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光线以超过初始值10%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，功耗可以降低到原来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。
ASML EUV光刻机的光学系统解析
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，对误差和稳定性的要求极高，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。
△ASML EUV光刻机七大模块
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”。过程还必须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”，其主要作用就是提供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，系统内的线缆长度高达7,322米，重量更是达到了17,090千克。
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），从而产生稳定的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，所以它们会很容易被空气吸收，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。
全新EUV双反射镜系统解决方案
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，从而实现高质量的图像。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，这意味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光线能够以超过初始值10%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光源的初始功率则可以降低到原来的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，与通常需要1MW（=1,000kW，经芯智讯与ASML内部人士确认，现有的EUV光刻机系统没有这么高的功耗）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非常简单。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，并保证足以用于生产先进半导体。”
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。为了解决这些问题，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，它就变得非常简单。”
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很长的路要走，但我们致力于这样做。我们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。
小结：
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。这也意味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，新的解决方案如果能够商用，不仅可以大幅降低EUV光刻机的功耗和综合成本，同时随着整个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，但最终能否成功商用依然是未知之数。
编辑：芯智讯-浪客剑
论文地址：https://arxiv.org/pdf/2405.11717
