創(chuàng )新的極紫外光刻技術(shù)極大地造福了半導體制造

沖繩科學(xué)技術(shù)研究所（OIST）的Tsumoru Shintake教授提出了一種超越半導體制造標準的極紫外（EUV）光刻技術(shù)。

基于此設計的EUV光刻可以使用更小的EUV光源，降低成本并顯著(zhù)提高機器的可靠性和壽命。它的功耗也不到傳統EUV光刻機的十分之一，有助于半導體行業(yè)變得更加環(huán)?？沙掷m。

通過(guò)解決兩個(gè)以前被認為在該領(lǐng)域不可克服的問(wèn)題，這項技術(shù)得以實(shí)現。第一個(gè)問(wèn)題涉及一種僅包含兩個(gè)鏡子的全新光學(xué)投影系統。第二個(gè)問(wèn)題涉及一種新的方法，可以有效地將EUV光引導到平面鏡（光掩模）上的邏輯圖案，而不會(huì )阻擋光學(xué)路徑。

EUV光刻的挑戰
使人工智能（AI）成為可能的處理器、移動(dòng)設備如手機中使用的低功耗芯片以及我們日常生活中不可或缺的設備中使用的高密度DRAM內存——所有這些先進(jìn)的半導體芯片都是使用EUV光刻制造的。然而，半導體生產(chǎn)面臨設備的高功耗和復雜性問(wèn)題，極大地增加了安裝、維護和電力消耗的成本。

正如Shintake教授所說(shuō)，“這項發(fā)明是一項突破性技術(shù)，幾乎可以完全解決這些鮮為人知的問(wèn)題?！?/p>

在傳統的光學(xué)系統中，如相機、望遠鏡和傳統的紫外光刻，光學(xué)組件如光圈和鏡頭沿中軸對稱(chēng)（相對于中央軸對稱(chēng)）排列在一條直線(xiàn)上。這種配置確保了最高的光學(xué)性能，具有最小的光學(xué)像差，能夠實(shí)現高質(zhì)量圖像。然而，這對EUV射線(xiàn)不起作用，因為它們的波長(cháng)極短，大多數材料會(huì )吸收它們，這意味著(zhù)它們無(wú)法通過(guò)透明鏡頭傳播。

因此，EUV光是通過(guò)反射在彎曲鏡子上的路徑以Z字形模式通過(guò)開(kāi)放空間來(lái)引導的（見(jiàn)下圖）。然而，因為這種方法使光偏離中軸，它犧牲了重要的光學(xué)性能，降低了系統的整體性能。

為解決這一問(wèn)題，這種新型光刻技術(shù)通過(guò)在一條直線(xiàn)上排列兩個(gè)軸對稱(chēng)的帶有小中心孔的鏡子來(lái)實(shí)現其卓越的光學(xué)性能。

顯著(zhù)減少功耗
由于EUV能量的高吸收性，每次鏡面反射都會(huì )削弱40%的能量。在行業(yè)標準中，只有大約1%的EUV光源能量通過(guò)10個(gè)鏡子到達晶圓，這意味著(zhù)需要非常高的EUV光輸出來(lái)滿(mǎn)足需求。為滿(mǎn)足這一需求，EUV光源的CO2激光驅動(dòng)需要大量電力，以及大量用于冷卻的水。

相比之下，通過(guò)將鏡子的數量限制為從EUV光源到晶圓的總共四個(gè)，超過(guò)10%的能量可以通過(guò)，這意味著(zhù)即使是輸出僅幾十瓦的小型EUV光源也能同樣有效地工作。這可以顯著(zhù)減少功耗。

克服的兩個(gè)挑戰
EUV光刻的核心投影儀，即將光掩模圖像轉移到硅晶圓上的設備，只包含兩個(gè)反射鏡，就像一個(gè)天文望遠鏡。

“這種配置是不可想象的簡(jiǎn)單，因為傳統的投影儀至少需要六個(gè)反射鏡。這是通過(guò)仔細重新考慮光學(xué)的像差校正理論實(shí)現的。這是經(jīng)典物理學(xué)在量子物理學(xué)之前的一次勝利，”Shintake教授解釋道。

“通過(guò)使用光學(xué)仿真軟件（OpTaliX）驗證了性能，確保其足夠用于生產(chǎn)先進(jìn)的半導體?！?/p>

Shintake教授通過(guò)設計一種新的照明光學(xué)方法，名為“雙線(xiàn)場(chǎng)”，解決了這一問(wèn)題，該方法從正面用EUV光照射平面鏡光掩模，而不干擾光學(xué)路徑。

Shintake教授解釋說(shuō)：“如果你每只手握住一個(gè)手電筒，并以相同的角度對準前方的鏡子，那么一個(gè)手電筒的光總會(huì )擊中對面的手電筒，這在光刻中是不可接受的。但是，如果你在不改變手電筒角度的情況下將手移向外，直到中間從兩側完美地被照亮，光線(xiàn)就可以反射而不會(huì )與對面手電筒的光線(xiàn)相撞?！?/p>

由于兩個(gè)光源對稱(chēng)地定位并以相同角度照亮掩模，因此平均而言，掩模從正面被照亮。這也最大限度地減少了掩模的3D效應。

OIST已為這項技術(shù)提交了專(zhuān)利申請，預計將通過(guò)示范實(shí)驗投入實(shí)際應用?！叭駿UV光刻市場(chǎng)預計將從2024年的89億美元增長(cháng)到2030年的174億美元，年均增長(cháng)率約為12%。這項專(zhuān)利有可能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟利益，”Shintake教授總結道。

OIST執行副總裁兼OIST創(chuàng )新領(lǐng)導人Gil Granot-Mayer表示：“OIST致力于創(chuàng )造對人類(lèi)產(chǎn)生影響的前沿科學(xué)。這項創(chuàng )新捕捉了OIST探索不可能并提供原創(chuàng )解決方案的精神?！?/p>

“雖然我們在開(kāi)發(fā)這項技術(shù)方面還有很長(cháng)的路要走，但我們致力于這樣做。我們希望這項來(lái)自沖繩的技術(shù)能對半導體行業(yè)產(chǎn)生變革性影響，并幫助解決全球問(wèn)題，如能源消耗和脫碳?！?/p>