EUV: gương, chân không và nguồn thiếc

Ánh sáng 13,5 nm bị mọi vật liệu và không khí hấp thụ

Ánh sáng 193 nm xuyên qua không khí và thủy tinh; ánh sáng 13,5 nm tắt dần ngay trong không khí.

Bước sóng 13,5 nm ngắn hơn nhiều so với 193 nm của DUV nên cho nét in nhỏ hơn.

Nhưng mọi vật liệu, kể cả không khí và thủy tinh, đều hấp thụ ánh sáng này, nghĩa là giữ lại năng lượng của nó.

Xem lời đọc

Bước sóng ngắn cho nét in nhỏ, nên máy EUV dùng mười ba phẩy năm nanô mét. Nhưng ánh sáng này bị hấp thụ gần như bởi mọi vật liệu. Ánh sáng một trăm chín mươi ba nanô mét xuyên qua không khí và thủy tinh. Còn ánh sáng mười ba phẩy năm nanô mét tắt dần ngay trong không khí. Nó chưa kịp tới thủy tinh đã bị hấp thụ hết. Vậy máy EUV không thể dùng không khí hay thấu kính thủy tinh.

Tỉ số 193 nm chia 13,5 nm khoảng 14 lần. Hình đơn giản hóa: ánh sáng 193 nm vẫn bị oxy trong không khí hấp thụ chút ít nên máy DUV dùng khí sạch trong đường sáng.

Thủy tinh hấp thụ ánh sáng 13,5 nm mạnh hơn cả không khí; hình dừng tia sớm trong không khí để thấy ý chính. Cường độ mờ dần của mũi tên chỉ minh họa, không tính từ phương trình. Chiều dài hộp không theo tỉ lệ thật.

Máy EUV đặt trong chân không và dùng gương thay thấu kính

Vì không khí và thủy tinh hấp thụ ánh sáng 13,5 nm, đường sáng nằm trong chân không và chỉ gồm gương phản xạ.

Máy EUV hút hết không khí thành vacuum (chân không) để ánh sáng 13,5 nm đi được.

Thủy tinh cũng hấp thụ nên không có thấu kính; ánh sáng phản xạ qua một chuỗi gương.

Xem lời đọc

Vì không khí hấp thụ ánh sáng này, cả đường đi phải nằm trong chân không. Máy hút hết không khí ra khỏi buồng, chỉ còn áp suất rất thấp. Thủy tinh cũng hấp thụ, nên không còn thấu kính nào cho ánh sáng đi qua. Thay vào đó, ánh sáng đi từ nguồn qua một chuỗi gương. Mỗi gương phản xạ ánh sáng sang gương kế tiếp. Cuối cùng chùm sáng đến tấm silicon. Vậy máy EUV là một hệ gương đặt trong buồng chân không.

Chân không ở đây là áp suất rất thấp, không phải chân không tuyệt đối. Hình vẽ hai gương thay cho cả hệ gương nhiều chiếc (hệ chiếu thật có sáu gương); không vẽ các gương khác và mặt nạ phản xạ.

Vị trí và góc gương không theo tỉ lệ thật. Thấu kính vẽ mờ có dấu gạch chéo chỉ để nói máy không có thấu kính cho ánh sáng đi qua.

Gương nhiều lớp Mo và Si phản xạ ánh sáng 13,5 nm

Mỗi mặt phân cách giữa lớp Mo và lớp Si phản xạ một phần ánh sáng; các phần cộng lại thành chùm phản xạ.

Gương EUV là multilayer mirror (gương nhiều lớp): chồng nhiều cặp lớp molybdenum (molypden, Mo) và silicon (Si) xếp xen kẽ, chỗ hai lớp tiếp nhau là mặt phân cách.

Mỗi cặp dày cỡ nửa bước sóng nên các phần ánh sáng phản xạ ở từng mặt phân cách chồng khít và cộng lại.

Xem lời đọc

Gương cho ánh sáng này là một chồng nhiều lớp mỏng. Hai lớp molypden và silicon xếp xen kẽ, thành từng cặp. Ánh sáng tới phản xạ một phần ở mỗi mặt phân cách giữa hai lớp. Bề dày mỗi cặp cỡ nửa bước sóng. Nhờ vậy các phần phản xạ chồng khít nhau và cộng lại thành chùm sáng phản xạ. Gương thật có hàng chục cặp lớp như vậy. Vậy gương nhiều lớp phản xạ được ánh sáng EUV.

Gương thật có hàng chục cặp lớp; hình vẽ bốn cặp. Mỗi cặp dày cỡ vài nanô mét, không theo tỉ lệ thật. Hình vẽ tia nghiêng nhiều để thấy tia tới và tia phản xạ.

Với ánh sáng tới gần vuông góc mặt gương, chu kì của cặp Mo/Si bằng nửa bước sóng thì các phần phản xạ cộng lại; đó là lý do chọn cặp lớp này cho 13,5 nm. Một gương Mo/Si phản xạ được cỡ 70 % ánh sáng tới.

