High-NA EUV光刻機入場(chǎng)，究竟有多強？

光刻機一直是半導體領(lǐng)域的一個(gè)熱門(mén)話(huà)題。

從早期的深紫外光刻機（DUV）起步，其穩定可靠的性能為半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了堅實(shí)基礎；再到后來(lái)的極紫外光刻機（EUV）以其獨特的極紫外光源和更短的波長(cháng)，成功將光刻精度推向了新的高度；再到如今的高數值孔徑光刻機（High-NA）正式登上歷史舞臺，進(jìn)一步提升了光刻的精度和效率，為制造更小、更精密的芯片提供了可能。

ASML 官網(wǎng)顯示，其組裝了兩個(gè) TWINSCAN EXE:5000 高數值孔徑光刻系統。其中一個(gè)由 ASM 與 imec 合作開(kāi)發(fā)，將于 2024 年安裝在 ASML 與 imec 的聯(lián)合實(shí)驗室中，預計 2025 年投入量產(chǎn)。另一個(gè)由英特爾在 2018 年訂購，2023 年 12 月，ASML 正式向英特爾交付了首個(gè) High-NA EUV 光刻系統——TWINSCAN EXE:5000 的首批模塊。

首臺 High-NA EUV 光刻機拆箱

今年 1 月，ASML 首臺 High-NA EUV 光刻機的主要組件抵達英特爾，隨后在 3 月初，英特爾分享了一段視頻，展示了在英特爾位于美國俄勒岡州的 D1X 工廠(chǎng)內，ASML 工程團隊安裝調試的部分畫(huà)面。

ASML 發(fā)言人 Monique Mols 在公司舉行的媒體參觀(guān)活動(dòng)中表示，安裝這臺重達 150000 公斤的系統共計用時(shí) 6 個(gè)月，需要 250 個(gè)集裝箱和 250 名工程師。一旦組裝完成，這臺機器將高達 3 層樓高，這迫使英特爾建造一個(gè)新的（更高的）廠(chǎng)房擴建來(lái)容納它。據估計，每臺這樣的 High-NA EUV 光刻機的價(jià)格可能在 3 億至 4 億美元之間。

值得注意的是，英特爾也是業(yè)界首個(gè)訂購 TWINSCAN EXE:5200 光刻機的公司，該訂單的下單時(shí)間在 2022 年 1 月。

根據 ASML 的路線(xiàn)圖，第一代的 High-NA EUV 光刻機 TWINSCAN EXE:5000 或許主要是被晶圓制造商用于相關(guān)實(shí)驗與測試，以便公司更好地了解 High-NA EUV 設備的使用，獲得寶貴經(jīng)驗。實(shí)際量產(chǎn)將會(huì )依賴(lài)于 2024 年底出貨的 TWINSCAN EXE:5200。

為什么需要 High-NA 光刻機？

DUV 向 EUV 邁進(jìn)

在 DUV 世代，科學(xué)家們一直進(jìn)行研究將 DUV 光刻技術(shù) 推向極限。為了減小可光刻的最小特征的尺寸（稱(chēng)為臨界尺寸 (CD)），可以通過(guò)調整兩個(gè)主要的參數：光的波長(cháng) λ 和數值孔徑 NA。

光刻分辨率（R）主要由三個(gè)因數決定，分別是光的波長(cháng)（λ）、光可穿過(guò)透鏡的最大角度（鏡頭孔徑角半角θ）的正弦值（sinθ）、折射率（n）以及系數 k1 有關(guān)。除了光刻分辨率之外，焦距深度（Depth of Focus，DOF）也至關(guān)重要，大的焦深可以增大刻蝕的清晰范圍，提高光刻的質(zhì)量，而焦距深度也可以通過(guò)提高系統的折射率（n）來(lái)改進(jìn)。

然而，現在的 DUV 系統中已經(jīng)沒(méi)有多少空間可以調整這些參數了。

進(jìn)入 EUV 世代，EUV 光刻則能夠對波長(cháng)參數進(jìn)行重大調整：它使用 13.5 nm 光，而最高分辨率 DUV 系統則使用 193 nm 光。第一個(gè)預生產(chǎn) EUV 光刻平臺 NXE 于 2010 年首次發(fā)貨時(shí)，它的 CD 從 DUV 的 30 nm 以上下降到 EUV 的 13 nm。

此外，EUV 光刻機不僅調整了波長(cháng)參數，還具備光源系統、光學(xué)鏡頭、雙工作臺系統等核心技術(shù)，這些技術(shù)的結合使得 EUV 光刻機能夠實(shí)現高效的投影光刻，無(wú)損傷地處理任意圖形。

EUV 向 High-NA EUV 邁進(jìn)

