日本提出EUV光刻新方案：光源功率可降低10倍，成本將大幅降低！

8月7日消息，近日日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)（OIST）的Tsumoru Shintake教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一項(xiàng)全新、大幅簡化的面向極紫外（EUV）光刻機(jī)的雙反射鏡系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)的至少需要六面反射鏡的配置，新的光學(xué)投影系統(tǒng)僅使用了兩面反射鏡，在確保系統(tǒng)維持較高的光學(xué)性能的同時(shí)，能讓EUV光線以超過初始值10%的功率到達(dá)晶圓，相比傳統(tǒng)系統(tǒng)中僅1%的功率來說，提了高到了原來的10倍，可說是一大突破。

換句話來說，全新的光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)原有的系統(tǒng)來說，功耗可以降低到原來1/10！而對(duì)于EUV光刻機(jī)來說，隨著對(duì)于光源系統(tǒng)功率要求的大幅降低，將使得其整套光源系統(tǒng)的體積和成本也將大大的降低，反射鏡數(shù)量的減少也將帶來成本降低，同時(shí)光刻機(jī)能耗的降低也將使得其運(yùn)行的電耗成本極大的降低，并顯著提設(shè)備的可靠性和使用壽命。

ASML EUV光刻機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)解析

目前ASML是全球唯一的EUV光刻機(jī)供應(yīng)商，其先進(jìn)的EUV光刻機(jī)擁有超過10萬個(gè)零件，涉及到上游5000多家供應(yīng)商。這些零部件極為復(fù)雜，對(duì)誤差和穩(wěn)定性的要求極高，并且這些零件幾乎都是定制的，90%零件都采用的是世界上最先進(jìn)技術(shù)，85%的零部件是和供應(yīng)鏈共同研發(fā)，甚至一些接口都要工程師用高精度機(jī)械進(jìn)行打磨，尺寸調(diào)整次數(shù)更可能高達(dá)百萬次以上。這也使得一臺(tái)EUV光刻機(jī)的售價(jià)高達(dá)1.5億美元左右。

從EUV光刻機(jī)的結(jié)構(gòu)來看，其內(nèi)部主要由“照明光學(xué)模組”（Illuminator）、“投影光學(xué)模組”（Projection optics）、“光罩傳輸模組”(Reticle Handler)、“光罩平臺(tái)模組”(Reticle Stage)、“晶圓傳送模組”（Wafer Handler）、“晶圓平臺(tái)模組”（Wafer Stage）及“光源模組”（Soure）這七大模組組成。

其中，“照明光學(xué)模組”是EUV最核心的作業(yè)模組。這里EUV光線由“光源模組”（Source）生成后，導(dǎo)入“照明光學(xué)模組”。過程還必須進(jìn)行檢測與控制光的能量、均勻度及形狀。之后再將EUV光線通過“投影光學(xué)模組”傳輸穿過光罩（掩膜版），再由聚光鏡（Project Lens）將影像聚焦成像在晶圓表面的光阻層。

EUV的光源分為兩個(gè)部分：第一個(gè)部分就是通快集團(tuán)供應(yīng)的30KW二氧化碳激光器，也稱之為“drive laser”，其主要作用就是提供10600nm波長的高功率激光，用來照射錫（Sn）金屬液滴，以產(chǎn)生13.5nm波長的EUV光線。

根據(jù)官網(wǎng)資料顯示，通快集團(tuán)向ASML供應(yīng)的二氧化碳激光器擁有457,329個(gè)部件，系統(tǒng)內(nèi)的線纜長度高達(dá)7,322米，重量更是達(dá)到了17,090千克。

第二部分則是Cymer的工作，其主要承擔(dān)提供并控制錫金屬液滴以每秒50000滴的速度從噴嘴內(nèi)噴出，并利用通快集團(tuán)的30KW二氧化碳激光器對(duì)每滴錫金屬液滴每秒進(jìn)行兩次轟擊（即每秒需要10萬個(gè)激光脈沖），從而產(chǎn)生穩(wěn)定的13.5nm波長的EUV，然后對(duì)光線進(jìn)行收集，并通過反射鏡修正光的前進(jìn)方向。

