极紫外光超透镜，有望开启新一代光刻技术

极紫外（EUV）光是指波长位于10 ~ 121 nm之间的电磁波，它拥有超短的波长和大量元素的吸收边，是研究目前半导体芯片背后的纳米级光刻技术必不可少的工具，同时也是超快光谱学和阿秒科学的基础。但是，由于EUV辐射的波长特别短，这种高能光几乎能被所有材料吸收，很难实际应用。因此，像EUV透镜这样的透射和折射光学器件已被排除在外；取而代之的是，通过在真空中特殊的聚焦镜反射来控制和集中EUV辐射。

近期，美国哈佛大学和奥地利格拉茨理工大学（TU Graz）的研究人员制造出了一种新的平板透镜（超透镜）（如图1所示），可以将EUV光束聚焦到接近衍射极限（Science，doi：10.1126/science.adg6881）。该团队表示，这种通过将传统超透镜制造技术颠倒过来而创建的新型光学元件、为EUV辐射的通用透射光学技术奠定了基础。

图1 可聚焦极紫外光的超透镜

科学家们认为，这种技术可以制造出超高分辨率的EUV显微镜，以在阿秒的时间尺度上跟踪半导体和太阳能电池中的电荷载流子，甚至可以实现新一代EUV光刻元光学。

元器件和光学元件的结合是一种新的技术，称为元光学技术。这种技术使用高度工程化的表面，如超透镜和超表面，这些表面上装饰有亚波长间距的“纳米森林”结构，其形状、大小和间距被调整以特定方式衍射和引导光。超表面可以用高度紧凑、平坦的表面取代厚而笨重的光学器件，因此在过去十年中，关于控制从红外到可见光波长范围内的光的超表面的研究已呈爆炸式增长。元光学技术甚至已经开始进入商业领域。

然而对于EUV波长来说，情况大不相同。在表面上点缀介电材料的纳米柱阵列制造超透镜或超表面的常用方法不适用于EUV光，因为这些结构会吸收光，不能折射和控制光。

哈佛大学Federico Capasso教授实验室的博士后助理Marcus Ossiander发现，可以用折射率材料中的纳米孔阵列替换纳米柱等正特征阵列构建超表面，从而完美解决这一难题。

在这种结构中，高折射率的空隙区域将充当EUV光的波导，而低折射率的周围区域就像光纤上的包层。选择具有特定低折射率的超表面材料将能够处理相应特定的EUV波段。超表面的传输相位和聚焦特性可以通过改变纳米孔本身的尺寸来调节。

为了验证这一想法，哈佛大学的研究小组首先选择晶体硅作为EUV超镜头原型的主材料；然后，研究人员编制了一个“孔库”作为设计资源，将孔直径映射到相应的传输相位以预测变化。利用该库，他们向前设计了一种焦距为10 mm的多孔硅超透镜，原则上可以将50 nm EUV光束聚焦到一个小点上。

接下来，在纳米制造之旅中，该团队使用化学气相沉积、反应离子蚀刻、电子束光刻和其他技术，按照设计要求，创建了直径20~80 nm不等的孔阵列。最终生成了一个直径1 mm、厚度200 nm、包含数亿个孔的薄膜。Federico Capasso在一则新闻中表示：“这样工作推动了当今纳米技术的极限，是一个非常大的飞跃。”

如图2所示，该团队通过多孔的超镜头发送了由高谐波产生的阿秒EUV光脉冲，改变了光的传输相位特性，将光束聚焦到10 mm焦距上的一个小点。

在概念验证完成后，构思这项工作的哈佛博士后Marcus Ossiander现在已经转到格拉茨理工大学从事欧洲研究理事会（ERC）起始资助和其他资金的应用研究。Marcus Ossiander特别关注基于超透镜的EUV显微镜，该显微镜可用于跟踪光伏电池和半导体等系统中的阿秒级电子过程。

除了阿秒物理外，报道这项工作的论文还暗示了EUV光刻的潜在应用。论文作者设想了一种良性循环， EUV光刻本身能够创造出更细粒度、更复杂的超表面，而超表面可以控制EUV光，进而实现“新一代光刻光学”。

该团队强调，他们开发的技术和模型原则上应该可以直接转移到比概念验证镜头聚焦的50 nm EUV光更短的波长上。然而，将系统扩展到能聚焦EUV光刻中重要的13.5 nm波长的超透镜将是一个挑战。

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科学编辑 | 佚名

编辑 | 徐睿