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新型光刻技术，可以创建更密集的电路图案

2024-8-23 11:58| 发布者: bicq| 查看: 5921| 评论: 0

摘要: 相比之下，通过将从 EUV 源到晶圆的镜子总数限制为四个，超过 10% 的能量可以传递，这意味着即使是输出几十瓦的小 EUV 源也可以同样有效工作，这可以显著降低电力使用。

【消费电子实验室-2024/8/23】保罗谢勒研究所 (PSI) 的研究人员开发了一种光刻技术，可以创建更密集的电路图案。目前最先进的微芯片具有相隔 12 纳米的导电轨道。当前的工作使轨道间距仅为 5 纳米。

在光刻工艺中，薄硅片（晶圆）表面覆盖一层感光材料（光刻胶）。随后，晶圆被置于与微芯片设计相匹配的光照下，该过程改变光刻胶的化学特性，区分出易溶与难溶区域。依据正片或负片工艺，通过后续处理移除相应区域的光刻胶。最终，晶圆上留下导电路径，构成预定的电路布局。自 2019 年以来，制造商一直在大规模生产中使用波长为 13.5 nm 的极紫外 (EUV) 光，从而可以光刻小至 10 nm 及以下的结构。在由 X 射线纳米科学与技术实验室的 PSI 研究人员 Iason Giannopoulos、Yasin Ekinci 和 Dimitrios Kazazis 领导的实验中，该团队使用瑞士光源 (SLS) 的辐射进行研究，并根据行业标准将其调整为 13.5 nm。

然而，PSI 研究人员通过间接而非直接曝光样品扩展了传统的 EUV 光刻技术。在 EUV镜面干涉光刻 (MIL) 中，两束相互相干的光束被两个相同的镜子反射到晶圆上。然后，光束产生干涉图案，其周期取决于入射角和光的波长。该小组能够在一次曝光中实现 5 纳米的分辨率，即轨道间距。在电子显微镜下观察，发现导电轨道具有高对比度和锐利的边缘。“我们的结果表明，EUV 光刻可以产生极高的分辨率，这表明目前还没有根本的限制，”Kazazis 说。“这真的令人兴奋，因为它扩展了我们认为可能的范围，也可以为 EUV 光刻和光刻胶材料领域的研究开辟新的途径。”

尽管这项研究展示了可能性，但由于速度慢，该方法对工业芯片生产并不具有吸引力。此外，该方法只能生产简单和周期性的结构，而不是设计好的芯片。然而，该方法确实为未来芯片生产所需的光刻胶的早期开发提供了一种途径，其分辨率目前业界尚无法实现。该团队计划继续他们的研究，预计 2025 年底将推出 SLS 上的新型 EUV 工具，这将为这项研究提供支持。新工具与目前正在升级的升级版 SLS 2.0 相结合，预计将提供大幅提升的性能和功能。

当前，业界正通过多种途径努力推进光刻技术的突破。科研人员正致力于优化光刻胶材料、改进光源系统，以及提升制造过程中的精确度和效率。他们不断实验新技术、新材料，以期在保持成本效益的同时，提升光刻的分辨率和稳定性。

近日，冲绳科学技术大学院大学（OIST）的教授新竹俊（Tsumoru Shintake）也提出了一种极紫外（EUV）光刻技术。基于这种设计的 EUV 光刻技术可以使用更小的 EUV 光源工作，从而降低成本，显著提高机器的可靠性和使用寿命。而在消耗电量上不到传统 EUV 光刻机的十分之一，有助于半导体行业变得更加环境可持续。

据了解，该技术能取得突破，是因为它解决了该领域之前被认为无法克服的两个问题。第一个是仅由两个镜子组成的新型光学投影系统。第二个是高效地将 EUV 光直接照射到平面镜（光掩模）上的逻辑图案上的新方法，而不会阻挡光学路径。

制造用于人工智能（AI）、移动设备（如手机）的低功耗芯片，以及日常必需的高密度 DRAM 存储器的先进半导体芯片，都依赖于 EUV 光刻技术。但是，半导体生产面临的挑战包括高功耗和设备的复杂性，这显著增加了安装、维护和电力消耗的成本。正如新竹教授所说，“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。”

传统的光学系统，如相机、望远镜和常规的紫外线光刻，其光学元件（如光圈和镜头）是沿中心轴轴对称排列的，这确保了最高的光学性能和最小化的光学像差。然而，这并不适用于 EUV 射线，因为它们波长极短，被大多数材料吸收，无法通过透明镜头传播。因此，EUV 光是通过新月形的镜子反射的，这些镜子沿光路在开放空间中以之字形反射光线。但是，这种方法使光线偏离中心轴，牺牲了重要的光学特性，降低了系统的整体性能。

这项新技术通过将两个具有微小中心孔的轴对称镜子对齐成一直线，实现了优越的光学特性。

由于 EUV 光的高吸收性，每次通过镜子反射时能量会减弱 40%。在行业标准中，只有大约 1% 的 EUV 光源能量通过使用的 10 个镜子到达晶圆，这意味着需要非常高的 EUV 光源输出。相比之下，通过将从 EUV 源到晶圆的镜子总数限制为四个，超过 10% 的能量可以传递，这意味着即使是输出几十瓦的小 EUV 源也可以同样有效工作，这可以显著降低电力使用。

EUV 光刻的核心投影仪，将光掩模上的图像转移到硅晶圆上，只由两个反射镜子组成，类似于天文望远镜。这种配置非常简单，因为传统投影仪至少需要六个反射镜子。这是通过仔细重新思考光学的像差校正理论实现的。

新竹俊教授通过设计一种名为“双线场”的新照明光学方法解决了问题，该方法从正面照射 EUV 光到平面镜光掩模上，而不干扰光路。冲绳科学技术大学院大学已经为这项技术申请了专利，预计将通过演示实验投入实际使用。预计全球 EUV 光刻市场将从 2024 年的 89 亿美元增长到 2030 年的 174 亿美元，年均增长率 12%，而这项专利有望产生巨大的经济效益。