近日,日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)(OIST)的Tsumoru Shintake教授帶領(lǐng)的研究團隊提出了一項全新、大幅簡化的面向極紫外(EUV)光刻機的雙反射鏡系統(tǒng),。相比傳統(tǒng)的至少需要六面反射鏡的配置,,新的光學(xué)投影系統(tǒng)僅使用了兩面反射鏡,,在確保系統(tǒng)維持較高的光學(xué)性能的同時,,能讓EUV光線以超過初始值10%的功率到達晶圓,相比傳統(tǒng)系統(tǒng)中僅1%的功率來說,,提了高到了原來的10倍,,可說是一大突破。
換句話來說,全新的光學(xué)系統(tǒng)相對原有的系統(tǒng)來說,,功耗可以降低到原來1/10,!而對于EUV光刻機來說,隨著對于光源系統(tǒng)功率要求的大幅降低,,將使得其整套光源系統(tǒng)的體積和成本也將大大的降低,,反射鏡數(shù)量的減少也將帶來成本降低,同時光刻機能耗的降低也將使得其運行的電耗成本極大的降低,,并顯著提設(shè)備的可靠性和使用壽命,。
ASML EUV光刻機的光源與投影系統(tǒng)解析
目前ASML是全球唯一的EUV光刻機供應(yīng)商,其先進的EUV光刻機擁有超過10萬個零件,,涉及到上游5000多家供應(yīng)商,。這些零部件極為復(fù)雜,對誤差和穩(wěn)定性的要求極高,,并且這些零件幾乎都是定制的,,90%零件都采用的是世界上最先進技術(shù),85%的零部件是和供應(yīng)鏈共同研發(fā),,甚至一些接口都要工程師用高精度機械進行打磨,,尺寸調(diào)整次數(shù)更可能高達百萬次以上,。這也使得一臺EUV光刻機的售價高達1.5億美元左右,。
從EUV光刻機的結(jié)構(gòu)來看,其內(nèi)部主要由“照明光學(xué)模組”(Illuminator),、“投影光學(xué)模組”(Projection optics),、“光罩傳輸模組”(Reticle Handler)、“光罩平臺模組”(Reticle Stage),、“晶圓傳送模組”(Wafer Handler),、“晶圓平臺模組”(Wafer Stage)及“光源模組”(Soure)這七大模組組成。
△ASML EUV光刻機七大模塊
其中,,“照明光學(xué)模組”是EUV最核心的作業(yè)模組,。這里EUV光線由“光源模組”(Source)生成后,導(dǎo)入“照明光學(xué)模組”,。過程還必須進行檢測與控制光的能量,、均勻度及形狀。之后再將EUV光線通過“投影光學(xué)模組”傳輸穿過光罩(掩膜版),,再由聚光鏡(Project Lens)將影像聚焦成像在晶圓表面的光阻層,。
EUV的光源分為兩個部分:第一個部分就是通快集團供應(yīng)的30KW二氧化碳激光器,也稱之為“drive laser”,,其主要作用就是提供10600nm波長的高功率激光,,用來照射錫(Sn)金屬液滴,以產(chǎn)生13.5nm波長的EUV光線。
△通快激光放大器的核心組件——高功率種子模塊 (HPSM),。根據(jù)官網(wǎng)資料顯示,,通快集團向ASML供應(yīng)的二氧化碳激光器擁有457,329個部件,系統(tǒng)內(nèi)的線纜長度高達7,322米,,重量更是達到了17,090千克,。
第二部分則是Cymer的工作,其主要承擔提供并控制錫金屬液滴以每秒50000滴的速度從噴嘴內(nèi)噴出,,并利用通快集團的30KW二氧化碳激光器對每滴錫金屬液滴每秒進行兩次轟擊(即每秒需要10萬個激光脈沖),,從而產(chǎn)生穩(wěn)定的13.5nm波長的EUV,然后對光線進行收集,,并通過反射鏡修正光的前進方向,。
△ASML與德國光學(xué)公司蔡司(Zeiss)合作,由該蔡司來生產(chǎn)反射鏡,,以使得EUV光線經(jīng)過多次反射后能夠精準的投射到晶圓上,。
由于EUV光線波長非常短,所以它們會很容易被空氣吸收,,所以整個EUV光源的工作環(huán)境需要被抽成真空,。同時,EUV光線也無法被玻璃透鏡折射,,必須以硅與鉬制成的特殊鍍膜反射鏡,,來修正光的前進方向,而且每一次反射可能將會損失約30%能量,,而EUV光學(xué)照明系統(tǒng)當中有6組反射鏡,,導(dǎo)致最終到達晶圓光阻層的EUV光子理論上只有原來的約1%左右。
據(jù)芯智訊向ASML內(nèi)部人士了解到,,目前ASML EUV光刻機的EUV光源功率已經(jīng)提高到了500W(主要依賴于光源優(yōu)化,,drive laser依然是30kW),也就是說其最終作用到晶圓光阻層的功率僅為5W,,這相比多年前的250W光源功率所帶來的最終工作功率提升了一倍,,這也提升了其EUV光刻機的每小時處理晶圓數(shù)量的能力。
