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冲绳科技学院(OIST)的Tsumoru Shintake教授提出一种仅使用四个反射镜的新型EUV光刻（EUV lithography）技术，颠覆了目前半导体制造标准中的极紫外(EUV)光刻技术。基于这种设计的EUV光刻系统可以使用更小的EUV光源，降低成本并显著提高光刻机的可靠性和寿命。该技术的功耗还不到传统EUV光刻机的十分之一，有助于半导体行业变得更加环保。
这项技术超越认知，解决了以前被认为是不可逾越的两大难题。第一种涉及一种仅由两个反射镜组成的新型光学投影系统。第二个涉及一种新的方法，在不阻挡光路的情况下，有效地将EUV光引导到平面镜(光掩模)上的逻辑图案上。
EUV光刻面临的挑战
无论是人工智能(AI)设备中的数据处理器，手机等移动设备中的低功耗芯片，还是日常生活中不可或缺的高密度DRAM内存，所有这些先进的半导体芯片都是使用EUV光刻技术制造的。然而，半导体的生产受到光刻设备的高功耗和复杂性的挑战，这大大增加了安装、维护和功耗的成本。
正如Shintake教授所说，“这项发明是一项突破性的技术，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，例如照相机、望远镜和传统的紫外光刻，像光圈和透镜这样的光学部件轴对称地排列在一条直线上。这种配置确保最高的光学性能，最小的光学像差，实现高质量的图像。然而，这对EUV射线不起作用，因为它们的波长极短，被大多数材料吸收了，这意味着它们不能穿过透明的透镜。由于这个原因，EUV光使用月牙形反射镜来引导，这些反射镜将光线以之字形反射到开放空间的光路中。但是，由于这种方法导致光偏离中心轴，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，新光刻技术通过在一条直线上对准两个带有微小中心孔的轴对称反射镜实现了优异的光学性能。
功耗显著降低
由于非常高的吸收能力，EUV能量在每次镜面反射时会减弱40%。在工业标准中，来自EUV光源的能量只有大约1%通过了所使用的10个反射镜到达晶片上，这意味着需要非常高的EUV光输出。为了满足这种需求，用于EUV光源的CO2激光驱动器需要消耗大量的电能，以及大量的冷却用水。
相比之下，通过将从EUV光源到晶片的反射镜数量限制在总共4个，超过10%的能量可以通过，这意味着即使是输出几十瓦的小型EUV光源也可以同样有效地工作。以显著降低功耗。
克服两个挑战
EUV光刻技术的核心是投影仪，它将光掩模图像转移到硅晶片上，仅由两个反射镜组成，就像天文望远镜一样。这种配置简单得难以想象，因为传统的投影仪至少需要六面反射镜。这是通过仔细反思光学的像差校正理论而成为可能的。“这是量子物理学之前经典物理学的胜利，”Shintake教授解释道。“该性能已通过光学模拟软件(OpTaliX)验证，保证足以用于先进半导体生产。”
Shintake教授通过设计一种新的照明光学方法解决了这个问题，这种方法被称为“双线场（dual line field）”，它用EUV光从前面照射平面镜光掩模，而不干扰光路。Shintake教授解释说：“如果你拿着两个手电筒，一手一个，以相同的角度对角瞄准你面前的一面镜子，那么一个手电筒发出的光总是会击中对面的手电筒，这在光刻技术中是不可接受的。但如果你在不改变手电筒角度的情况下向外移动双手，直到中间被两边完美照亮，光就可以被反射，而不会与对面手电筒的光发生碰撞。”由于两个光源对称放置并以相同的角度照射掩模，平均来说，掩模是从前面照射的。这也最小化了光罩3D效果。
“这就像哥伦布的鸡蛋，”Shintake教授解释说，“乍一看似乎不可能，但一旦解决了，它就变得非常简单。”
双线场
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使用。“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，”Shintake教授总结道。
OIST执行副总裁兼OIST创新负责人Gil Granot-Mayer说，“OIST致力于创造影响人类的尖端科学。这一创新体现了OIST探索不可能和提供原创解决方案的精神。虽然我们在发展这项技术上还有很长的路要走，但我们会致力于此。我们希望这项来自冲绳的技术将对半导体行业产生变革性的影响，并有助于解决能源消耗和脱碳等全球性问题。”
编译：张底剪报
论文：https://arxiv.org/abs/2405.11717
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