ASML 目前的 EUV 工具的數值孔徑為 0.33，可實(shí)現 13.5nm 左右的分辨率，透過(guò)單次曝光，可以產(chǎn)生 26nm 的最小金屬間距和 25-30nm 尖端到尖端的近似互連空間間距，這些尺寸足以滿(mǎn)足 4/5nm 節點(diǎn)制程的生產(chǎn)需求。盡管如此，業(yè)界仍然需要更小的 21-24nm 間距的 3nm 制程工藝，這就是為什么臺積電的 N3B 制程技術(shù)被設計為使用標準 EUV 雙圖案化技術(shù)來(lái)實(shí)現更小的間距，但這種方法將會(huì )相當昂貴。

改變波長(cháng)之后再進(jìn)一步提升 EUV 光刻機的分辨率就要從 NA 指標上下手了。

在這里解釋一下「NA」即光學(xué)系統的數值孔徑，表示光線(xiàn)的入射角度，使用更大的 NA 透鏡可以打印出更小的結構，目前的 EUV 光刻機使用的還是 NA=0.33 的物鏡系統，下一代的目標就是 NA=0.5 及以上的光學(xué)系統。

因此，High-NA 應運而生。目前 ASML 已經(jīng)開(kāi)始交付的首款 High-NA EUV 系統數值孔徑已經(jīng)由傳統 EUV 的 0.33 提升到了 0.55，分辨率也由 13.5nm 提升到了 8nm，可以實(shí)現 16nm 的最小金屬間距，對于 2nm 以下制程節點(diǎn)將非常有用。根據 Imec 的預計，這即使對于 1nm 節點(diǎn)技術(shù)，High-NA EUV 系統也能提供解決方案。另外，在生產(chǎn)效率方面，High-NA EUV 系統每小時(shí)可光刻超過(guò) 185 個(gè)晶圓，與已在大批量制造中使用的 EUV 系統相比還有所增加。ASML 還制定了到 2025 年將新一代 High-NA EUV 系統（EXE:5200）的生產(chǎn)效率提高到每小時(shí) 220 片晶圓的路線(xiàn)圖。

High-NA EUV 光刻機對英特爾來(lái)說(shuō)意味什么？

High-NA EUV 被認為是可以降低工藝復雜性和制造成本，并是制造 2nm 及以下的尖端制程的關(guān)鍵設備。High-NA 不僅需要新的光學(xué)器件，還需要新的光源材料，例如德國蔡司在真空中制造的一個(gè)由拋光、超光滑曲面鏡組成的光學(xué)系統，甚至還需要新的更大的廠(chǎng)房來(lái)容納這種機器，這都將需要大量投資。

即便如此，為了保持半導體的性能、功率、面積和成本（PPAc）等方面的優(yōu)勢，已經(jīng)領(lǐng)先的制造商們諸如臺積電、三星、英特爾、SK 海力士等世界頭部邏輯芯片和存儲芯片制造商，為了率先并更多拿到 ASML 最先進(jìn)的光刻機已經(jīng)爭得不可開(kāi)交。早在 2020 ~ 2021 年，ASML 就表示已經(jīng)收到了三家客戶(hù)的 High-NA 意向訂單，共提供多達 12 套系統。

英特爾率先拿到該設備，無(wú)疑會(huì )極大地提升其芯片制造能力和效率，并幫助英特爾在未來(lái)先進(jìn)制程技術(shù)的競爭中取得先行優(yōu)勢。通過(guò)使用這種先進(jìn)的光刻技術(shù)，英特爾可以生產(chǎn)出 2nm 及更小、更快的芯片，從而在市場(chǎng)上獲得更大的競爭優(yōu)勢。此外，隨著(zhù)芯片制程的縮小，英特爾可以進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競爭力。

此外，在高數值孔徑學(xué)習方面，英特爾將領(lǐng)先于其競爭對手，這將為其帶來(lái)多項優(yōu)勢。具體來(lái)說(shuō)，由于英特爾很可能是第一家使用高數值孔徑工具啟動(dòng)大批量生產(chǎn)的公司，因此晶圓廠(chǎng)工具生態(tài)系統將不可避免地遵循其要求。上述要求可能會(huì )轉化為行業(yè)標準，這可能會(huì )使英特爾比臺積電和三星更具優(yōu)勢。

目前英特爾已經(jīng)完成了英特爾 18A（1.8nm）和英特爾 20A（2nm）制造工藝的開(kāi)發(fā)，其中英特爾 20A 計劃于 2024 年上半年投入使用，而進(jìn)展良好的英特爾 18A 制造技術(shù)也將提前到 2024 年下半年進(jìn)入大批量制造。這表明英特爾對 High-NA EUV 技術(shù)的應用充滿(mǎn)信心，并計劃在未來(lái)幾年內將這一技術(shù)應用于其主要的芯片生產(chǎn)中。High-NA EUV 光刻技術(shù)，可以給英特爾帶來(lái)更低的生產(chǎn)成本和更高的產(chǎn)品競爭力。

