8月7日消息，近日日本冲绳科学技术大学（OIST）的Tsumoru Shintake教授带领的研究团队提出了一项全新、大幅简化的面向极紫外（EUV）光刻机的双反射镜系统。相比传统的至少需要六面反射镜的配置，新的光学投影系统仅使用了两面反射镜，在确保系统维持较高的光学性能的同时，能让EUV光线%的功率到达晶圆，相比传统系统中仅1%的功率来说，提了高到了原来的10倍，可说是一大突破。
换句话来说，全新的光学系统相对原有的系统来说，功耗能够更好的降低到原来1/10！而对于EUV光刻机来说，随着对于光源系统功率要求的大幅度降低，将使得其整套光源系统的体积和成本也将大大的降低，反射镜数量的减少也将带来成本降低，同时光刻机能耗的降低也将使得其运行的电耗成本极大的降低，并显着提设备的可靠性和使用寿命。
目前ASML是全球唯一的EUV光刻机供应商，其先进的EUV光刻机拥有超过10万个零件，涉及到上游5000多家供应商。这些零部件极为复杂，对误差和稳定能力的要求极高，并且这些零件几乎都是定制的，90%零件都采用的是世界上最先进的技术，85%的零部件是和供应链共同研发，甚至一些接口都要工程师用高精度机械进行打磨，尺寸调整次数更可能高达百万次以上。这也使得一台EUV光刻机的售价高达1.5亿美元左右。
从EUV光刻机的结构来看，其内部主要由“照明光学模组”（Illuminator）、“投影光学模组”（Projection optics）、“光罩传输模组”(Reticle Handler)、“光罩平台模组”(Reticle Stage)、“晶圆传送模组”（Wafer Handler）、“晶圆平台模组”（Wafer Stage）及“光源模组”（Soure）这七大模组组成。
其中，“照明光学模组”是EUV最核心的作业模组。这里EUV光线由“光源模组”（Source）生成后，导入“照明光学模组”。过程还一定要进行检测与控制光的能量、均匀度及形状。之后再将EUV光线通过“投影光学模组”传输穿过光罩（掩膜版），再由聚光镜（Project Lens）将影像聚焦成像在晶圆表面的光阻层。
EUV的光源分为两个部分：第一个部分就是通快集团供应的30KW二氧化碳激光器，也称之为“drive laser”，其最大的作用就是提供10600nm波长的高功率激光，用来照射锡（Sn）金属液滴，以产生13.5nm波长的EUV光线。
△通快激光放大器的核心组件——高功率种子模块 (HPSM)。根据官网资料显示，通快集团向ASML供应的二氧化碳激光器拥有457,329个部件，系统内的线千克。
第二部分则是Cymer的工作，其主要承担提供并控制锡金属液滴以每秒50000滴的速度从喷嘴内喷出，并利用通快集团的30KW二氧化碳激光器对每滴锡金属液滴每秒进行两次轰击（即每秒需要10万个激光脉冲），由此产生稳定的13.5nm波长的EUV，然后对光线进行收集，并通过反射镜修正光的前进方向。
△ASML与德国光学公司蔡司（Zeiss）合作，由该蔡司来生产反射镜，以使得EUV光线经过多次反射后能够精准的投射到晶圆上。
由于EUV光线波长非常短，所以它们或非常容易被空气吸收，所以整个EUV光源的工作环境需要被抽成真空。同时，EUV光线也无法被玻璃透镜折射，必须以硅与钼制成的特殊镀膜反射镜，来修正光的前进方向，而且每一次反射可能将会损失约30%能量，而EUV光学照明系统当中有6组反射镜，导致最终到达晶圆的EUV光子理论上只有原来的约1%左右。
据芯智讯向ASML内部人士了解到，目前ASML EUV光刻机的EUV光源功率已经提高到了500W（主要依赖于光源优化，drive laser依然是30kW），也就是说其最终作用到晶圆的功率仅为5W，这相比多年前的250W光源功率所带来的最终工作功率提升了一倍，这也提升了其EUV光刻机的每小时处理晶圆数量的能力。
日本冲绳科学技术大学的Tsumoru Shintake教授在论文中也指出，在传统的光学系统中，如照相机、望远镜和传统的紫外光刻技术，孔径和透镜等光学元件轴对称（对称于中心轴）排列在一条直线上。这种配置确保了最高的光学性能，具有最小的光学像差，以此来实现高质量的图像。然而，这不适用于 EUV光线，因为它们的波长极短，会被大多数材料吸收，这在某种程度上预示着它们不能穿过透明镜片。出于这个原因，EUV 光使用新月形镜子进行定向，这些镜子以锯齿形图案在开放空间中沿光路反射光线（见下图）。然而，由于这种方法会导致光线偏离中心轴，因此它牺牲了重要的光学特性并降低了系统的整体性能。
而Tsumoru Shintake教授提出的面向EUV光学系统的双反射镜解决方案，相比原本的六个反射镜的方案，能让光源效率提升到原来（标准值为1%）的10倍，即EUV光线%的功率到达晶圆。如果维持原有的作用到晶圆的EUV光线功率不变，那么采用新方案后，EUV光源的初始功率则能够更好的降低到原来的1/10，这也将使得整个EUV光刻机的光学系统更简化、更高效、可靠性更高、更低成本。
