【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(fā)了一種光刻技術(shù)，可以創(chuàng)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(dǎo)電軌道。當(dāng)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(shè)計相匹配的光照下，該過程改變光刻膠的化學(xué)特性，區(qū)分出易溶與難溶區(qū)域。依據(jù)正片或負片工藝，通過后續(xù)處理移除相應(yīng)區(qū)域的光刻膠。最終，晶圓上留下導(dǎo)電路徑，構(gòu)成預(yù)定的電路布局。自 2019 年以來，制造商一直在大規(guī)模生產(chǎn)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(jié)構(gòu)。在由 X 射線納米科學(xué)與技術(shù)實驗室的 PSI 研究人員 Iason Giannopoulos、Yasin Ekinci 和 Dimitrios Kazazis 領(lǐng)導(dǎo)的實驗中，該團隊使用瑞士光源 (SLS) 的輻射進行研究，并根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將其調(diào)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(tǒng)的 EUV 光刻技術(shù)。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(chǎn)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(xiàn) 5 納米的分辨率，即軌道間距。在電子顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電軌道具有高對比度和銳利的邊緣。“我們的結(jié)果表明，EUV 光刻可以產(chǎn)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(lǐng)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(yè)芯片生產(chǎn)并不具有吸引力。此外，該方法只能生產(chǎn)簡單和周期性的結(jié)構(gòu)，而不是設(shè)計好的芯片。然而，該方法確實為未來芯片生產(chǎn)所需的光刻膠的早期開發(fā)提供了一種途徑，其分辨率目前業(yè)界尚無法實現(xiàn)。該團隊計劃繼續(xù)他們的研究，預(yù)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(jié)合，預(yù)計將提供大幅提升的性能和功能。 當(dāng)前，業(yè)界正通過多種途徑努力推進光刻技術(shù)的突破。科研人員正致力于優(yōu)化光刻膠材料、改進光源系統(tǒng)，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(shù)、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(wěn)定性。 近日，沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（OIST）的教授新竹俊（Tsumoru Shintake）也提出了一種極紫外（EUV）光刻技術(shù)。基于這種設(shè)計的 EUV 光刻技術(shù)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(tǒng) EUV 光刻機的十分之一，有助于半導(dǎo)體行業(yè)變得更加環(huán)境可持續(xù)。 據(jù)了解，該技術(shù)能取得突破，是因為它解決了該領(lǐng)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(xué)投影系統(tǒng)。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(xué)路徑。 制造用于人工智能（AI）、移動設(shè)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(dǎo)體芯片，都依賴于 EUV 光刻技術(shù)。但是，半導(dǎo)體生產(chǎn)面臨的挑戰(zhàn)包括高功耗和設(shè)備的復(fù)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(fā)明是一項突破性技術(shù)，幾乎可以完全解決這些鮮為人知的問題。” 傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)，如相機、望遠鏡和常規(guī)的紫外線光刻，其光學(xué)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(xué)性能和最小化的光學(xué)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(shù)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(xué)特性，降低了系統(tǒng)的整體性能。 這項新技術(shù)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(xiàn)了優(yōu)越的光學(xué)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(zhuǎn)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(tǒng)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(xué)的像差校正理論實現(xiàn)的。 新竹俊教授通過設(shè)計一種名為“雙線場”的新照明光學(xué)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(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)已經(jīng)為這項技術(shù)申請了專利，預(yù)計將通過演示實驗投入實際使用。預(yù)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(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。 |
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