ASML與德國光學(xué)公司蔡司（Zeiss）合作，由該蔡司來生產(chǎn)反射鏡，以使得EUV光線經(jīng)過多次反射后能夠精準(zhǔn)的投射到晶圓上。

由于EUV光線波長非常短，所以它們會(huì)很容易被空氣吸收，所以整個(gè)EUV光源的工作環(huán)境需要被抽成真空。同時(shí)，EUV光線也無法被玻璃透鏡折射，必須以硅與鉬制成的特殊鍍膜反射鏡，來修正光的前進(jìn)方向，而且每一次反射可能將會(huì)損失約30%能量，而EUV光學(xué)照明系統(tǒng)當(dāng)中有6組反射鏡，導(dǎo)致最終到達(dá)晶圓的EUV光子理論上只有原來的約1%左右。

據(jù)芯智訊向ASML內(nèi)部人士了解到，目前ASML EUV光刻機(jī)的EUV光源功率已經(jīng)提高到了500W（主要依賴于光源優(yōu)化，drive laser依然是30kW），也就是說其最終作用到晶圓的功率僅為5W，這相比多年前的250W光源功率所帶來的最終工作功率提升了一倍，這也提升了其EUV光刻機(jī)的每小時(shí)處理晶圓數(shù)量的能力。

全新EUV雙反射鏡系統(tǒng)解決方案

日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)的Tsumoru Shintake教授在論文中也指出，在傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)中，如照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡和傳統(tǒng)的紫外光刻技術(shù)，孔徑和透鏡等光學(xué)元件軸對(duì)稱（對(duì)稱于中心軸）排列在一條直線上。這種配置確保了最高的光學(xué)性能，具有最小的光學(xué)像差，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的圖像。然而，這不適用于 EUV光線，因?yàn)樗鼈兊牟ㄩL極短，會(huì)被大多數(shù)材料吸收，這意味著它們不能穿過透明鏡片。出于這個(gè)原因，EUV 光使用新月形鏡子進(jìn)行定向，這些鏡子以鋸齒形圖案在開放空間中沿光路反射光線（見下圖）。然而，由于這種方法會(huì)導(dǎo)致光線偏離中心軸，因此它犧牲了重要的光學(xué)特性并降低了系統(tǒng)的整體性能。

而Tsumoru Shintake教授提出的面向EUV光學(xué)系統(tǒng)的雙反射鏡解決方案，相比原本的六個(gè)反射鏡的方案，能讓光源效率提升到原來（標(biāo)準(zhǔn)值為1%）的10倍，即EUV光線能夠以超過初始值10%的功率到達(dá)晶圓。如果維持原有的作用到晶圓的EUV光線功率不變，那么采用新方案后，EUV光源的初始功率則可以降低到原來的1/10，這也將使得整個(gè)EUV光刻機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)更簡化、更高效、可靠性更高、更低成本。

Tsumoru Shintake教授在論文摘要中介紹稱，如果以每小時(shí) 100 片晶圓的處理速度計(jì)算，如果采用全新的雙反射鏡系統(tǒng)，將可使得所需的 EUV 光源功率降低至 20 瓦。全新設(shè)計(jì)的投影物鏡可實(shí)現(xiàn) 0.2 NA（20 毫米領(lǐng)域）和 0.3 NA（10 毫米領(lǐng)域），可組裝成類似于 DUV 投影物鏡系統(tǒng)的圓柱型裝置，具有出色的機(jī)械穩(wěn)定性，且更易于組裝/維護(hù)。EUV通過位于衍射錐兩側(cè)的兩個(gè)窄圓柱形反射鏡引入掩膜版前方，提供平均法向照明，減少光刻掩膜三維效應(yīng)。簡化的照明系統(tǒng)提供對(duì)稱的四極離軸照明，繞過了中心遮蔽，提高了空間分辨率，還實(shí)現(xiàn)了柯勒照明。理論分辨率極限為 24nm（20mm視場），圖像縮小系數(shù) ×5，物像距離 (OID) 2000 毫米。使用曲面掩模后，物像距離高度可降低到（OID）1500mm，分辨率為 16nm（10mm視場）。它將適用于移動(dòng)終端應(yīng)用的小尺寸芯片生產(chǎn)以及最新的chiplet芯片技術(shù)。