Mặt nạ EUV cũng là gương, hình mạch nằm ở lớp hấp thụ

Ánh sáng phản xạ ở chỗ trống giữa các đường và gần như tắt ở chỗ có lớp hấp thụ, nên chùm phản xạ mang hình mạch.

Mặt nạ EUV là gương Mo/Si phủ thêm absorber (lớp hấp thụ) được khắc thành hình các đường của mạch.

Chỗ có lớp hấp thụ gần như không phản xạ, chỗ trống thì phản xạ.

Xem lời đọc

Mặt nạ của máy EUV phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng đi qua. Nó là một gương nhiều lớp, giống các gương trong máy. Trên mặt gương có phủ một lớp hấp thụ ánh sáng. Lớp này được khắc thành hình các đường của mạch. Ánh sáng tới chỗ có lớp hấp thụ thì gần như tắt hẳn. Chỗ trống giữa các đường thì phản xạ ánh sáng đi tiếp. Vậy chùm phản xạ mang theo hình của mạch.

Khác với mặt nạ của máy DUV (ánh sáng đi qua chỗ để hở), mặt nạ EUV phản xạ. Hình vẽ ba cặp lớp, hai đường hấp thụ và chỉ hai tia; tia tới và tia phản xạ cắt nhau là bình thường.

Hình phóng lớn góc nghiêng để thấy tia tới và tia phản xạ tách nhau; ánh sáng thật tới mặt nạ gần vuông góc (nghiêng cỡ vài độ). Lớp hấp thụ thật vẫn phản xạ một phần rất nhỏ.

Mỗi gương EUV mất khoảng 30 % ánh sáng, chuỗi gương chỉ còn một phần nhỏ

Mỗi gương phản xạ cỡ 70 % nên sau sáu gương chỉ còn khoảng 12 %.

Reflectance (độ phản xạ) của một gương Mo/Si cỡ 70 %; phần còn lại thành nhiệt.

Qua n gương ánh sáng còn 0,7ⁿ, nên nguồn phải phát rất nhiều ánh sáng.

Xem lời đọc

Một gương EUV chỉ phản xạ phần lớn ánh sáng tới. Phần còn lại bị gương hấp thụ và biến thành nhiệt. Sau gương thứ nhất, chùm sáng còn bảy mươi phần trăm. Sau gương thứ hai, chỉ còn khoảng bốn mươi chín phần trăm. Sau bốn gương, còn chưa tới một phần tư. Sau sáu gương, còn khoảng mười hai phần trăm. Mà trong máy thật, ánh sáng còn phản xạ thêm nhiều lần nữa. Vì vậy nguồn sáng phải phát rất nhiều ánh sáng.

Số 70 % lấy từ gương Mo/Si ở góc tới gần vuông góc; 100 → 70 → 49 → 24 → 12 % là 0,7 mũ 0, 1, 2, 4, 6.

Sáu gương là số gương của hệ chiếu EUV NA 0,33; đường sáng thật còn nhiều gương khác và mặt nạ phản xạ nên phần tới tấm silicon nhỏ hơn nữa. Thanh vẽ theo thang tuyến tính, 2,9 px mỗi 1 %.

Hai xung laser CO₂ biến giọt thiếc thành plasma phát ánh sáng 13,5 nm

Xung tiền làm giọt thiếc dẹt ra, xung chính biến nó thành plasma phát ánh sáng 13,5 nm.

Một giọt tin (thiếc, Sn) nóng chảy rơi qua buồng; laser CO₂ bắn vào nó hai xung.

Pre-pulse (xung tiền) làm giọt dẹt ra, main pulse (xung chính) biến nó thành plasma (khí bị ion hóa, rất nóng) phát ánh sáng 13,5 nm, lặp lại khoảng 50 nghìn lần mỗi giây.

Xem lời đọc

Không có đèn nào phát ra ánh sáng mười ba phẩy năm nanô mét đủ sáng. Nên người ta tạo nguồn sáng từ những giọt thiếc nóng chảy rất nhỏ. Mỗi giọt rơi qua buồng, và laser CO₂ bắn vào nó hai xung. Xung đầu, gọi là xung tiền, làm giọt thiếc dẹt ra. Xung thứ hai là xung chính, bắn vào giọt đã dẹt. Giọt thiếc nóng lên hàng trăm nghìn độ và thành plasma. Plasma phát ra ánh sáng mười ba phẩy năm nanô mét. Quá trình này lặp lại khoảng năm mươi nghìn lần mỗi giây.

Plasma cỡ 200 nghìn đến 220 nghìn °C tùy số liệu. Giọt thiếc cỡ vài chục µm; giọt dẹt thật là một đĩa rất mỏng. Hình không theo tỉ lệ thật.

Xung tiền làm giọt phồng và dẹt để hấp thụ nhiều ánh sáng laser hơn. Laser CO₂ là laser hồng ngoại công suất lớn, không phải EUV; chỉ plasma thiếc mới phát 13,5 nm. Chỉ một phần nhỏ năng lượng laser thành EUV (hiệu suất chuyển đổi vài phần trăm).