Tsumoru Shintake教授在论文摘要中介绍称，如果以每小时 100 片晶圆的处理速度计算，如果采用全新的双反射镜系统，将可使得所需的 EUV 光源功率降低至 20 瓦。全新设计的投影物镜可实现 0.2 NA（20 毫米领域）和 0.3 NA（10 毫米领域），可组装成类似于 DUV 投影物镜系统的圆柱型装置，具有非常出色的机械稳定性，且更易于组装/维护。EUV通过位于衍射锥两侧的两个窄圆柱形反射镜引入掩膜版前方，提供平均法向照明，减少光刻掩膜三维效应。简化的照明系统提供对称的四极离轴照明，绕过了中心遮蔽，提高了空间分辨率，还实现了柯勒照明。理论分辨率极限为 24nm（20mm视场），图像缩小系数 ×5，物像距离 (OID) 2000 毫米。使用曲面掩模后，物像距离高度可降低到（OID）1500mm，分辨率为 16nm（10mm视场）。它将适用于移动终端应用的小尺寸芯片生产以及最新的chiplet芯片技术。
△左边是目前使用的行业标准模型。右边是Tsumoru Shintake教授的模型。这项创新技术具有显着更好的稳定性和可维护性，因为它简化了设计，只有两个镜子，只需要20W的光源，从而将系统的总功耗降低到100kW以下，与常常要1MW（=1,000kW，经芯智讯与ASML内部人士确认，现有的EUV光刻机系统没这么高的功耗）以上的传统技术相比，功耗降低了90%。并且新系统保留了非常高的对比度，同时还减少了掩模3D效应，实现了将逻辑图案从光掩模准确转移到硅晶圆所需的纳米精度。
EUV光刻技术的核心是将光掩模图像转移到硅晶圆上的投影仪，它仅由两个反射镜组成，就像天文望远镜一样。“考虑到传统EUV光刻至少需要六个反射镜，我们的双反射镜配置格外的简单。这是通过仔细重新思考光学像差校正理论而实现的。这是经典物理学在量子物理学之前的胜利。”Shintake教授解释说：“该性能已使用光学模拟软件（OpTaliX）进行了验证，并保证足以用来生产先进半导体。”
不过，新的双反射镜光学系统的挑战在于，防止光学像位差，并确保高效率的光传输。对此，需将这些镜子对齐成一条直线，确保系统维持较高的光学性能，不会出现与EUV光线相关的扭曲现象。未解决这样一些问题，Tsumoru Shintake教授通过将两个轴对称镜与一条直线上的微小中心孔对准，实现了其卓越的光学性能。
△为了避开中心遮挡并提高空间分辨率，EUV 光通过位于衍射光锥两侧的两个窄圆柱形反射镜引入掩膜前方。这提供了均匀化照明光场，减少了掩膜三维效应。简化的照明系统提供了对称的四极离轴照明，绕过了中心遮挡，提高了空间分辨率，还实现了柯勒照明。为避免圆柱镜的阻挡衍射，Tsumoru Shintake教授引入了通过设计一种新的照明光学方法解决了这样的一个问题，该方法被称为“双线场”。该方法在不干扰光路的情况下，用EUV光从正面照射平面镜面的光罩。
Tsumoru Shintake教授解释说：“如果你拿着两个手电筒，每只手拿着一个手电筒，并将它们以相同的角度对准你面前的镜子，那么一个手电筒的光线总是会照射到对面的手电筒上，这在光刻中是不可接受的。但是，如果你在不改变手电筒的角度的情况下向外移动手，直到中间从两侧完全照亮，光线就可以被反射而不会与对面手电筒的光线碰撞。由于两个光源对称放置并以相同角度照亮光罩，因此平均而言，光罩是从正面照亮的。这也最大限度地减少了掩膜三维效应。这就像哥伦布的蛋，”“因为乍一看似乎不可能，但一旦解决了，它就变得很简单。”
据介绍，目前日本冲绳科学技术大学已经就该技术提交了专利申请，并有望通过示范实验投入实际应用。“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。”Tsumoru Shintake教授总结道。
日本冲绳科学技术大学执行副总裁兼 OIST 创新负责人 Gil Granot-Mayer 表示：“OIST 致力于创造能够影响人类的尖端科学。这项创新体现了OIST的精神，即探索不可能的事情并提供原创的解决方案。尽管我们在开发这项技术方面还有非常长的路要走，但我们致力于这样做。我们大家都希望这项来自冲绳的技术将对半导体行业产生变革性影响，并帮助解决能源消耗和脱碳等全球问题。
如果Tsumoru Shintake教授的面向EUV光刻的双反射镜系统解决方案能够商用，将有望帮助现有的EUV光刻机的EUV光源系统的功率降低90%。比如现在ASML EUV光刻机的EUV光源功率为500W，那么采用新的接近方案后，只需要50W的EUV光源即可达到现有的作用于晶圆的EUV光线的功率要求。这也代表着为了产生足够高功率EUV光源的“drive laser”也就无需功率高达30KW二氧化碳激光器，这将极大的降低光源系统的功耗，同样配套的散热、冷却水需求也将会大幅度降低。
而且，该解决方案还能够使得目前EUV光刻机的“照明光学模组”和“投影光学模组”更为简化，不仅所需的零部件数量更少（反射镜减少、二氧化碳激光器要求降低、配套散热系统要求降低），体积和重量也将会更小。比如前面提到的，通快集团向ASML EUV光刻机供应的30KW二氧化碳激光器，光零部件就有457,329个，重量更是达到了17,090千克，如果采用功率更低的二氧化碳激光器，无疑将会大幅降低零部件的数量、体积与重量。
总结来看，新的解决方案若能够商用，不但可以大幅度降低EUV光刻机的功耗和综合成本，同时随着总系统的复杂度的降低，稳定性将得到提升，制造难度和制造流程也都有望缩短。零部件减少和光源系统的简化也将使得整体的体积和重量大幅度减少，这也将使得EUV光刻机的发货、运输及安装更为简便。
当然，目前Tsumoru Shintake教授提出的这项技术方案还是处于理论研究阶段，不过其确实有计划通过示范实验投入实际应用，但最终能不能成功商用依然是未知之数。
