创新极紫外光刻技术，可快速提高半导体制造效益

近日据外媒报道，来自日本冲绳科学技术研究所的Tsumoru Shintak教授，提出了一种超越半导体制造标准的极紫外光刻技术。基于这种设计的极紫外光刻机可以使用更小的极紫外光源，从而降低成本，并显著提高设备的可靠性和使用寿命。此外，它的耗电量还不到传统极紫外光刻机的十分之一，有助于半导体行业实现更环保的可持续发展。

这项技术之所以能够实现，是因为解决了两个以前被认为在这一领域无法解决的问题。第一个问题涉及一种仅由两面镜子组成的新型光学投影系统。第二个问题涉及一种新方法，可在不阻挡光路的情况下将极紫外光有效照射到平面镜（光掩膜）上的逻辑图案上。

围绕极紫外光刻技术的挑战
使人工智能成为可能的处理器、手机等移动设备中使用的低功耗芯片，以及日常生活中不可或缺设备中使用的高密度DRAM存储器，所有这些先进半导体芯片都是利用EUV光刻技术制造的。

然而，半导体生产面临着设备耗电量大、复杂性高的挑战，增加了安装、维护和耗电成本。正如Shintak教授所说的：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。

在照相机、望远镜和传统紫外线光刻机等传统光学系统中，光圈和透镜等光学元件都是按轴对称（与中心轴对称）直线排列的。这种配置可确保最高的光学性能，将光学像差降到最低，从而获得高质量的图像。然而，这对EUV射线不起作用，因为它们的波长极短，会被大多数材料吸收，这意味着它们无法穿过透明透镜。

因此，超紫外光使用月牙形反射镜进行引导，这些反射镜将光线沿着光路以之字形模式反射到开放空间。然而，由于这种方法会导致光线偏离中心轴，因此牺牲了重要的光学特性，降低了系统的整体性能。

为了解决这个问题，这种新型光刻技术通过将两个带有微小中心孔的轴对称反射镜排列成一条直线，来实现其卓越的光学特性。

左图是目前使用的行业标准模型。右图是OIST模型。这项创新的稳定性和可维护性大大提高，因为采用了简化设计，仅有两个反射镜，只需要20W的光源，从而将系统的总功耗降低到100kW以下，与通常需要高达1MW才能运行的传统技术相比，仅为后者的十分之一。新系统保持了极高的对比度，同时还减少了掩膜的三维效应，达到了从光罩到硅晶片精确传输逻辑图案所需的纳米级精度

显著降低功耗
由于极高的吸收率，EUV能量在每次镜面反射后会减弱40%。在行业标准中，EUV光源的能量只有约1%通过所使用的10个反射镜到达晶片，这意味着需要非常高的EUV光输出。为了满足这一要求，EUV光源的CO2激光驱动器需要大量电力以及大量冷却水。

与此相反，通过将从EUV光源到晶片的反射镜数量限制为4个，10%以上的能量就能通过，这意味着即使是输出功率只有几十瓦的小型EUV光源也能同样有效地工作，这将显著降低功耗。

克服两大挑战
极紫外光刻技术的核心是将光掩膜图像传输到硅晶片上的投影仪，它只有两面反射镜，就像天文望远镜一样。“传统的投影仪至少需要6面反射镜，而这种配置却简单得难以想象。通过仔细重新思考光学的像差校正理论，我们才得以实现。这是经典物理学在量子物理学面前的一次胜利，”Shintake教授解释道，“其性能已通过光学模拟软件（OpTaliX）的验证，保证足以用于先进半导体的生产。”

Shintak教授通过设计一种名为“双线场”的新照明光学方法解决了这一问题，这种方法可以在不干扰光路的情况下，从正面用EUV光照射平面镜光掩膜。如果两只手各拿一只手电筒，以相同的角度斜对着面前的镜子，那么一只手电筒发出的光总会打到对面的手电筒上。但是，如果在不改变手电筒角度的情况下将手向外移动，直到中间完全从两边照亮，那么光线就可以被反射，而不会与对面手电筒的光线发生碰撞。

由于两个光源的位置对称，并以相同的角度照射掩膜，因此平均而言，掩膜是从正面照射的。这也最大限度地减少了掩膜的3D效果。这就像哥伦布的蛋一样，乍一看似乎不可能，但一旦解决了，就会变得非常简单。

OIST已经为这项技术申请了专利，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%。这项专利有可能产生巨大的经济效益。

OIST执行副总裁兼创新部负责人Gil Granot-Mayer说：OIST致力于创造影响人类的尖端科学。这项创新抓住了OIST探索不可能和提供原创解决方案的精神。尽管我们在开发这项技术方面还有很长的路要走，但我们将全力以赴。希望这项技术将对半导体行业产生变革性影响，并帮助解决能源消耗和去碳化等全球性问题。