【消費電子實驗室-2024/8/23】保羅謝勒研究所 (PSI) 的研究人員開發了一種光刻技術，可以創建更密集的電路圖案。目前最先進的微芯片具有相隔 12 納米的導電軌道。當前的工作使軌道間距僅為 5 納米。
在光刻工藝中，薄硅片（晶圓）表面覆蓋一層感光材料（光刻膠）。隨后，晶圓被置于與微芯片設計相匹配的光照下，該過程改變光刻膠的化學特性，區分出易溶與難溶區域。依據正片或負片工藝，通過后續處理移除相應區域的光刻膠。最終，晶圓上留下導電路徑，構成預定的電路布局。自 2019 年以來，制造商一直在大規模生產中使用波長為 13.5 nm 的極紫外 (EUV) 光，從而可以光刻小至 10 nm 及以下的結構。在由 X 射線納米科學與技術實驗室的 PSI 研究人員 Iason Giannopoulos、Yasin Ekinci 和 Dimitrios Kazazis 領導的實驗中，該團隊使用瑞士光源 (SLS) 的輻射進行研究，并根據行業標準將其調整為 13.5 nm。 然而，PSI 研究人員通過間接而非直接曝光樣品擴展了傳統的 EUV 光刻技術。在 EUV鏡面 干涉光刻 (MIL) 中，兩束相互相干的光束被兩個相同的鏡子反射到晶圓上。然后，光束產生干涉圖案，其周期取決于入射角和光的波長。該小組能夠在一次曝光中實現 5 納米的分辨率，即軌道間距。在電子顯微鏡下觀察，發現導電軌道具有高對比度和銳利的邊緣。“我們的結果表明，EUV 光刻可以產生極高的分辨率，這表明目前還沒有根本的限制，”Kazazis 說。“這真的令人興奮，因為它擴展了我們認為可能的范圍，也可以為 EUV 光刻和光刻膠材料領域的研究開辟新的途徑。” 盡管這項研究展示了可能性，但由于速度慢，該方法對工業芯片生產并不具有吸引力。此外，該方法只能生產簡單和周期性的結構，而不是設計好的芯片。然而，該方法確實為未來芯片生產所需的光刻膠的早期開發提供了一種途徑，其分辨率目前業界尚無法實現。該團隊計劃繼續他們的研究，預計 2025 年底將推出 SLS 上的新型 EUV 工具，這將為這項研究提供支持。新工具與目前正在升級的升級版 SLS 2.0 相結合，預計將提供大幅提升的性能和功能。 當前，業界正通過多種途徑努力推進光刻技術的突破。科研人員正致力于優化光刻膠材料、改進光源系統，以及提升制造過程中的精確度和效率。他們不斷實驗新技術、新材料，以期在保持成本效益的同時，提升光刻的分辨率和穩定性。 近日，沖繩科學技術大學院大學（OIST）的教授新竹俊（Tsumoru Shintake）也提出了一種極紫外（EUV）光刻技術。基于這種設計的 EUV 光刻技術可以使用更小的 EUV 光源工作，從而降低成本，顯著提高機器的可靠性和使用壽命。而在消耗電量上不到傳統 EUV 光刻機的十分之一，有助于半導體行業變得更加環境可持續。 據了解，該技術能取得突破，是因為它解決了該領域之前被認為無法克服的兩個問題。第一個是僅由兩個鏡子組成的新型光學投影系統。第二個是高效地將 EUV 光直接照射到平面鏡（光掩模）上的邏輯圖案上的新方法，而不會阻擋光學路徑。 制造用于人工智能（AI）、移動設備（如手機）的低功耗芯片，以及日常必需的高密度 DRAM 存儲器的先進半導體芯片，都依賴于 EUV 光刻技術。但是，半導體生產面臨的挑戰包括高功耗和設備的復雜性，這顯著增加了安裝、維護和電力消耗的成本。正如新竹教授所說，“這項發明是一項突破性技術，幾乎可以完全解決這些鮮為人知的問題。” 傳統的光學系統，如相機、望遠鏡和常規的紫外線光刻，其光學元件（如光圈和鏡頭）是沿中心軸軸對稱排列的，這確保了最高的光學性能和最小化的光學像差。然而，這并不適用于 EUV 射線，因為它們波長極短，被大多數材料吸收，無法通過透明鏡頭傳播。因此，EUV 光是通過新月形的鏡子反射的，這些鏡子沿光路在開放空間中以之字形反射光線。但是，這種方法使光線偏離中心軸，犧牲了重要的光學特性，降低了系統的整體性能。 這項新技術通過將兩個具有微小中心孔的軸對稱鏡子對齊成一直線，實現了優越的光學特性。 由于 EUV 光的高吸收性，每次通過鏡子反射時能量會減弱 40%。在行業標準中，只有大約 1% 的 EUV 光源能量通過使用的 10 個鏡子到達晶圓，這意味著需要非常高的 EUV 光源輸出。相比之下，通過將從 EUV 源到晶圓的鏡子總數限制為四個，超過 10% 的能量可以傳遞，這意味著即使是輸出幾十瓦的小 EUV 源也可以同樣有效工作，這可以顯著降低電力使用。 EUV 光刻的核心投影儀，將光掩模上的圖像轉移到硅晶圓上，只由兩個反射鏡子組成，類似于天文望遠鏡。這種配置非常簡單，因為傳統投影儀至少需要六個反射鏡子。這是通過仔細重新思考光學的像差校正理論實現的。 新竹俊教授通過設計一種名為“雙線場”的新照明光學方法解決了問題，該方法從正面照射 EUV 光到平面鏡光掩模上，而不干擾光路。沖繩科學技術大學院大學已經為這項技術申請了專利，預計將通過演示實驗投入實際使用。預計全球 EUV 光刻市場將從 2024 年的 89 億美元增長到 2030 年的 174 億美元，年均增長率 12%，而這項專利有望產生巨大的經濟效益。 |
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