冲绳科学技术学院（OIST）的Tsumoru Shintake教授提出了超越半导体制造标准的极紫外（EUV）光刻技术。极紫外光光刻

基于此设计的产品可以与更小的 EUV 光源配合使用，从而降低成本并显着提高机器的可靠性和使用寿命。它的功耗还不到传统 EUV 光刻机的十分之一，有助于半导体行业变得更加环保可持续。这项技术通过解决该领域以前被认为无法克服的两个问题而成为可能。

第一个涉及仅由两个镜子组成的新颖光学投影系统。第二种涉及一种新方法，可以有效地将 EUV 光引导到平面镜（光掩模）上的逻辑图案上，而不会阻挡光路。

EUV 光刻面临的挑战

处理器制作人工智能（AI）可能的、低功耗芯片用于移动设备例如手机以及我们日常生活中不可或缺的机器中使用的高密度 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，半导体的生产面临着设备高功耗和复杂性的挑战，这极大地增加了安装、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，例如相机、望远镜和传统的紫外光刻，孔径和透镜等光学元件轴对称（关于中心轴对称）排列在一条直线上。这种配置可确保最高的光学性能和最小的光学像差，从而实现高质量的图像。然而，这不适用于 EUV 射线，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，EUV 光使用新月形镜子进行引导，这些镜子沿着光路以之字形图案反射光线穿过开放空间（见下图）。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并降低了系统的整体性能。

为了解决这个问题，这种新的光刻技术通过将两个带有微小中心孔的轴对称镜沿直线对齐来实现其卓越的光学特性。

显着降低功耗

由于 EUV 的吸收率非常高，每次镜面反射能量都会减弱 40%。在行业标准中，EUV光源只有约1%的能量通过所使用的10个镜子到达晶圆，这意味着需要非常高的EUV光输出。为了满足这一需求，CO₂EUV光源的激光驱动需要大量的电力，以及大量的水用于冷却。

相比之下，通过将 EUV 光源到晶圆的反射镜数量限制为总共 4 个，超过 10% 的能量可以通过，这意味着即使是输出功率为几十瓦的小型 EUV 光源也能正常工作。同样有效。这可以显着减少电力使用。

克服两个挑战

EUV 光刻技术的核心投影仪将光掩模图像转移到硅晶圆上，它仅由两个反射镜组成，就像天文望远镜一样。

“考虑到传统投影仪至少需要六个反射镜，这种配置简单得难以想象。这是通过仔细重新思考光学像差校正理论而实现的。这是经典物理学的胜利量子物理学”，Shintake 教授解释道。

“该性能已使用光学模拟软件（OpTaliX）进行了验证，保证足以用于先进半导体的生产。”

Shintake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个问题，该方法用EUV光从正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，一手拿着一个，并将它们以相同的角度对角地瞄准你面前的镜子，那么来自一个手电筒的光总是会击中对面的手电筒，这在光刻中是不可接受的但如果你在不改变手电筒角度的情况下将手向外移动，直到中间从两侧完全照亮，光线就可以反射出去，而不会与对面手电筒的光线发生碰撞。”

由于两个光源对称定位并以相同角度照射掩模，因此平均而言，掩​​模是从正面照射的。这也最大限度地减少了蒙版 3D 效果。

“这就像哥伦布的蛋，”新武教授解释说，“乍一看似乎不可能，但一旦解决了，它就变得非常简单。”

OIST已对该技术申请了专利，预计将通过示范实验投入实际应用。Shintake教授总结道：“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 OIST 创新负责人 Gil Granot-Mayer 表示：“OIST 致力于创造影响人类的尖端科学。这项创新体现了 OIST 探索不可能和提供原创解决方案的精神。

“虽然我们在开发这项技术方面还有很长的路要走，但我们致力于这样做。我们希望这项来自冲绳的技术能够对半导体行业产生变革性影响，并有助于解决能源消耗和脱碳等全球性问题。”