文献解读 | High-NA EUV 光刻的同轴四镜投影器：一种消除掩模 3D 效应的方案（arXiv 2025）

论文简介

本文解读的是 2025 年 8 月提交到 arXiv 的论文 High-NA In-Line Projector for EUV Lithography（arXiv 页面，编号 2508.00433，physics.optics，计划投稿《Journal of Micro/Nanopatterning, Materials, and Metrology》），作者是冲绳科学技术大学院大学（OIST）的 Tsumoru Shintake。

一句话贡献：论文提出一种同轴四镜投影器——把照明拉回掩模法线方向，用两级凹-凸镜对把数值孔径（NA）推到 0.5 甚至 0.7，并让掩模与晶圆在曝光时都保持静止，从光学根因上绕开 EUV 光刻最麻烦的掩模 3D 效应（mask 3D effect）。

背景：EUV 光刻的投影光学为什么这么难

先回顾产业现状。EUV 光刻使用 13.5 nm 波长的极紫外光，这个波段没有任何材料能做成透射透镜，所以整套投影光学只能用反射镜：钼/硅（Mo/Si）多层膜反射镜，约 50 个双层，13.5 nm 处的理论反射率上限约 75%，单面镜子吸收约 40% 的光。ASML 的 NXE 平台（NA 0.33）用这套光学打印 13 nm 特征，2023 年 12 月交付首台的 High-NA EXE 平台把 NA 提到 0.55、分辨率推到 8 nm。

反射式设计带来一个 EUV 特有的约束：照明光必须斜着打到掩模上。现行系统中掩模照明的中心角约为 6° 离轴——只有斜着入射，入射光与反射光才不会互相挡住。但斜入射直接导致掩模 3D 效应：掩模上的吸收图形有厚度，斜照会产生不希望的阴影、图形位置偏移，1D 与 2D 图形的焦点位置明显不同，工艺窗口被压缩。分辨率越往高走（NA 越大、焦深越短），这个问题越难容忍。

此外，把 NA 从 0.33 推到 0.55 还付出了别的东西：0.55 NA 的 High-NA 系统采用各向异性（anamorphic）缩小，掩模侧一个方向的倍率从 4× 提高到 8×，视场从 26 mm×33 mm 收窄到 26 mm×16.5 mm，并且系统中引入了中心遮挡。用分辨率公式看，$CD = k_1 \lambda / NA$，更大的 NA 确实直接换来了更小的可成像特征尺寸，但代价都堆在光学结构上。

于是论文提出的问题是：能不能回到 DUV 时代那样的”垂直照明”（远心照明，telecentric），从根源上消除掩模 3D 效应，同时继续把 NA 往上推？下一节就是它的答案。

核心思路：同轴两级凹-凸镜对

论文从”斜入射”跳到”远心照明”：如果照明光大致沿掩模法线入射，入射与反射光就不再互相阻挡，掩模 3D 效应也就没有存在的土壤。但反射式 EUV 光路里，怎么在垂直照明的条件下让光”绕”得开？答案是同轴反射结构：光从一侧进来，在多个镜面之间往返，最后从另一侧成像，各镜中心开孔让光束通过。

基本单元是等曲率两镜中继（equal radii two-mirror relay）。物体放在次级镜 M2 中心处，光线射向主镜 M1，反射回 M2，最终成像在 M1 上。这样的中继天然满足平场投影的核心条件——Petzval 和为零：

$$\sum_{i=1}^{n}\frac{1}{R_i} = \frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2} = 0$$

其中 $R_i$ 是镜面曲率半径。两镜曲率半径相等（$R_1 = R_2$）时上式成立，再用非球面镜校正其他像差，就能得到宽视场的平场消像散（flat field anastigmat）。按光线在中继内的反射次数，论文记为 2*（两次反射）、4*（四次反射）、6*（六次反射）；反射次数越高，光路在镜间往返越多，设计自由度也越大。

单个中继的放大率有限：OpTaliX 光学设计软件给出的 2*、4*、6* 分别为约 3.8、1.9、1.6。而光刻投影系统需要约 4 倍的总缩小倍率，所以论文用两级级联凑出这个倍率：单级 2*、两级 4*×4*、两级 6*×6* 三种构型，如图 1 所示。

