創(chuàng)新的極紫外光刻技術(shù)極大地造福了半導(dǎo)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(dǎo)體制造標(biāo)準(zhǔn)的極紫外（EUV）光刻技術(shù)。

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

通過(guò)解決兩個(gè)以前被認(rèn)為在該領(lǐng)域不可克服的問(wèn)題，這項(xiàng)技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。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(tǒng)。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(dǎo)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(zhàn)
使人工智能（AI）成為可能的處理器、移動(dòng)設(shè)備如手機(jī)中使用的低功耗芯片以及我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡脑O(shè)備中使用的高密度DRAM內(nèi)存——所有這些先進(jìn)的半導(dǎo)體芯片都是使用EUV光刻制造的。然而，半導(dǎo)體生產(chǎn)面臨設(shè)備的高功耗和復(fù)雜性問(wèn)題，極大地增加了安裝、維護(hù)和電力消耗的成本。

正如Shintake教授所說(shuō)，“這項(xiàng)發(fā)明是一項(xiàng)突破性技術(shù)，幾乎可以完全解決這些鮮為人知的問(wèn)題。”

在傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)中，如相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡和傳統(tǒng)的紫外光刻，光學(xué)組件如光圈和鏡頭沿中軸對(duì)稱（相對(duì)于中央軸對(duì)稱）排列在一條直線上。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?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量圖像。然而，這對(duì)EUV射線不起作用，因?yàn)樗鼈兊牟ㄩL(zhǎng)極短，大多數(shù)材料會(huì)吸收它們，這意味著它們無(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(dǎo)的（見(jiàn)下圖）。然而，因?yàn)檫@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(tǒng)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)在一條直線上排列兩個(gè)軸對(duì)稱的帶有小中心孔的鏡子來(lái)實(shí)現(xiàn)其卓越的光學(xué)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(huì)削弱40%的能量。在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，只有大約1%的EUV光源能量通過(guò)10個(gè)鏡子到達(dá)晶圓，這意味著需要非常高的EUV光輸出來(lái)滿足需求。為滿足這一需求，EUV光源的CO2激光驅(qū)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(shù)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(gè)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(shè)備，只包含兩個(gè)反射鏡，就像一個(gè)天文望遠(yuǎn)鏡。

“這種配置是不可想象的簡(jiǎn)單，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的投影儀至少需要六個(gè)反射鏡。這是通過(guò)仔細(xì)重新考慮光學(xué)的像差校正理論實(shí)現(xiàn)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(yàn)證了性能，確保其足夠用于生產(chǎn)先進(jìn)的半導(dǎo)體?！?/p>

Shintake教授通過(guò)設(shè)計(jì)一種新的照明光學(xué)方法，名為“雙線場(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(duì)準(zhǔn)前方的鏡子，那么一個(gè)手電筒的光總會(huì)擊中對(duì)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(huì)與對(duì)面手電筒的光線相撞。”

由于兩個(gè)光源對(duì)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(yīng)。

OIST已為這項(xiàng)技術(shù)提交了專利申請(qǐng)，預(yù)計(jì)將通過(guò)示范實(shí)驗(yàn)投入實(shí)際應(yīng)用?！叭駿UV光刻市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2024年的89億美元增長(zhǎng)到2030年的174億美元，年均增長(zhǎng)率約為12%。這項(xiàng)專利有可能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)利益，”Shintake教授總結(jié)道。

OIST執(zhí)行副總裁兼OIST創(chuàng)新領(lǐng)導(dǎo)人Gil Granot-Mayer表示：“OIST致力于創(chuàng)造對(duì)人類產(chǎn)生影響的前沿科學(xué)。這項(xiàng)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。”

“雖然我們?cè)陂_(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)方面還有很長(zhǎng)的路要走，但我們致力于這樣做。我們希望這項(xiàng)來(lái)自沖繩的技術(shù)能對(duì)半導(dǎo)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。”