日本团队，重新设计EUV光刻

从为下一代 AI 提供动力的数据中心，到至关重要的医疗技术、汽车，以及你现在可能用来阅读本文的移动设备或计算机，基于半导体的计算机芯片对现代生活而言都是必不可少的。

随着技术的进步和功耗的增加，科学家们希望创造出越来越小的计算机芯片，这需要在单个纳米（nm）尺度上进行精细的芯片设计。诸如极紫外（EUV）光刻等方法正在为实现这些更小的芯片提供新的途径，但它们伴随着重大的物理、工程和财务挑战，限制了眼下的应用和可扩展性。

冲绳科学技术大学院大学（OIST）的新竹积（Tsumoru Shintake）教授在《微/纳图形、材料与计量学杂志》上发表了一项研究，提出对高数值孔径（high-NA）EUV 光刻中所使用的照明系统和投影仪进行激进的重新设计。

模拟表明，他的设计可以消除麻烦的光学（即所谓的“掩模 3D”）效应，提高分辨率，并能以比现有 EUV 方法更低的成本制造出更小的计算机芯片。

双反射、四反射和六反射的等半径对

新竹表示：“现有的 EUV 光刻系统每台机器耗资数亿欧元。与如今最先进的机器相比，我的新设计应该能以便宜得多的方式实现精细的 2-3 纳米尺度的细节。”

他在日益增长的 AI 需求的背景下，强调了这些更小半导体芯片的下游应用。

“国际能源署预测，由于人工智能智能体等能源密集型应用的需求，到 2030 年数据中心的电力消耗将翻倍。然而，高数值孔径生产的芯片上更高的特征密度意味着信号应该传输更短的距离，从而将能量损失降到最低。这可以降低每次计算的电力成本，”新竹解释道。

“这些更密集的芯片也应该释放更少的热量，从而降低冷却所需的电能。这样的改进可能会对数据中心能源使用产生重大影响。”

在 EUV 光刻中，会产生极其短波长（13.5 纳米）的光，并通过 illumination 系统进行引导，在此处它照射在包含电路图形模板的反射式光掩模上。随后，反射的光图形通过投影仪，投影仪使用一系列反射镜将图像缩小并聚焦到硅晶圆上。接着，通过进一步的处理将图形刻蚀到晶圆上。

同轴 EUV 投影仪可能的反射镜配置

为了印刷更高密度的电路组件，研究人员正在转向高数值孔径 EUV 光刻。数值孔径（NA）与光学系统可以接收或发射光线的角度范围相关联。更高的数值孔径可以捕捉更宽的光线角度，使镜头能够分辨更精细的细节。在理论上，分辨率极限（可以分辨的最小细节）与数值孔径成反比，因此更高的数值孔径为半导体芯片提供了更精细的印刷能力。

在 20 世纪 90 年代 EUV 光刻研究的早期，科学家们探索了与新竹类似的高数值孔径光刻光学设计，其中光掩模、投影仪和晶圆是对齐的。虽然这些同轴（in-line）配置具有吸引人的简单性，但研究人员无法找到解决所发生的失真、模糊和其他光学错误的方法，特别是在数值孔径增加的情况下。

为了应对这些挑战，新竹首先调查了一对简单的反射镜——一个凹面镜和一个凸面镜——是否可以充当投影仪。他的设计最终演变成了双级配置，在每一级中都有一对凹凸反射镜。

尽管最初没有成功，但新竹很快意识到，在精心排列的反射镜之间的多次反射有可能消除光学缺陷，同时保持高数值孔径。在花费了许多个月在 OpTaliX（一种光学模拟系统）上运行计算后，他确定了在保持图像质量的同时实现高数值孔径所需的反射镜的理想曲率和定位。

与每个研究项目一样，也存在一些局限性。模拟假设反射镜将是 100% 反射且无缺陷的，而从模拟走向现实世界的实施将需要专家的工程技术。制造物理原型是新竹的下一步工作，他的团队现在已经开始开发 EUV 硬件，目标是生产出成本更低、性能更高的 EUV 光刻技术。

“这种设计可以让高数值孔径技术变得简单得多，且生产成本更低，为半导体制造开辟了新的可能性。我们应该能够制造出成本仅为目前市场上机器四分之一的机器，”新竹总结道。

“通过实现更精细的设计，我们可以制造更高密度的内存和更高效的逻辑芯片。这项技术可能会对社会产生变革性的影响，为数据中心和 AI 的未来提供动力，并使电子产品变得更快、更具能源效率，且运行成本可能更低。”

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