近日日本沖繩科學技術大學（OIST）的Tsumoru Shintake教授帶領的研究團隊提出了一項全新、大幅簡化的極紫外線（EUV）光刻機的雙反射鏡系統。

相較於傳統的至少需要六面反射鏡的配置，新的光學投影系統僅使用了兩面反射鏡，在確保系統維持較高的光學性能的同時，能讓EUV光線以超過初始值10%的功率到達晶圓，相較於傳統系統中僅1%的功率來說，提了高到了原來的10倍，可說是一大突破。

換句話說，全新的光學系統相對原有的系統來說，功耗可以降低到原來1/10！

而對於EUV光刻機來說，隨著光源系統功率需求的大幅降低，將使得其整套光源系統的體積和成本也將大大的降低，反射鏡數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作的電耗成本極大的降低，並顯著提設備的可靠性和使用壽命。

ASML EUV微影機的光學系統解析

目前ASML是全球唯一的EUV光刻機供應商，其先進的EUV微影機擁有超過10萬個零件，涉及到上游5,000多家供應商。

這些零件極為複雜，對誤差和穩定性的要求極高，而且這些零件幾乎都是客製化的，90%零件都採用的是世界上最先進技術，85%的零件是和供應鏈共同研發，甚至有些接口都要工程師用高精度機械進行打磨，尺寸調整次數更可能高達百萬次以上。這也使得一台EUV光刻機的售價高達1.5億美元左右。

從EUV光刻機的結構來看，其內部主要由「照明光學模組」（Illuminator）、「投影光學模組」（Projection optics）、「光罩傳輸模組」(Reticle Handler)、「光罩平台模組」(Reticle Stage)、「晶圓傳送模組」（Wafer Handler）、「晶圓平台模組」（Wafer Stage）及「光源模組」（Soure）這七大模組組成。

△ASML EUV微影機七大模組

其中，「照明光學模組」是EUV最核心的作業模組。這裡EUV光線由「光源模組」（Source）產生後，導入「照明光學模組」。

過程也必須進行檢測與控制光的能量、均勻度及形狀。之後再將EUV光線透過「投影光學模組」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，以產生13.5nm波長的EUV光線。

△通快雷射放大器的核心組件－高功率種子模組(HPSM)。

根據官網資料顯示，通快集團向ASML供應的二氧化碳雷射器擁有457,329個零件，系統內的線纜長度高達7,322米，重量更是達到了17,090公斤。

第二部分則是Cymer的工作，其主要承擔提供並控制錫金屬液滴以每秒50000滴的速度從噴嘴內噴出，並利用通快集團的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10萬個雷射脈衝），從而產生穩定的13.5nm波長的EUV，然後對光線進行收集，並透過反射鏡修正光的前進方向。

△ASML與德國光學公司蔡司（Zeiss）合作，由該蔡司來生產反射鏡，以使得EUV光線經過多次反射後能夠精準的投射到晶圓上。

由於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，必須以矽與鉬製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會損失約30%能量，而EUV光學照明系統當中有6組反射鏡，導致最終到達晶圓的EUV光子理論上只有原來的約1%左右。

根據芯智訊向ASML內部人士了解到，目前ASML EUV光刻機的EUV光源功率已經提高到了500W（主要依賴於光源優化，drive laser依然是30kW），也就是說其最終作用到晶圓的功率僅為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量的能力。

全新EUV雙反射鏡系統解決方案

日本沖繩科學技術大學的Tsumoru Shintake教授在論文中也指出，在傳統的光學系統中，如照相機、望遠鏡和傳統的紫外光刻技術，孔徑和透鏡等光學元件軸對稱（對稱於中心軸）排列在一條直線上。

這種配置確保了最高的光學性能，具有最小的光學像差，從而實現高品質的影像。然而，這不適用於EUV光線，因為它們的波長極短，會被大多數材料吸收，這意味著它們無法穿過透明鏡片。

由於這個原因，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，由於這種方法會導致光線偏離中心軸，因此它犧牲了重要的光學特性並降低了系統的整體性能。

而Tsumoru Shintake教授提出的面向EUV光學系統的雙反射鏡解決方案，相較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。

如果維持原有的作用到晶圓的EUV光線功率不變，那麼採用新方案後，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光刻機的光學系統更簡化、更有效率、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，如果採用全新的雙反射鏡系統，將可使得所需的EUV 光源功率降低至20 瓦。

全新設計的投影物鏡可實現0.2 NA（20 毫米領域）和0.3 NA（10 毫米領域），可組裝成類似於DUV 投影物鏡系統的圓柱型裝置，具有出色的機械穩定性，且更易於組裝/維護。