日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)全新光學(xué)投影系統(tǒng)
日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)的Tsumoru Shintake教授在論文中也指出,,在傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)中,,如照相機、望遠鏡和傳統(tǒng)的紫外光刻技術(shù),,孔徑和透鏡等光學(xué)元件軸對稱(對稱于中心軸)排列在一條直線上,。這種配置確保了最高的光學(xué)性能,具有最小的光學(xué)像差,,從而實現(xiàn)高質(zhì)量的圖像,。然而,這不適用于 EUV光線,因為它們的波長極短,,會被大多數(shù)材料吸收,,這意味著它們不能穿過透明鏡片。出于這個原因,,EUV 光使用新月形鏡子進行定向,,這些鏡子以鋸齒形圖案在開放空間中沿光路反射光線(見下圖)。然而,,由于這種方法會導(dǎo)致光線偏離中心軸,,因此它犧牲了重要的光學(xué)特性并降低了系統(tǒng)的整體性能。
而Tsumoru Shintake教授提出的面向EUV光學(xué)系統(tǒng)的雙反射鏡解決方案,,相比原本的六個反射鏡的方案,,能讓光源效率提升到原來(標準值為1%)的10倍,即EUV光線能夠以超過初始值10%的功率到達晶圓光阻層,。如果維持原有的作用到晶圓光阻層的EUV光線功率不變,,那么采用新方案后,EUV光源的初始功率則可以降低到原來的1/10,,這也將使得整個EUV光刻機的光學(xué)系統(tǒng)更簡化,、更高效、可靠性更高,、更低成本,。
Tsumoru Shintake教授在論文摘要中介紹稱,如果以每小時 100 片晶圓的處理速度計算,,如果采用全新的雙反射鏡系統(tǒng),,將可使得所需的 EUV 光源功率降低至 20 瓦,。全新設(shè)計的投影物鏡可實現(xiàn) 0.2 NA(20 毫米領(lǐng)域)和 0.3 NA(10 毫米領(lǐng)域),,可組裝成類似于 DUV 投影物鏡系統(tǒng)的圓柱型裝置,具有出色的機械穩(wěn)定性,,且更易于組裝/維護,。EUV通過位于衍射錐兩側(cè)的兩個窄圓柱形反射鏡引入掩膜版前方,提供平均法向照明,,減少光刻掩膜三維效應(yīng),。簡化的照明系統(tǒng)提供對稱的四極離軸照明,繞過了中心遮蔽,,提高了空間分辨率,,還實現(xiàn)了柯勒照明。理論分辨率極限為 24nm(20mm視場),,圖像縮小系數(shù) ×5,,物像距離 (OID) 2000 毫米。使用曲面掩模后,物像距離高度可降低到(OID)1500mm,,分辨率為 16nm(10mm視場),。它將適用于移動終端應(yīng)用的小尺寸芯片生產(chǎn)以及最新的chiplet芯片技術(shù)。
△左邊是目前使用的行業(yè)標準模型,。右邊是Tsumoru Shintake教授的模型,。這項創(chuàng)新技術(shù)具有顯著更好的穩(wěn)定性和可維護性,因為它簡化了設(shè)計,,只有兩個鏡子,,只需要20W的光源,從而將系統(tǒng)的總功耗降低到100kW以下,,與通常需要1MW(=1,000kW,,經(jīng)與ASML內(nèi)部人士確認,現(xiàn)有的EUV光刻機系統(tǒng)沒有這么高的功耗)以上的傳統(tǒng)技術(shù)相比,,功耗降低了90%,。并且新系統(tǒng)保留了非常高的對比度,同時還減少了掩模3D效應(yīng),,實現(xiàn)了將邏輯圖案從光掩模準確轉(zhuǎn)移到硅晶圓所需的納米精度,。
EUV光刻技術(shù)的核心是將光掩模圖像轉(zhuǎn)移到硅晶圓上的投影儀,它僅由兩個反射鏡組成,,就像天文望遠鏡一樣,。“考慮到傳統(tǒng)EUV光刻至少需要六個反射鏡,,我們的雙反射鏡配置非常簡單,。這是通過仔細重新思考光學(xué)像差校正理論而實現(xiàn)的。這是經(jīng)典物理學(xué)在量子物理學(xué)之前的勝利,?!盨hintake教授解釋說:“該性能已使用光學(xué)模擬軟件(OpTaliX)進行了驗證,并保證足以用于生產(chǎn)先進半導(dǎo)體,?!?/p>
不過,新的雙反射鏡光學(xué)系統(tǒng)的挑戰(zhàn)在于,,防止光學(xué)像位差,,并確保高效率的光傳輸。對此,,需將這些鏡子對齊成一條直線,,確保系統(tǒng)維持較高的光學(xué)性能,不會出現(xiàn)與EUV光線相關(guān)的扭曲現(xiàn)象,。為了解決這些問題,,Tsumoru Shintake教授通過將兩個軸對稱鏡與一條直線上的微小中心孔對準,,實現(xiàn)了其卓越的光學(xué)性能。
