者原型系统上，而在先进望远镜中，所需的亚波长精度需扩展到通常超过几十米的大体积上，这需要自适应光学系统保证观测仪器的稳定。
我在这三个领域都发表了论文并获得了专利。如果我必须在我的研究领域中有所取舍，我认为最有趣的是光学存储。尽管光盘系统现在完全被淘汰了，但在2000年左右的最后一个大型欧洲研究项目中，我们在光学成像和数据扫描技术上发明了被更广泛应用的解决方案，并达到了技术可能的极限。
一部非常有用的光学导论教材
这是一次非常令人满意的经历，我在整个职业生涯几乎都专注于科学研究，这些科研经历强化了我早先的一个想法：为光学领域的入门或成熟研究人员写一本关于光学成像的书。以前我就与伦敦帝国理工学院的同事Peter Török一起，列出了一本这样的书所应该包含的内容：从基础电磁学到几何光学和光学设计，再到衍射光学，再到各种光学成像主题。我们更新了这个列表，并开始写作，这恰逢我从大学退休。幸运的是，我可以继续以访问学者的身份安静地在我的办公室里写作，同时与以前的同事保持密切联系。
我很快发现写作是一项旷日持久的工作。我每年通常只能够写一百页的内容（作者按：Joseph强调即使退休后专注写作每年也确实只能够完成一百页的内容）。我们两个作者的进展也不完全相同。因为Peter仍然有一份全职工作和一个研究小组，而我有幸没有任何管理义务，因此我们无法按照原本商定的“一人一半”来分配工作。这意味着写作花费了我比最初预期的四到五年更长的时间。
最终，这本近1000页的书——《成像光学》，于2019年5月由剑桥大学出版社出版，并获得了良好的反响。现在它已经成为了光学专业人员、工程师和科学家希望随身携带的参考书之一。而在年轻一代的培训期中，这本书也被证明是非常有用的光学导论教材。
邵屹峰，分别于中山大学与荷兰的代尔夫特理工大学获得本科与博士学位，现任代尔夫特理工大学博士后研究员。博士后期间致力于光学在半导体领域的应用研究，包括特征尺寸扫描电子显微镜（CD-SEM）的像差测量与图像恢复，用于晶元与掩膜板检测的EUV衍射层叠成像。研究期间与ASML共同获得5项发明专利，并在Advanced Photonics、Light Science & Applications等期刊发表多篇学术论文。
本文首发于微信公众号“中国激光杂志社”，赛先生获授权转载。
星标《赛先生》公众号，
不要错过我们每日为您精心准备的高质量文章！
欢迎关注我们，投稿、授权等请联系
合作请添加微信SxsLive2022