EUV透過位於衍射錐兩側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。簡化的照明系統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，也實現了柯勒照明。

理論解析度極限為24nm（20mm視野），影像縮小係數x 5，物像距離(OID) 2000 mm。使用曲面遮罩後，物像距離高度可降低至（OID）1500mm，解析度為16nm（10mm視場）。它將適用於行動終端應用的小尺寸晶片生產以及最新的chiplet晶片技術。

△左邊是目前使用的業界標準模型。右邊是Tsumoru Shintake教授的模型。

這項創新技術具有顯著更好的穩定性和可維護性，因為它簡化了設計，只有兩個鏡子，只需要20W的光源，從而將系統的總功耗降低到100kW以下，與通常需要1MW （=1,000kW，經芯智訊與ASML內部人士確認，現有的EUV微影機系統沒有這麼高的功耗）以上的傳統技術相比，功耗降低了90%。而新系統保留了非常高的對比度，同時也減少了掩模3D效應，實現了將邏輯圖案從光掩模準確轉移到矽晶圓所需的奈米精度。

EUV微影技術的核心是將光掩模影像轉移到矽晶圓上的投影儀，它僅由兩個反射鏡組成，就像天文望遠鏡一樣。

「考慮到傳統EUV微影至少需要六個反射鏡，我們的雙反射鏡配置非常簡單。這是透過仔細重新思考光學像差校正理論而實現的。這是經典物理學在量子物理學之前的勝利。

不過，新的雙反射鏡光學系統的挑戰在於，防止光學像位差，並確保高效率的光傳輸。對此，需將這些鏡子對齊成一條直線，確保系統維持較高的光學性能，不會出現與EUV光線相關的扭曲現象。為了解決這些問題，Tsumoru Shintake教授將兩個軸對稱鏡與一條直線上的微小中心孔對準，實現了其卓越的光學性能。

△為了避開中心遮擋並提高空間分辨率，EUV 光透過位於衍射光錐兩側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。簡化的照明系統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，也實現了柯勒照明。為避免圓柱鏡的阻擋衍射，Tsumoru Shintake教授引入了透過設計一種新的照明光學方法解決了這個問題，該方法被稱為「雙線場」。此方法在不干擾光路的情況下，以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，每隻手拿著一個手電筒，並將它們以相同的角度對準你面前的鏡子，那麼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。由於兩個光源對稱放置並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。這就像哥倫布的蛋，」「因為乍看之下似乎不可能，但一旦解決了，它就變得非常簡單。 」

據介紹，目前日本沖繩科學技術大學已經就該技術提交了專利申請，並有望透過示範實驗投入實際應用。 「全球EUV光刻市場預計將從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%。這項專利有可能產生巨大的經濟效益。」Tsumoru Shintake教授總結道。

日本沖繩科學技術大學執行副總裁兼OIST 創新負責人Gil Granot-Mayer 表示：「OIST 致力於創造能夠影響人類的尖端科學。這項創新體現了OIST的精神，即探索不可能的事情並提供原創的解決方案。脫碳等全球問題。

小結：

如果Tsumoru Shintake教授的 EUV光刻的雙反射鏡系統解決方案能夠商用，將有望幫助現有的EUV光刻機的EUV光源系統的功率降低90%。

例如現在ASML EUV光刻機的EUV光源功率為500W，那麼採用新的接近方案後，只需要50W的EUV光源即可達到現有的作用於晶圓的EUV光線的功率需求。這也意味著為了產生足夠高功率EUV光源的「drive laser」也就不需要功率高達30KW二氧化碳雷射器，這將極大的降低光源系統的功耗，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「照明光學模組」和「投影光學模組」更為簡化，不僅所需的零件數量更少（反射鏡減少、二氧化碳雷射要求降低、配套散熱系統要求降低），體積和重量也會更小。

例如前面提到的，通快集團向ASML EUV光刻機供應的30KW二氧化碳雷射器，光零件就有457,329個，重量更是達到了17,090公斤，如果採用功率更低的二氧化碳雷射器，無疑將會大幅降低零件的數量、體積與重量。

總結來看，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，同時隨著整個系統的複雜度的降低，穩定性將會提升，製造難度和製造流程也都有望縮短。零件減少和光源系統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光刻機的出貨、運輸及安裝更為簡單。

當然，目前Tsumoru Shintake教授提出的這項技術方案還是處於理論研究階段，不過其確實有計劃透過示範實驗投入實際應用，但最終能否成功商用依然是未知之數。