创新的极紫外光刻技术极大地造福了半导体制造

冲绳科学技术研究所（OIST）的Tsumoru Shintake教授提出了一种超越半导体制造标准的极紫外（EUV）光刻技术。

基于此设计的EUV光刻可以使用更小的EUV光源，降低成本并显著提高机器的可靠性和寿命。它的功耗也不到传统EUV光刻机的十分之一，有助于半导体行业变得更加环保可持续。

通过解决两个以前被认为在该领域不可克服的问题，这项技术得以实现。第一个问题涉及一种仅包含两个镜子的全新光学投影系统。第二个问题涉及一种新的方法，可以有效地将EUV光引导到平面镜（光掩模）上的逻辑图案，而不会阻挡光学路径。

EUV光刻的挑战
使人工智能（AI）成为可能的处理器、移动设备如手机中使用的低功耗芯片以及我们日常生活中不可或缺的设备中使用的高密度DRAM内存——所有这些先进的半导体芯片都是使用EUV光刻制造的。然而，半导体生产面临设备的高功耗和复杂性问题，极大地增加了安装、维护和电力消耗的成本。

正如Shintake教授所说，“这项发明是一项突破性技术，几乎可以完全解决这些鲜为人知的问题。”

在传统的光学系统中，如相机、望远镜和传统的紫外光刻，光学组件如光圈和镜头沿中轴对称（相对于中央轴对称）排列在一条直线上。这种配置确保了最高的光学性能，具有最小的光学像差，能够实现高质量图像。然而，这对EUV射线不起作用，因为它们的波长极短，大多数材料会吸收它们，这意味着它们无法通过透明镜头传播。

因此，EUV光是通过反射在弯曲镜子上的路径以Z字形模式通过开放空间来引导的（见下图）。然而，因为这种方法使光偏离中轴，它牺牲了重要的光学性能，降低了系统的整体性能。

为解决这一问题，这种新型光刻技术通过在一条直线上排列两个轴对称的带有小中心孔的镜子来实现其卓越的光学性能。

显著减少功耗
由于EUV能量的高吸收性，每次镜面反射都会削弱40%的能量。在行业标准中，只有大约1%的EUV光源能量通过10个镜子到达晶圆，这意味着需要非常高的EUV光输出来满足需求。为满足这一需求，EUV光源的CO2激光驱动需要大量电力，以及大量用于冷却的水。

相比之下，通过将镜子的数量限制为从EUV光源到晶圆的总共四个，超过10%的能量可以通过，这意味着即使是输出仅几十瓦的小型EUV光源也能同样有效地工作。这可以显著减少功耗。

克服的两个挑战
EUV光刻的核心投影仪，即将光掩模图像转移到硅晶圆上的设备，只包含两个反射镜，就像一个天文望远镜。

“这种配置是不可想象的简单，因为传统的投影仪至少需要六个反射镜。这是通过仔细重新考虑光学的像差校正理论实现的。这是经典物理学在量子物理学之前的一次胜利，”Shintake教授解释道。

“通过使用光学仿真软件（OpTaliX）验证了性能，确保其足够用于生产先进的半导体。”

Shintake教授通过设计一种新的照明光学方法，名为“双线场”，解决了这一问题，该方法从正面用EUV光照射平面镜光掩模，而不干扰光学路径。

Shintake教授解释说：“如果你每只手握住一个手电筒，并以相同的角度对准前方的镜子，那么一个手电筒的光总会击中对面的手电筒，这在光刻中是不可接受的。但是，如果你在不改变手电筒角度的情况下将手移向外，直到中间从两侧完美地被照亮，光线就可以反射而不会与对面手电筒的光线相撞。”

由于两个光源对称地定位并以相同角度照亮掩模，因此平均而言，掩模从正面被照亮。这也最大限度地减少了掩模的3D效应。

OIST已为这项技术提交了专利申请，预计将通过示范实验投入实际应用。“全球EUV光刻市场预计将从2024年的89亿美元增长到2030年的174亿美元，年均增长率约为12%。这项专利有可能带来巨大的经济利益，”Shintake教授总结道。

OIST执行副总裁兼OIST创新领导人Gil Granot-Mayer表示：“OIST致力于创造对人类产生影响的前沿科学。这项创新捕捉了OIST探索不可能并提供原创解决方案的精神。”

“虽然我们在开发这项技术方面还有很长的路要走，但我们致力于这样做。我们希望这项来自冲绳的技术能对半导体行业产生变革性影响，并帮助解决全球问题，如能源消耗和脱碳。”