To flade optiske elementer deler arbejdet med at fokusere EUV-lys

To flade optiske elementer kan dele en opgave, der er vanskelig at løse med ét alene. Det viser forskere fra Shanghai Jiao Tong University og Zhangjiang Laboratory i et nyt studie offentliggjort 23. oktober i Nature Communications. Holdet har afprøvet princippet med både grønt lys og ekstremt ultraviolet lys, EUV.

I EUV-forsøget kombinerede forskerne to såkaldte Fresnel-zoneplader, som hver havde en numerisk apertur på omkring 0,33. Sammen opnåede de en effektiv apertur på cirka 0,53. Resultatet peger mod mere kompakte laboratorieredskaber til optiske eksponeringer, men kommer med et betydeligt tab af lys.

To trin i stedet for ét stort spring

Numerisk apertur beskriver, hvor stor en vinkel af lyset et optisk system kan arbejde med. Ved en given bølgelængde er den vigtig for muligheden for at gengive fine detaljer. En høj værdi stiller imidlertid store krav til de mønstre, som skal styre lyset på en flad overflade.

Problemet bliver især tydeligt ved elementets kant. Her skal lysets retning ændres kraftigt over meget korte afstande. Hvis de fysiske strukturer ikke er fine nok til at gengive den ønskede ændring, bliver styringen mindre præcis, og mere lys havner i uønskede retninger.

Forskerne deler derfor ændringen mellem to overflader efter hinanden. Den første foretager en del af arbejdet, og den anden fortsætter. De kalder løsningen en momentum-relæarkitektur. Det afgørende er arbejdsdelingen: Begge elementer bidrager væsentligt, frem for at det ene blot retter små fejl, mens det andet står for næsten hele afbøjningen.

Først viste holdet princippet med grønt lys

Ved en bølgelængde på 532 nanometer byggede forskerne en opstilling med to metalinser. Disse flade linser bruger mikroskopiske strukturer til at forme lyset. I forsøget var strukturerne søjler af siliciumnitrid på et underlag af silica.

Systemet formindskede et testmønster fire gange og havde en effektiv numerisk apertur på 0,80. Forskerne kunne skelne detaljer på omkring 555 nanometer i billedplanet over et synsfelt med en diameter på 100 mikrometer.

En separat måling af systemets punktrespons gav en radius til den første mørke ring på 413,2 nanometer. Det tal beskriver lysfordelingen omkring et afbildet punkt. Det er altså en anden måling end testmønstrets detaljestørrelse, selv om begge bruges til at vurdere optikken.

EUV krævede en anden konstruktion

Forskerne gik derefter til lys med en bølgelængde på 13,24 nanometer fra en kompakt kilde baseret på laserproduceret xenonplasma. Her brugte de zoneplader frem for de søjlebaserede metalinser fra forsøget med synligt lys.

Zonepladerne styrer lyset gennem koncentriske mønstre. De to elementer havde hver en apertur omkring 0,33 og arbejdede sammen om den effektive værdi på cirka 0,53. Holdet vurderede denne ud fra udviklingen af det fokuserende lysfelt, understøttet af optiske beregninger og eksponeringer i lysfølsomt materiale.

Forskerne understreger, at størrelsen på de fremkaldte mærker ikke i sig selv er et direkte mål for optikkens opløsning. Mærkerne påvirkes blandt andet af lyskildens udstrækning, baggrundslys og materialets eksponeringstærskel. Studiet dokumenterer derfor ikke, at opstillingen har fremstillet færdige chipmønstre med en bestemt nanometeropløsning.

Lystabet er stadig en stor udfordring

Den skarpeste begrænsning ligger i effektiviteten. I holdets materialebaserede beregning ved vinkelret belysning var den absolutte fokuseringseffektivitet cirka 0,025 procent for EUV-systemet med to zoneplader. En enkelt sammenlignelig zoneplade med apertur 0,53 lå på omkring 7,86 procent i samme model.

De to elementer giver dermed ikke en fordel i den samlede mængde lys, der når fokus. Til gengæld bevarede systemet en større andel af sin egen effektivitet, når belysningen kom skråt ind. Det er en fordel i vinkelfølsomhed, ikke højere absolut lysudnyttelse.

Forskerne placerer selv anvendelsen i kompakte laboratorieværktøjer og karakterisering af eksponeringsmaterialer, som supplement til store industrielle systemer. Fremskridtet er at fordele en vanskelig optisk opgave på to fremstillingsmæssigt mere håndterbare elementer. Før løsningen kan blive praktisk udbredt, skal fordelene kunne opveje tabene gennem begge trin.