图 1：同轴投影器的三种构型。(a) 单级两次反射系统 2，NA 限制在 0.2、透过率很高，为获得宽视场把总长做长（OID 2000 mm）；(b) 两级 4*×4*，NA 0.5、方形视场 18 mm×18 mm；(c) 两级 6*×6*，NA 0.7、方形视场 18 mm×18 mm，两级间像差校正配合良好，所有光学元件均为轴向对称。*

两级结构的妙处在级间消像差：上游一级残留的像差，在第二级里被反向抵消，原理类似经典的双高斯（double-Gauss）镜头。仿真表明，当两级反射次数相同时，计算机优化收敛得最好。

两个设计实例：4*×4* 与 6*×6*

4×4：NA 0.5，主打可行性与低遮挡。** 该构型入瞳 NA 0.5，经约 2.2 倍放大后第二级光路内的 NA 降到 0.23，光束变窄，因此中间像面附近 M4 镜上的束孔可以开得很小，中心遮挡随之最小化。四片镜子曲率半径全部取 765 mm，晶圆侧远心，总放大率约 5（单级 4* 本身约 1.9，为给中间像面留出镜间空间把级联倍率拉到 2.2×2.2）。设计参数见表 1，光路见图 2。

表 1：两级 4×4* 投影器设计参数（摘自论文 Table-1；M1–M4 曲率半径均为 765 mm，满足 Petzval 条件）。*

参数	数值
NA	0.5
晶圆视场	18 mm×18 mm（方形）
M1 曲率/直径	765 mm / 720 mm
M2 曲率/直径	765 mm / 400 mm
M3 曲率/直径	765 mm / 400 mm
M4 曲率/直径	765 mm / 200 mm
远心	晶圆侧

图 2：两级 4×4* 投影器光路：光线在两级之间的中间像面（靠近 M4）交叉，因此 M4 束孔可以设计得很小、中心遮挡最小化；图中数字 (1)–(8) 表示依次发生的八次反射（仿真中光线从晶圆出发，方便设置远心条件）。*

像差校正结果见图 3：场点 0、5、10、13 mm 处的光程差（OPD）全部低于 ±0.05 波长。这个水平说明两级 4*×4* 在 NA 0.5 下把像差压到了衍射级附近，远好于早期单级 4* 方案（1990 年前后曾出现过单级四反射 EUV 投影器，但要覆盖 25 mm 视场需要约 4 m 长的系统，因而被搁置）。

图 3：场点 0、5、10、13 mm 处的光程差（OPD）曲线，全部低于 ±0.05 波长。

6×6：NA 0.7，指标最好但代价最大。** 两级六反射构型把 NA 推到 0.7，视场仍为 18 mm×18 mm，物像距（OID）1500 mm，放大率 4.1，畸变仅 0.0006%，属于论文里”像差校正到很高精度”的方案，如表 2 所示。

表 2：两级 6×6* 投影器设计参数（摘自论文 Table-3）。*

参数	数值
NA	0.7
晶圆视场	18 mm×18 mm（方形）
M1 曲率/直径	1020 mm / 1260 mm
M2 曲率/直径	1020 mm / 850 mm
M3 曲率/直径	1047 mm / 670 mm
M4 曲率/直径	1047 mm / 440 mm
放大率	4.1
物像距	1500 mm
畸变	0.0006%
远心	晶圆侧

代价同样直观：12 次反射。按当前 Mo/Si 多层膜约 0.7 的单镜反射率估算，总透过效率只有约 0.014（0.7 的 12 次方），意味着光源功率需求巨大；第一级 M1 直径约 1300 mm（参数表列 1260 mm），制造和装调都超出当前能力。论文明确把这套构型的可行性寄托于多层膜反射率的后续研发。

工程取舍：遮挡、照明与步进/扫描

同轴结构绕开了掩模 3D 效应，却引入两类新问题：中心遮挡与照明路径。

中心遮挡来自镜面中央的束孔。照明光和掩模衍射光都要从这些孔里穿过，孔越大丢光越多。论文的处理是让中间像面尽量贴近 M4，使该处衍射锥最小、M4 束孔最小；剩余的遮挡主要来自靠近晶圆的 M2——那里的衍射锥角最大，束孔必须开大。按 NA 0.5 光束边缘留 1 mm 间隙设计后，4*×4* 的中心遮挡可低至 0.36。作者也指出，把 M2 镜面再靠近晶圆一点（镜边缘间隙从 45 mm 减小）还能继续压低遮挡，但要在晶圆安全距离之间取舍。