Hydro loãng mang phần lớn hạt thiếc đi khỏi gương gom

Plasma bắn ra hạt thiếc về phía gương gom; dòng H₂ loãng chảy dọc mặt gương mang phần lớn hạt thiếc đi chỗ khác.

Collector (gương gom) là gương đầu tiên hứng ánh sáng từ plasma, nhưng plasma cũng bắn ra hạt thiếc (Sn).

Hydrogen (hydro, H₂) loãng chảy dọc mặt gương mang phần lớn hạt thiếc đi, giữ gương sạch hơn.

Xem lời đọc

Plasma không chỉ phát sáng mà còn bắn ra các hạt thiếc nhỏ. Gần plasma có gương gom, gương đầu tiên hứng ánh sáng. Nó phản xạ ánh sáng thành một chùm đi vào máy. Nếu thiếc bám lên mặt gương, gương mất khả năng phản xạ. Vì thế người ta cho hydro loãng chảy dọc mặt gương. Dòng hydro mang phần lớn hạt thiếc đi chỗ khác. Nhờ vậy mặt gương gom sạch hơn, ánh sáng vẫn phản xạ được.

Hydro ở đây có áp suất rất thấp. Chỉ vài nanô mét bẩn trên gương gom cũng làm hỏng gương. Hydro còn làm chậm các mảnh thiếc và làm sạch thiếc đã bám (thiếc tạo khí SnH₄ rồi bị bơm đi); đây là một phần lý do.

Hình vẽ hạt thiếc và dòng H₂ minh họa hướng đi, không theo tỉ lệ thật; vị trí gương gom, độ cong và góc tia không tính từ thiết kế thật. Đường hạt chấm nhạt đi thẳng tới gương là hạt khi không có H₂.

High-NA: NA 0,55 cho nét cỡ 8 nm

Bước sóng giữ nguyên, NA tăng từ 0,33 lên 0,55 nên nửa bước lưới nhỏ nhất giảm từ cỡ 13 nm xuống cỡ 8 nm.

High-NA (khẩu độ số lớn) là máy EUV có NA 0,55, so với 0,33 của EUV thường.

Bước sóng vẫn 13,5 nm nên nửa bước lưới nhỏ nhất giảm từ cỡ 13 nm xuống cỡ 8 nm.

Xem lời đọc

Máy EUV mới tăng khẩu độ số lên không phẩy năm mươi lăm. Loại này gọi là High-NA, còn máy thường là không phẩy ba mươi ba. Nửa bước lưới nhỏ nhất bằng k₁ nhân bước sóng chia khẩu độ số. Bước sóng giữ nguyên, khẩu độ số lớn hơn thì nét nhỏ hơn. Vì thế nửa bước lưới nhỏ nhất xuống cỡ tám nanô mét, thay cho cỡ mười ba.

Nửa bước lưới nhỏ nhất bằng k₁ × λ ÷ NA ≈ 0,32 × 13,5 ÷ 0,55 ≈ 7,9 nm; với NA 0,33 cho cỡ 13 nm. Con số là độ phân giải cho một lần chiếu.

Thang thanh ở cảnh này là 10 px mỗi 1 nm để thấy hiệu số; nó khác thang các cảnh khác.

Hệ gương anamorphic làm trường chiếu còn một nửa

Hệ gương thu nhỏ 4 lần theo một chiều, 8 lần theo chiều kia nên trường chiếu trên tấm silicon giảm còn một nửa.

Hệ gương anamorphic (thu nhỏ khác nhau theo hai chiều) thu nhỏ hình mặt nạ 4 lần theo chiều ngang và 8 lần theo chiều dọc.

Vì vậy field (trường chiếu, vùng in được mỗi lần chiếu) chỉ còn một nửa so với máy thường.

Xem lời đọc

Máy High-NA thu nhỏ hình mặt nạ bằng hệ gương. Nhưng hệ gương này không thu nhỏ đều theo hai chiều. Theo một chiều hình thu nhỏ bốn lần, theo chiều kia tám lần. Cách thu nhỏ khác nhau theo hai chiều này gọi là anamorphic. Vì thu nhỏ tám lần theo một chiều, trường chiếu giảm còn một nửa so với máy thường. Vậy nét in nhỏ hơn nhưng mỗi lần chiếu phủ ít diện tích hơn.

Hình tròn thành ellipse không phải mạch bị méo: mẫu trên mặt nạ được vẽ kéo giãn trước nên mạch trên tấm silicon không méo. Một phần lý do: NA lớn làm góc chùm sáng tới mặt nạ lớn hơn nên cần tăng hệ số thu nhỏ; chỉ tăng theo một chiều để trường chiếu không mất tới ba phần tư.

Trường chiếu thường cỡ 26 × 33 mm trên tấm silicon; ở máy này cỡ 26 × 16,5 mm. Hình vẽ tấm silicon phóng lớn gấp hai so với mặt nạ để thấy dạng, không theo tỉ lệ thật. Hình vẽ trường chiếu thường là hình vuông cho gọn.
Số liệu