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沖繩科技學院(OIST)的Tsumoru Shintake教授提出一種僅使用四個反射鏡的新型EUV光刻（EUV lithography）技術，顛覆了目前半導體制造標準中的極紫外(EUV)光刻技術。基于這種設計的EUV光刻系統可以使用更小的EUV光源，降低成本并顯著提高光刻機的可靠性和壽命。該技術的功耗還不到傳統EUV光刻機的十分之一，有助于半導體行業變得更加環保。
這項技術超越認知，解決了以前被認為是不可逾越的兩大難題。第一種涉及一種僅由兩個反射鏡組成的新型光學投影系統。第二個涉及一種新的方法，在不阻擋光路的情況下，有效地將EUV光引導到平面鏡(光掩模)上的邏輯圖案上。
EUV光刻面臨的挑戰
無論是人工智能(AI)設備中的數據處理器，手機等移動設備中的低功耗芯片，還是日常生活中不可或缺的高密度DRAM內存，所有這些先進的半導體芯片都是使用EUV光刻技術制造的。然而，半導體的生產受到光刻設備的高功耗和復雜性的挑戰，這大大增加了安裝、維護和功耗的成本。
正如Shintake教授所說，“這項發明是一項突破性的技術，幾乎可以完全解決這些鮮為人知的問題。”
在傳統的光學系統中，例如照相機、望遠鏡和傳統的紫外光刻，像光圈和透鏡這樣的光學部件軸對稱地排列在一條直線上。這種配置確保最高的光學性能，最小的光學像差，實現高質量的圖像。然而，這對EUV射線不起作用，因為它們的波長極短，被大多數材料吸收了，這意味著它們不能穿過透明的透鏡。由于這個原因，EUV光使用月牙形反射鏡來引導，這些反射鏡將光線以之字形反射到開放空間的光路中。但是，由于這種方法導致光偏離中心軸，犧牲了重要的光學特性，降低了系統的整體性能。
為了解決這個問題，新光刻技術通過在一條直線上對準兩個帶有微小中心孔的軸對稱反射鏡實現了優異的光學性能。
功耗顯著降低
由于非常高的吸收能力，EUV能量在每次鏡面反射時會減弱40%。在工業標準中，來自EUV光源的能量只有大約1%通過了所使用的10個反射鏡到達晶片上，這意味著需要非常高的EUV光輸出。為了滿足這種需求，用于EUV光源的CO2激光驅動器需要消耗大量的電能，以及大量的冷卻用水。
相比之下，通過將從EUV光源到晶片的反射鏡數量限制在總共4個，超過10%的能量可以通過，這意味著即使是輸出幾十瓦的小型EUV光源也可以同樣有效地工作。以顯著降低功耗。
克服兩個挑戰
EUV光刻技術的核心是投影儀，它將光掩模圖像轉移到硅晶片上，僅由兩個反射鏡組成，就像天文望遠鏡一樣。這種配置簡單得難以想象，因為傳統的投影儀至少需要六面反射鏡。這是通過仔細反思光學的像差校正理論而成為可能的。“這是量子物理學之前經典物理學的勝利，”Shintake教授解釋道。“該性能已通過光學模擬軟件(OpTaliX)驗證，保證足以用于先進半導體生產。”
Shintake教授通過設計一種新的照明光學方法解決了這個問題，這種方法被稱為“雙線場（dual line field）”，它用EUV光從前面照射平面鏡光掩模，而不干擾光路。Shintake教授解釋說：“如果你拿著兩個手電筒，一手一個，以相同的角度對角瞄準你面前的一面鏡子，那么一個手電筒發出的光總是會擊中對面的手電筒，這在光刻技術中是不可接受的。但如果你在不改變手電筒角度的情況下向外移動雙手，直到中間被兩邊完美照亮，光就可以被反射，而不會與對面手電筒的光發生碰撞。”由于兩個光源對稱放置并以相同的角度照射掩模，平均來說，掩模是從前面照射的。這也最小化了光罩3D效果。
“這就像哥倫布的雞蛋，”Shintake教授解釋說，“乍一看似乎不可能，但一旦解決了，它就變得非常簡單。”
雙線場
OIST已經為這項技術申請了專利，預計將通過示范實驗投入實際使用。“全球EUV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%。這項專利有可能產生巨大的經濟效益，”Shintake教授總結道。
OIST執行副總裁兼OIST創新負責人Gil Granot-Mayer說，“OIST致力于創造影響人類的尖端科學。這一創新體現了OIST探索不可能和提供原創解決方案的精神。雖然我們在發展這項技術上還有很長的路要走，但我們會致力于此。我們希望這項來自沖繩的技術將對半導體行業產生變革性的影響，并有助于解決能源消耗和脫碳等全球性問題。”
編譯：張底剪報
論文：https://arxiv.org/abs/2405.11717
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