照明则用一枚扫描镜解决：扫描镜放在掩模前方，以两侧倾斜角把光反射到掩模，形成”双线场”（dual-line field），掩模反射光不会撞上扫描镜而能正常进入投影器。双线场天然适配偶极照明（dipole）：两条线场在焦平面瞳孔两侧各形成一个光斑，对竖直线分辨率最优；把每个线场内的两个分量混合，还能构成四极照明（quadrupole）——四个光斑正好围绕中心孔分布，照明光一点都不会损失在孔里，如图 4 所示。

图 4：(a) 扫描镜以两侧倾斜角把照明反射到掩模上，形成双线场，每个线场内包含两个分量 (a1+a2) 与 (b1+b2)；(b) 四个分量在焦平面形成四极照明光斑，围绕中心孔分布。

最后一个取舍是步进还是扫描。作者最初按扫描机设计 26 mm 圆形视场，但残余径向畸变达数微米，扫描运动会把畸变变成图像模糊，于是改回步进（stepper）设计：视场缩为 18 mm×18 mm 方形，宽度约为扫描场宽的 $1/\sqrt{2}$。这个”退步”换来一个结构性收益——掩模和晶圆在曝光时都保持静止，掩模侧昂贵的扫描机构与驱动电机可以去掉，套刻控制更好、系统更简单、功耗更低。而且当下的芯片设计趋势是 10 mm×10 mm 量级的小芯片（chiplet），18 mm×18 mm 的步进视场完全放得下。

意义与展望

这篇论文的贡献在于把”远心照明 + 同轴反射”从一句口号变成一个可量化的设计空间：两级等曲率中继在满足 Petzval 条件的前提下级间消像差，得到 NA 0.5（4*×4*）与 NA 0.7（6*×6*）、18 mm×18 mm 视场、OPD 优于 ±0.05 波长的仿真结果。它和产业路线形成有趣的对照：ASML 的 High-NA EXE 平台（NA 0.55）用各向异性 4×/8× 光学把掩模 3D 效应和中心遮挡”管理”起来，论文则用同轴步进结构把掩模 3D 效应”消掉”；论文中 0.5/0.7 NA 被作者称为 Hyper-NA，与产业里 0.55 High-NA 的提法不同，属于概念与仿真阶段的探索。

从原理验证走向实际应用，仍有几件事待推进：一是多层膜反射率——12 次反射下总效率只有约 0.014，提升 Mo/Si 或新型多层膜的单镜反射率是整套方案可行性的前提；二是大口径镜片制造（6*×6* 的 M1 直径约 1300 mm）与高精度装调；三是中心遮挡对真实逻辑图形和部分相干照明的影响，论文只做了理想化仿真（假设完美反射、无多层膜相位、无偏振依赖），还没有实验样机；四是与照明系统研究的衔接——面向 0.55 NA 曝光工具的全刻面照明器方案已经在透过率（>35%）和均匀性（>99%）上给出仿真验证，未来两类工作可能合流。

展望看，这篇论文最值得关注的是它展示了 EUV 投影光学的一个新自由度：当小芯片趋势让 18 mm×18 mm 步进视场变得够用时，”掩模不动、晶圆不动、照明绕着走”的同轴方案就有了现实的落点，也为下一代高 NA 光刻提供了不同于产业现路线的候选解。

参考资料

• [S1] Shintake, T. “High-NA In-Line Projector for EUV Lithography.” arXiv:2508.00433v1 (2025). arXiv 页面
• [S2] Shintake, T. “Proposal of Plane-Parallel Resonator Configuration for High-NA EUV Lithography.” arXiv:2201.06749v1 (2022). arXiv 页面
• [S3] Li, T., Chen, Y., Li, Y., Liu, L. “Design of an all-facet illuminator for high NA EUV lithography exposure tool based on deep reinforcement learning.” arXiv:2506.15558v1 (2025). arXiv 页面
• [S4] ASML. “EUV lithography systems.” ASML 产品页面
• [S5] Wikipedia. “Extreme ultraviolet lithography.” 维基百科