這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)具有顯著更好的穩(wěn)定性和可維護(hù)性，因?yàn)樗喕嗽O(shè)計(jì)，只有兩個(gè)鏡子，只需要20W的光源，從而將系統(tǒng)的總功耗降低到100kW以下，與通常需要1MW（=1,000kW，經(jīng)芯智訊與ASML內(nèi)部人士確認(rèn)，現(xiàn)有的EUV光刻機(jī)系統(tǒng)沒有這么高的功耗）以上的傳統(tǒng)技術(shù)相比，功耗降低了90%。并且新系統(tǒng)保留了非常高的對(duì)比度，同時(shí)還減少了掩模3D效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了將邏輯圖案從光掩模準(zhǔn)確轉(zhuǎn)移到硅晶圓所需的納米精度。

EUV光刻技術(shù)的核心是將光掩模圖像轉(zhuǎn)移到硅晶圓上的投影儀，它僅由兩個(gè)反射鏡組成，就像天文望遠(yuǎn)鏡一樣?！翱紤]到傳統(tǒng)EUV光刻至少需要六個(gè)反射鏡，我們的雙反射鏡配置非常簡單。這是通過仔細(xì)重新思考光學(xué)像差校正理論而實(shí)現(xiàn)的。這是經(jīng)典物理學(xué)在量子物理學(xué)之前的勝利?！盨hintake教授解釋說：“該性能已使用光學(xué)模擬軟件（OpTaliX）進(jìn)行了驗(yàn)證，并保證足以用于生產(chǎn)先進(jìn)半導(dǎo)體。”

不過，新的雙反射鏡光學(xué)系統(tǒng)的挑戰(zhàn)在于，防止光學(xué)像位差，并確保高效率的光傳輸。對(duì)此，需將這些鏡子對(duì)齊成一條直線，確保系統(tǒng)維持較高的光學(xué)性能，不會(huì)出現(xiàn)與EUV光線相關(guān)的扭曲現(xiàn)象。為了解決這些問題，Tsumoru Shintake教授通過將兩個(gè)軸對(duì)稱鏡與一條直線上的微小中心孔對(duì)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了其卓越的光學(xué)性能。

為了避開中心遮擋并提高空間分辨率，EUV 光通過位于衍射光錐兩側(cè)的兩個(gè)窄圓柱形反射鏡引入掩膜前方。這提供了均勻化照明光場，減少了掩膜三維效應(yīng)。簡化的照明系統(tǒng)提供了對(duì)稱的四極離軸照明，繞過了中心遮擋，提高了空間分辨率，還實(shí)現(xiàn)了柯勒照明。為避免圓柱鏡的阻擋衍射，Tsumoru Shintake教授引入了通過設(shè)計(jì)一種新的照明光學(xué)方法解決了這個(gè)問題，該方法被稱為“雙線場”。該方法在不干擾光路的情況下，用EUV光從正面照射平面鏡面的光罩。

