荷兰光刻专家Braat：极紫外光刻技术会被取代吗？前景未可预知_风闻
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1973年，Braat于法国高等光学研究所（Institut d’Optique Graduate School）博士毕业后，回到了荷兰的飞利浦公司（Philips）开展光存储技术的研究工作，参与并推进了Philips、 ASML等公司光刻技术的发展，在光路设计、早期光刻系统设计、衍射极限的光学成像等方面做出了突出贡献。之后Joseph Braat加入荷兰代尔夫特理工大学并在光学研究组任教。Joseph Braat教授发表了超60项美国专利及大量研究论文，其论著《成像光学》（Imaging Optics）现已成为光学领域的重要参考资料。
不久前，荷兰代尔夫特理工大学的邵屹峰采访了Joseph Braat教授。在《专访荷兰光刻专家Braat教授（上）| 飞利浦与阿斯麦，光存储与光刻的时代更迭》中，他回顾了所经历的光学存储与光刻的发展。在本文中，Braat教授认为，光刻技术的挑战不仅在于不计成本地研发出原型机，更在于实现工业化和批量生产。这不仅需要科学家和工程师的紧密合作，更需要一种务实、诚实的态度：实验测量数据是唯一的标准，应不断调整模型和理论以符合实验结果，非反其道而行之。这是应用科学的原理，也是Braat教授对青年学者们的殷切期望。
撰文 | 邵屹峰（荷兰代尔夫特理工大学博士后研究员）
英文全文已发表在Advanced Photonics2024年第3期，欢迎查看：
Yifeng Shao, “Interview with optical scientist and engineer Joseph Braat,” Adv. Photon. 6, 030502 (2024)
以下内容中，“邵”代表邵屹峰博士，“Joseph”代表Joseph Braat教授。
邵：您能分享一些关于在光刻技术早期开发阶段您所担任的角色的见解吗？当时的情况和关键挑战是什么？
Joseph：在1982年，我代表飞利浦公司正式访问卡尔蔡司，探讨制造特定光刻镜头的可能性。我仍然记得在访问过程中，卡尔蔡司的顶级光学设计师Erhard Glatzel展示了他对于蔡司车间卓越的机械、光学和测量能力如何与光学系统的光学、机械公差相互配合的敏锐理解。例如，由于在深蓝光波段的色散问题，他首先排除了飞利浦的双波长设计，同时也将数值孔径降低至0.28，以匹配当时出售给美国与日本客户的投影镜头。卡尔蔡司独家保密光学设计的所有数据，即使是客户也无法了解镜头的具体细节。这种情况一直持续到1998年ASML与卡尔蔡司的光刻部门通过排他协议建立了更紧密的合作关系。
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。
1985年前后，他们与我（使用我自己的程序）同时分别设计了规格为0.38数值孔径，单波长（h线），10×10 mm2视场的新一代光刻镜头。我在设计中特别注意优化了镜头的“可制造性”，取得了较为宽裕的1-2微米的离心偏移和25微弧度的倾斜角公差，其它公差也较为均匀地分布在整个系统中。而他们设计的系统与我的系统几乎没有任何相似之处，更令我惊讶的是，他们依然在使用纯几何光学的光线追踪数据设计镜头，而我已经将波像差应用于光学系统的优化。我想这应该归功于我是Harold Hopkins的忠实的“学生”：他早在1950年就发表了著作《像差的波动理论》（Wave Theory of Aberrations）。最终的结果表明，使用不同的像差数据（光线追踪或者波像差）优化的镜头可能有完全不同的像差，在某些情况下畸变甚至可能出现相反的符号！
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。
邵：您对EUV光刻或其他光学光刻技术的未来发展有何看法?
Joseph：在当前的13.5 nm的光刻波长下，蔡司的非球面EUV投影系统可以实现最高0.55的数值孔径。而在较短的波长上，比如6 nm，制造光学系统在理论上可能的，但由于镜面上的抗反射层太薄，在沉积过程中难免会发生层间材料扩散。过去的实验表明，理论预测和实际测量的反射系数存在很大的差距。因此，这个领域目前的进展非常有限。此外，在11 nm波长上使用的铍材料对环境非常危险，所以EUV是否最终将停止在13.5 nm的光刻波长和0.55的数值孔径上，目前仍然是一个未知数。
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极其昂贵，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。
邵：1988年，您开始在代尔夫特理工大学担任学术职务，最终成为了光学领域的教授。您为什么会选择转向学术界？前后的工作和生活有何变化？您在产业界的工作经验对您在学术界的教学和研究方法产生了怎样的影响？
Joseph：我认为来自工业公司的经验使我对研究成果的实际应用有了更深刻的理解，为我的教学增添了额外的维度。此外，业界经验对我在国家和欧盟层面申请各种类型的项目也有帮助。我在代尔夫特理工大学与ASML公司保持了长期积极的联系与合作，他们在研究项目的执行和解决方案的探索上给予了我很大的自由度，少有官僚作风，与荷兰或者欧盟繁重的行政要求截然不同。
邵：作为欧洲光学学会的前主席以及多个著名学会的成员，您对光学科学的未来及其在解决技术和社会挑战中的作用有何看法？
Joseph：对于我在欧洲光学学会的工作，我认为我被教育出了（尽管有些人也许会说被“洗脑”）对与欧洲层面合作的积极态度。尽管我在二战后不久出生，但是我仍然从我的父母和学校处听到了很多关于这场人类和经济灾难的故事。荷兰用了十五年才从二战中恢复，我很清楚我们应该强调在欧洲甚至世界，是经济活动和知识产权让我们团结在一起，应当远离关于种族或者民族优越性的荒谬理论，这些理论是各种战争的根源。
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。
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。
邵：对于光学领域的学生和研究人员，您有什么建议？
Joseph：对于大学生们，我建议他们在大脑的分析和记忆功能最佳的年华里有效地利用它们。在技术大学中，应该毫不犹豫地选择更理论的课程。因为在以后的岁月里去学习这些知识会更困难，学习获得的知识也会更快地被遗忘。此外，我还要强调科学伦理。诚实和准确是每个科学家应该具备的品质。科学家总会面临多种压力，被要求加快研究进展并展示不够成熟的结果，或受到政治影响，被要求展示“带颜色”的结果。学生或研究人员应永远不要忘记，个人的力量永远无法改变科学进步的主流方向。科学家们永远需要根据测量数据调整模型以更好地解释测量的数据，而不是反过来根据模型选择符合的测量数据。这是应用科学的工作原理！
邵：您可以向观众们介绍您的著作《成像光学》的创作背景吗？
Joseph：2006年，我在罗马大学与Concita Sibilia和Mario Bertolotti的实验室休了五个月的学术假期。我的任务是撰写一章《通过点扩散函数评估光学系统》（Emil Wolf做编辑的《光学进展》系列书中的一部分）。
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。
特邀采访人简介：
本文经授权转载自微信公众号“中国激光杂志社”。
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