Onlangs heeft professor Tsumoru Shintake van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) een revolutionaire lithografietechnologie voor extreem ultraviolet (EUV) voorgesteld. Deze technologie overstijgt niet alleen de grenzen van de bestaande halfgeleiderproductie, maar luidt ook een nieuw hoofdstuk in de toekomst van de industrie in.
Deze innovatie verbetert de stabiliteit en onderhoudbaarheid aanzienlijk omdat het vereenvoudigde ontwerp slechts twee spiegels en een lichtbron van slechts 20 W vereist, waardoor het totale stroomverbruik van het systeem wordt teruggebracht tot minder dan 100 kW, wat slechts een tiende is van het stroomverbruik van traditionele technologieën (die doorgaans meer dan 1 MW (=1000 kW) nodig hebben om te werken). Het nieuwe systeem behoudt een zeer hoog contrast terwijl het masker-3D-effect wordt verminderd, waardoor de precisie op nanometerniveau wordt bereikt die vereist is voor nauwkeurige overdracht van logische patronen van fotomaskers naar siliciumwafers.
De kern van deze innovatie is het gebruik van een compactere en efficiëntere EUV-lichtbron, die de kosten aanzienlijk verlaagt en tegelijkertijd de betrouwbaarheid en levensduur van de apparatuur aanzienlijk verbetert. Bijzonder opvallend is dat het stroomverbruik slechts een tiende is van dat van traditionele EUV-lithografiemachines, wat de weg vrijmaakt voor groene en duurzame ontwikkeling in de halfgeleiderindustrie.
De sleutel tot deze technologische doorbraak ligt in het oplossen van twee problemen die de industrie al lang teisteren: ten eerste het ontwerp van een minimalistisch en efficiënt optisch projectiesysteem dat bestaat uit slechts twee zorgvuldig geconfigureerde spiegels; ten tweede de ontwikkeling van een nieuwe methode die EUV-licht nauwkeurig en zonder obstakels naar het logische patroongebied op de vlakke spiegel (fotomasker) kan leiden, waardoor een ongekende optische padoptimalisatie wordt bereikt.
Uitdagingen van EUV-lithografie
Processoren die kunstmatige intelligentie (AI) mogelijk maken, energiezuinige chips voor mobiele apparaten zoals mobiele telefoons en chips voor DRAM-geheugen met hoge dichtheid: al deze geavanceerde halfgeleiderchips worden geproduceerd met behulp van EUV-lithografie.
De productie van halfgeleiders kampt echter met problemen van hoog stroomverbruik en apparatuurcomplexiteit, wat de kosten van installatie, onderhoud en elektriciteitsverbruik enorm verhoogt. De technologische uitvinding van professor Tsumoru Shintake is een direct antwoord op deze uitdaging en hij noemt het een baanbrekende prestatie die "deze verborgen problemen bijna volledig oplost."
Traditionele optische systemen vertrouwen op de symmetrische opstelling van lenzen en openingen om optimale prestaties te bereiken, maar de speciale kenmerken van EUV-licht - extreem korte golflengte en gemakkelijke absorptie door materialen - maken dit model niet langer toepasbaar. EUV-licht moet worden gereflecteerd door een halvemaanspiegel en zigzagt in een open ruimte, wat ten koste gaat van de optische prestaties. De nieuwe technologie van OIST, via een axiaal symmetrisch dubbelspiegelsysteem dat in een rechte lijn is gerangschikt, herstelt niet alleen uitstekende optische prestaties, maar vereenvoudigt ook de systeemstructuur aanzienlijk.
Aanzienlijke vermindering van het stroomverbruik
Omdat EUV-energie bij elke spiegelreflectie met 40% wordt verzwakt, bereikt volgens de industriestandaard slechts ongeveer 1% van de EUV-lichtbronenergie de wafer via de 10 gebruikte spiegels, wat betekent dat er een zeer hoge EUV-lichtopbrengst nodig is. Om aan deze vraag te voldoen, heeft de CO2-laser die de EUV-lichtbron aandrijft veel elektriciteit nodig, evenals veel koelwater.
Daarentegen kan door het aantal spiegels te beperken tot in totaal slechts vier van de EUV-lichtbron naar de wafer, meer dan 10% van de energie worden overgedragen, wat betekent dat zelfs een kleine EUV-lichtbron van tientallen watt effectief kan werken. Dit kan het stroomverbruik aanzienlijk verminderen.
Het overwinnen van twee grote uitdagingen
Vergeleken met de bestaande industrienormen heeft het OIST-model aanzienlijke voordelen laten zien met zijn gestroomlijnde ontwerp (slechts twee spiegels), extreem lage lichtbronvereisten (20 W) en totale stroomverbruik (minder dan 100 kW) dat minder dan een tiende is van dat van traditionele technologieën. Deze innovatie zorgt niet alleen voor patroonoverdracht met nanometernauwkeurigheid, maar vermindert ook het 3D-effect van het masker, waardoor de algehele prestaties worden verbeterd.
Met name door het aantal spiegelreflecties tot vier keer te verminderen, bereikt het nieuwe systeem een energieoverdrachtsefficiëntie van meer dan 10%, waardoor zelfs kleine EUV-lichtbronnen efficiënt kunnen werken, waardoor het stroomverbruik aanzienlijk wordt verlaagd. Deze prestatie vermindert niet alleen de belasting van CO2-lasers, maar vermindert ook de behoefte aan koelwater, wat het concept van milieubescherming verder belichaamt.
Professor Tsumoru Shintake heeft ook de optische verlichtingsmethode met "dubbele lijn" uitgevonden, die op een slimme manier het probleem van optische padinterferentie oplost en nauwkeurige patroonmapping van fotomasker naar siliciumwafer bereikt. Hij vergeleek het met het aanpassen van de hoek van een zaklamp om de spiegel op de beste manier te verlichten, lichtbotsingen te vermijden en de verlichtingsefficiëntie te maximaliseren, wat zijn buitengewone creativiteit en wijsheid demonstreert.