Tsumoru Shintake教授解釋說：“如果你拿著兩個(gè)手電筒，每只手拿著一個(gè)手電筒，并將它們以相同的角度對(duì)準(zhǔn)你面前的鏡子，那么一個(gè)手電筒的光線總是會(huì)照射到對(duì)面的手電筒上，這在光刻中是不可接受的。但是，如果你在不改變手電筒的角度的情況下向外移動(dòng)手，直到中間從兩側(cè)完全照亮，光線就可以被反射而不會(huì)與對(duì)面手電筒的光線碰撞。由于兩個(gè)光源對(duì)稱放置并以相同角度照亮光罩，因此平均而言，光罩是從正面照亮的。這也最大限度地減少了掩膜三維效應(yīng)。這就像哥倫布的蛋，”“因?yàn)檎б豢此坪醪豢赡埽坏┙鉀Q了，它就變得非常簡單。”

據(jù)介紹，目前日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)已經(jīng)就該技術(shù)提交了專利申請(qǐng)，并有望通過示范實(shí)驗(yàn)投入實(shí)際應(yīng)用?！叭駿UV光刻市場預(yù)計(jì)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(xiàng)專利有可能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。”Tsumoru Shintake教授總結(jié)道。

日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)執(zhí)行副總裁兼 OIST 創(chuàng)新負(fù)責(zé)人 Gil Granot-Mayer 表示：“OIST 致力于創(chuàng)造能夠影響人類的尖端科學(xué)。這項(xiàng)創(chuàng)新體現(xiàn)了OIST的精神，即探索不可能的事情并提供原創(chuàng)的解決方案。盡管我們在開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)方面還有很長的路要走，但我們致力于這樣做。我們希望這項(xiàng)來自沖繩的技術(shù)將對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)生變革性影響，并幫助解決能源消耗和脫碳等全球問題。

小結(jié)：

如果Tsumoru Shintake教授的面向EUV光刻的雙反射鏡系統(tǒng)解決方案能夠商用，將有望幫助現(xiàn)有的EUV光刻機(jī)的EUV光源系統(tǒng)的功率降低90%。比如現(xiàn)在ASML EUV光刻機(jī)的EUV光源功率為500W，那么采用新的接近方案后，只需要50W的EUV光源即可達(dá)到現(xiàn)有的作用于晶圓的EUV光線的功率要求。這也意味著為了產(chǎn)生足夠高功率EUV光源的“drive laser”也就無需功率高達(dá)30KW二氧化碳激光器，這將極大的降低光源系統(tǒng)的功耗，同樣配套的散熱、冷卻水需求也將會(huì)大幅降低。

而且，該解決方案還能夠使得目前EUV光刻機(jī)的“照明光學(xué)模組”和“投影光學(xué)模組”更為簡化，不僅所需的零部件數(shù)量更少（反射鏡減少、二氧化碳激光器要求降低、配套散熱系統(tǒng)要求降低），體積和重量也將會(huì)更小。比如前面提到的，通快集團(tuán)向ASML EUV光刻機(jī)供應(yīng)的30KW二氧化碳激光器，光零部件就有457,329個(gè)，重量更是達(dá)到了17,090千克，如果采用功率更低的二氧化碳激光器，無疑將會(huì)大幅降低零部件的數(shù)量、體積與重量。

總結(jié)來看，新的解決方案如果能夠商用，不僅可以大幅降低EUV光刻機(jī)的功耗和綜合成本，同時(shí)隨著整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度的降低，穩(wěn)定性將得到提升，制造難度和制造流程也都有望縮短。零部件減少和光源系統(tǒng)的簡化也將使得整體的體積和重量大幅減少，這也將使得EUV光刻機(jī)的發(fā)貨、運(yùn)輸及安裝更為簡便。

當(dāng)然，目前Tsumoru Shintake教授提出的這項(xiàng)技術(shù)方案還是處于理論研究階段，不過其確實(shí)有計(jì)劃通過示范實(shí)驗(yàn)投入實(shí)際應(yīng)用，但最終能否成功商用依然是未知之?dāng)?shù)。

編輯：芯智訊-浪客劍

論文地址：https://arxiv.org/pdf/2405.11717