△為了避開中心遮擋并提高空間分辨率,,EUV 光通過位于衍射光錐兩側(cè)的兩個窄圓柱形反射鏡引入掩膜前方,。這提供了均勻化照明光場,減少了掩膜三維效應(yīng),。簡化的照明系統(tǒng)提供了對稱的四極離軸照明,,繞過了中心遮擋,提高了空間分辨率,,還實現(xiàn)了柯勒照明,。為避免圓柱鏡的阻擋衍射,Tsumoru Shintake教授引入了通過設(shè)計一種新的照明光學(xué)方法解決了這個問題,,該方法被稱為“雙線場”,。該方法在不干擾光路的情況下,用EUV光從正面照射平面鏡面的光罩,。
Tsumoru Shintake教授解釋說:“如果你拿著兩個手電筒,,每只手拿著一個手電筒,并將它們以相同的角度對準你面前的鏡子,,那么一個手電筒的光線總是會照射到對面的手電筒上,,這在光刻中是不可接受的。但是,,如果你在不改變手電筒的角度的情況下向外移動手,,直到中間從兩側(cè)完全照亮,光線就可以被反射而不會與對面手電筒的光線碰撞,。由于兩個光源對稱放置并以相同角度照亮光罩,,因此平均而言,光罩是從正面照亮的,。這也最大限度地減少了掩膜三維效應(yīng),。這就像哥倫布的蛋,”“因為乍一看似乎不可能,,但一旦解決了,,它就變得非常簡單?!?/p>
據(jù)介紹,目前日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)已經(jīng)就該技術(shù)提交了專利申請,,并有望通過示范實驗投入實際應(yīng)用,。“全球EUV光刻市場預(yù)計將從2024年的89億美元增長到2030年的174億美元,,年均增長率約為12%,。這項專利有可能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益,。”Tsumoru Shintake教授總結(jié)道,。
日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)執(zhí)行副總裁兼 OIST 創(chuàng)新負責(zé)人 Gil Granot-Mayer 表示:“OIST 致力于創(chuàng)造能夠影響人類的尖端科學(xué),。這項創(chuàng)新體現(xiàn)了OIST的精神,即探索不可能的事情并提供原創(chuàng)的解決方案,。盡管我們在開發(fā)這項技術(shù)方面還有很長的路要走,,但我們致力于這樣做。我們希望這項來自沖繩的技術(shù)將對半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)生變革性影響,,并幫助解決能源消耗和脫碳等全球問題,。
小結(jié):
如果Tsumoru Shintake教授的面向EUV光刻的雙反射鏡系統(tǒng)解決方案能夠商用,將有望幫助現(xiàn)有的EUV光刻機的EUV光源系統(tǒng)的功率降低90%,。比如現(xiàn)在ASML EUV光刻機的EUV光源功率為500W,,那么采用新的接近方案后,只需要50W的EUV光源即可達到現(xiàn)有的作用于晶圓的EUV光線的功率要求,。這也意味著為了產(chǎn)生足夠高功率EUV光源的“drive laser”也就無需功率高達30KW二氧化碳激光器,,這將極大的降低光源系統(tǒng)的功耗,同樣配套的散熱,、冷卻水需求也將會大幅降低,。
而且,該解決方案還能夠使得目前EUV光刻機的“照明光學(xué)模組”和“投影光學(xué)模組”更為簡化,,不僅所需的零部件數(shù)量更少(反射鏡減少,、二氧化碳激光器要求降低、配套散熱系統(tǒng)要求降低),,體積和重量也將會更小,。比如前面提到的,通快集團向ASML EUV光刻機供應(yīng)的30KW二氧化碳激光器,,光零部件就有457,329個,,重量更是達到了17,090千克,如果采用功率更低的二氧化碳激光器,,無疑將會大幅降低零部件的數(shù)量,、體積與重量。
總結(jié)來看,,新的解決方案如果能夠商用,,不僅可以大幅降低EUV光刻機的功耗和綜合成本,同時隨著整個系統(tǒng)的復(fù)雜度的降低,,穩(wěn)定性將得到提升,,制造難度和制造流程也都有望縮短。零部件減少和光源系統(tǒng)的簡化也將使得整體的體積和重量大幅減少,,這也將使得EUV光刻機的發(fā)貨,、運輸及安裝更為簡便,。
當然,目前Tsumoru Shintake教授提出的這項技術(shù)方案還是處于理論研究階段,,不過其確實有計劃通過示范實驗投入實際應(yīng)用,,但最終能否成功商用依然是未知之數(shù)。