Di recente, il professor Tsumoru Shintake dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ha proposto una rivoluzionaria tecnologia di litografia a raggi ultravioletti estremi (EUV) che non solo supera i confini dell'attuale produzione di semiconduttori, ma inaugura anche un nuovo capitolo nel futuro del settore.
Questa innovazione migliora significativamente la stabilità e la manutenibilità perché il suo design semplificato richiede solo due specchi e una sorgente luminosa di soli 20 W, riducendo così il consumo energetico totale del sistema a meno di 100 kW, che è solo un decimo del consumo energetico delle tecnologie tradizionali (che solitamente richiedono più di 1 MW (=1000 kW) per funzionare). Il nuovo sistema mantiene un contrasto molto elevato riducendo al contempo l'effetto 3D della maschera, ottenendo la precisione a livello nanometrico richiesta per il trasferimento accurato di modelli logici da fotomaschere a wafer di silicio.
Il fulcro di questa innovazione è l'uso di una sorgente luminosa EUV più compatta ed efficiente, che riduce significativamente i costi migliorando notevolmente l'affidabilità e la durata di servizio dell'apparecchiatura. Particolarmente sorprendente è che il suo consumo energetico è solo un decimo di quello delle tradizionali macchine litografiche EUV, aprendo la strada a uno sviluppo verde e sostenibile nel settore dei semiconduttori.
La chiave di questa svolta tecnologica sta nella risoluzione di due problemi che da tempo affliggono il settore: uno è la progettazione di un sistema di proiezione ottica minimalista ed efficiente, costituito solo da due specchi attentamente configurati; l'altro è lo sviluppo di un nuovo metodo in grado di guidare con precisione la luce EUV verso l'area del modello logico sullo specchio piano (fotomaschera) senza ostruzioni, ottenendo un'ottimizzazione del percorso ottico senza precedenti.
Sfide della litografia EUV
Processori che rendono possibile l'intelligenza artificiale (IA), chip a basso consumo per dispositivi mobili come i telefoni cellulari e chip per memorie DRAM ad alta densità: tutti questi chip semiconduttori avanzati sono realizzati utilizzando la litografia EUV.
Tuttavia, la produzione di semiconduttori affronta problemi di elevato consumo energetico e complessità delle apparecchiature, il che aumenta notevolmente i costi di installazione, manutenzione e consumo di elettricità. L'invenzione tecnologica del professor Tsumoru Shintake è una risposta diretta a questa sfida, e lui la definisce un risultato rivoluzionario che "risolve quasi completamente questi problemi nascosti".
I sistemi ottici tradizionali si basano sulla disposizione simmetrica di lenti e aperture per ottenere prestazioni ottimali, ma le caratteristiche speciali della luce EUV, lunghezza d'onda estremamente corta e facile assorbimento da parte dei materiali, rendono questo modello non più applicabile. La luce EUV deve essere riflessa da uno specchio a mezzaluna e zigzagare in uno spazio aperto, sacrificando alcune prestazioni ottiche. La nuova tecnologia di OIST, attraverso un sistema a doppio specchio assimetrico disposto in linea retta, non solo ripristina eccellenti prestazioni ottiche, ma semplifica anche notevolmente la struttura del sistema.
Riduzione significativa del consumo energetico
Poiché l'energia EUV viene attenuata del 40% a ogni riflessione dello specchio, nello standard del settore, solo circa l'1% dell'energia della sorgente luminosa EUV raggiunge il wafer attraverso i 10 specchi utilizzati, il che significa che è richiesta un'emissione luminosa EUV molto elevata. Per soddisfare questa richiesta, il laser a CO2 che aziona la sorgente luminosa EUV richiede molta elettricità, nonché molta acqua di raffreddamento.
Al contrario, limitando il numero di specchi a un totale di soli quattro dalla sorgente luminosa EUV al wafer, è possibile trasferire più del 10% dell'energia, il che significa che anche una piccola sorgente luminosa EUV da decine di watt può funzionare efficacemente. Ciò può ridurre significativamente il consumo di energia.
Superare due grandi sfide
Rispetto agli standard industriali esistenti, il modello OIST ha mostrato vantaggi significativi con il suo design semplificato (solo due specchi), requisiti di sorgente luminosa estremamente bassi (20 W) e consumo energetico totale (meno di 100 kW) che è inferiore a un decimo di quello delle tecnologie tradizionali. Questa innovazione non solo garantisce il trasferimento del pattern con precisione a livello nanometrico, ma riduce anche l'effetto 3D della maschera, migliorando le prestazioni complessive.
In particolare, riducendo il numero di riflessioni dello specchio a quattro volte, il nuovo sistema raggiunge un'efficienza di trasferimento energetico superiore al 10%, consentendo anche a piccole sorgenti luminose EUV di funzionare in modo efficiente, riducendo così significativamente il consumo di energia. Questo risultato non solo riduce il carico sui laser a CO2, ma riduce anche la necessità di acqua di raffreddamento, incarnando ulteriormente il concetto di protezione ambientale.
Il professor Tsumoru Shintake ha anche inventato il metodo ottico di illuminazione "dual-line field", che risolve in modo intelligente il problema dell'interferenza del percorso ottico e ottiene una mappatura accurata del pattern dalla fotomaschera al wafer di silicio. Lo ha paragonato alla regolazione dell'angolazione di una torcia per illuminare lo specchio nel modo migliore, evitando collisioni di luce e massimizzando l'efficienza dell'illuminazione, dimostrando la sua straordinaria creatività e saggezza.
