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，降低成本并顯著提高機器的可靠性和壽命。它的功耗也不到傳統(tǒng)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(xù)。

通過解決兩個以前被認為在該領域不可克服的問題，這項技術(shù)得以實現(xiàn)。第一個問題涉及一種僅包含兩個鏡子的全新光學投影系統(tǒng)。第二個問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，而不會阻擋光學路徑。

EUV光刻的挑戰(zhàn)
使人工智能（AI）成為可能的處理器、移動設備如手機中使用的低功耗芯片以及我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡脑O備中使用的高密度DRAM內(nèi)存——所有這些先進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，“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題?！?/p>

在傳統(tǒng)的光學系統(tǒng)中，如相機、望遠鏡和傳統(tǒng)的紫外光刻，光學組件如光圈和鏡頭沿中軸對稱（相對于中央軸對稱）排列在一條直線上。這種配置確保了最高的光學性能，具有最小的光學像差，能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量圖像。然而，這對EUV射線不起作用，因為它們的波長極短，大多數(shù)材料會吸收它們，這意味著它們無法通過透明鏡頭傳播。

因此，EUV光是通過反射在彎曲鏡子上的路徑以Z字形模式通過開放空間來引導的（見下圖）。然而，因為這種方法使光偏離中軸，它犧牲了重要的光學性能，降低了系統(tǒng)的整體性能。

為解決這一問題，這種新型光刻技術(shù)通過在一條直線上排列兩個軸對稱的帶有小中心孔的鏡子來實現(xiàn)其卓越的光學性能。

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

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

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

“這種配置是不可想象的簡單，因為傳統(tǒng)的投影儀至少需要六個反射鏡。這是通過仔細重新考慮光學的像差校正理論實現(xiàn)的。這是經(jīng)典物理學在量子物理學之前的一次勝利，”Shintake教授解釋道。

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

Shintake教授通過設計一種新的照明光學方法，名為“雙線場”，解決了這一問題，該方法從正面用EUV光照射平面鏡光掩模，而不干擾光學路徑。

Shintake教授解釋說：“如果你每只手握住一個手電筒，并以相同的角度對準前方的鏡子，那么一個手電筒的光總會擊中對面的手電筒，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(cè)完美地被照亮，光線就可以反射而不會與對面手電筒的光線相撞?！?/p>

由于兩個光源對稱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)提交了專利申請，預計將通過示范實驗投入實際應用?！叭駿UV光刻市場預計將從2024年的89億美元增長到2030年的174億美元，年均增長率約為12%。這項專利有可能帶來巨大的經(jīng)濟利益，”Shintake教授總結(jié)道。

OIST執(zhí)行副總裁兼OIST創(chuàng)新領導人Gil Granot-Mayer表示：“OIST致力于創(chuàng)造對人類產(chǎn)生影響的前沿科學。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>

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