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近日，來(lái)自沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)(OIST)的Tsumoru Shintake教授提出了一項(xiàng)革命性的極紫外(EUV)光刻技術(shù)，該技術(shù)不僅超越了現(xiàn)有半導(dǎo)體制造的界限，更預(yù)示著行業(yè)未來(lái)的新篇章。
這一創(chuàng)新顯著提高了穩(wěn)定性和可維護(hù)性，因?yàn)槠浜?jiǎn)化設(shè)計(jì)只需兩個(gè)鏡子，光源僅需20W，從而將系統(tǒng)的總功耗減少到不到100kW，僅為傳統(tǒng)技術(shù)(通常需要超過(guò)1MW(=1000kW)運(yùn)行)功耗的十分之一。新系統(tǒng)保持了非常高的對(duì)比度，同時(shí)減少了掩模3D效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了從光掩模到硅片準(zhǔn)確傳輸邏輯圖案所需的納米級(jí)精度。
這項(xiàng)創(chuàng)新的核心在于采用更為緊湊高效的EUV光源，顯著降低了成本，同時(shí)極大地提升了設(shè)備的可靠性和使用壽命。尤為引人注目的是，其電力消耗僅為傳統(tǒng)EUV光刻機(jī)的十分之一，為半導(dǎo)體行業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展鋪平了道路。
這種技術(shù)突破，關(guān)鍵在于解決了兩個(gè)長(zhǎng)期困擾業(yè)界的難題：一是設(shè)計(jì)了一種極簡(jiǎn)而高效的光學(xué)投影系統(tǒng)，該系統(tǒng)僅由兩個(gè)精心配置的鏡子構(gòu)成；二是開(kāi)發(fā)了一種新方法，能夠無(wú)阻礙地將EUV光精準(zhǔn)引導(dǎo)至平面鏡(光掩模)上的邏輯圖案區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了前所未有的光路優(yōu)化。
EUV光刻面臨的挑戰(zhàn)
使人工智能(AI)成為可能的處理器、用于手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備的低功耗芯片以及用于高密度DRAM存儲(chǔ)器的芯片——所有這些先進(jìn)的半導(dǎo)體芯片都采用EUV光刻技術(shù)制造。
然而，半導(dǎo)體的生產(chǎn)面臨高功耗和設(shè)備復(fù)雜性的問(wèn)題，這大大增加了安裝、維護(hù)和電力消耗的成本。而Tsumoru Shintake教授的技術(shù)發(fā)明，正是對(duì)這一挑戰(zhàn)的直接回應(yīng)，他稱之為“幾乎徹底解決了這些隱蔽難題”的突破性成果。
傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)依賴透鏡與光圈的對(duì)稱排列以實(shí)現(xiàn)最佳性能，但EUV光的特殊性——極短波長(zhǎng)與易被材料吸收——使得這一模式不再適用。EUV光需通過(guò)新月形鏡反射，在開(kāi)放空間中曲折前行，犧牲了部分光學(xué)性能。而OIST的新技術(shù)，通過(guò)直線排列的軸對(duì)稱雙鏡系統(tǒng)，不僅恢復(fù)了卓越的光學(xué)性能，還大幅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
功耗顯著減少
由于EUV能量在每次鏡面反射時(shí)會(huì)削弱40%，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，只有約1%的EUV光源能量通過(guò)使用的10個(gè)鏡子到達(dá)晶圓，這意味著需要非常高的EUV光輸出。為了滿足這一需求，驅(qū)動(dòng)EUV光源的CO2激光器需要大量電力，以及大量冷卻水。
相比之下，通過(guò)將鏡子的數(shù)量限制為從EUV光源到晶圓總共僅四個(gè)，超過(guò)10%的能量可以傳遞，從而意味著即使是幾十瓦的小EUV光源也能有效工作。這可以顯著減少電力消耗。
克服兩大挑戰(zhàn)
與現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比，OIST模型以其精簡(jiǎn)的設(shè)計(jì)(僅兩個(gè)鏡子)、極低的光源需求(20W)及不到傳統(tǒng)技術(shù)十分之一的總功耗(低于100kW)，展現(xiàn)了顯著的優(yōu)勢(shì)。這一創(chuàng)新不僅確保了納米級(jí)精度的圖案?jìng)鬏敚€減少了掩模的3D效應(yīng)，提升了整體性能。
尤為值得一提的是，通過(guò)減少鏡面反射次數(shù)至四次，新系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)10%的能量傳遞效率，即便是小型EUV光源也能高效運(yùn)作，從而大幅降低了電力消耗。這一成就不僅減輕了CO2激光器的負(fù)擔(dān)，還減少了冷卻水的需求，進(jìn)一步體現(xiàn)了環(huán)保理念。
Tsumoru Shintake教授還獨(dú)創(chuàng)了“雙線場(chǎng)”照明光學(xué)方法，巧妙解決了光路干擾問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了從光掩模到硅片的精準(zhǔn)圖案映射。他比喻道，這如同調(diào)整手電筒的角度，以最佳方式照亮鏡子，既避免了光線碰撞，又最大化了照明效率，展現(xiàn)了其非凡的創(chuàng)造力與智慧。
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