綜上所述，英特爾獲得的全球首臺 High-NA EUV 光刻機不僅標志著(zhù)該公司在半導體制造領(lǐng)域的一大進(jìn)步，也展示出其在推動(dòng)先進(jìn)光刻技術(shù)發(fā)展方面的決心和能力。

ASML 的 High-NA EUV 光刻機產(chǎn)量

目前 ASML 已從英特爾和 SK 海力士等公司獲得了 High-NA EUV 光刻機的訂單，數量在 10 至 20 臺之間。與此同時(shí)，ASML 計劃到 2028 年，每年生產(chǎn) 20 臺 High-NA EUV 光刻機，以滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。

根據集邦咨詢(xún)的報告顯示，ASML 將在 2024 年生產(chǎn)最多 10 臺新一代 High-NA EUV 極紫外光刻機，其中英特爾就定了多達 6 臺。

三星也在積極尋求獲得 High-NA EUV。2022 年 6 月三星電子與 ASML 就采購高數值孔徑 EUV 達成協(xié)議。今年 2 月，三星電子與荷蘭設備巨頭 ASML 再次宣布，將在韓國共同投資設立半導體先進(jìn)制程研發(fā)中心，并計劃自 2027 年起引入 High-NA EUV 設備。

三星此次與 ASML 的合作表明了其在半導體技術(shù)領(lǐng)域的雄心壯志。通過(guò)共同研發(fā)和引進(jìn) High-NA EUV 設備，三星將能夠進(jìn)一步提升其芯片制造工藝，并在全球半導體市場(chǎng)中獲得更大的競爭優(yōu)勢。值得注意的是，High-NA EUV 設備的引進(jìn)和應用也面臨著(zhù)挑戰，包括設備價(jià)格高昂、良率問(wèn)題以及生產(chǎn)過(guò)程中的技術(shù)難題等。

三星負責存儲器生產(chǎn)的研究員 Young Seog Kang 曾表示：用戶(hù)最關(guān)心的是總成本問(wèn)題，前 Low-NA 已經(jīng)投入使用，相比 High-NA EUV，芯片制造商可能更愿意使用更經(jīng)濟可行的 Low-NA EUV 以雙重曝光或采用先進(jìn)封裝技術(shù)作為補充。因此 High-NA EUV 可能更有利于邏輯芯片制造，存儲器或面臨成本問(wèn)題。

相比之下，臺積電并不急于在短期內采用高數值孔徑 EUV，華興資本董事總經(jīng)理吳思浩說(shuō)，臺積電可能需要數年時(shí)間才能在 2030 年或以后趕上這一潮流。

SemiAnalysis 和華興資本分析師指出，臺積電暫時(shí)不會(huì )跟進(jìn)采用這項技術(shù)，主因在于，使用高數值孔徑 EUV 的成本，可能比使用 Low-NA EUV 還高，至少在初期是這樣，盡管低成本的代價(jià)是生產(chǎn)出來(lái)的晶體管密度較低。臺積電采用 EUV 的時(shí)間就比三星要晚幾個(gè)月，但是要比英特爾早幾年。

Hyper-NA EUV 是未來(lái)十年的重要改變

近日，AMSL 在其 2023 年度報告當中還披露了其未來(lái)更為先進(jìn)的 Hyper-NA EUV 技術(shù)的進(jìn)展。

ASML 技術(shù)長(cháng) Martin van den Brink 在 ASML 2023 年年度報告中表示，NA 值高于 0.7 的 Hyper-NA 微影曝光設備無(wú)疑的是一個(gè)發(fā)展芯片生產(chǎn)技術(shù)的機會(huì )，而且從 2030 年左右開(kāi)始獲得應用。預計，Hyper-NA 微影曝光設備可能與邏輯芯片最相關(guān)，并且將提供比 High-NA 微影光設備更實(shí)惠的解決方案。而對 ASML 來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵是 Hyper-NA 正在推動(dòng)整體 EUV 發(fā)展平臺，以改善成本和交貨時(shí)間。

未來(lái)，隨著(zhù)制程工藝的繼續推進(jìn)，當進(jìn)入 1nm 制程工藝節點(diǎn)之后，晶體管的金屬間距將需要變得更小。屆時(shí)晶圓制造商將需要比 High-NA EUV 光刻機更復雜的工具，這也是 ASML 為何計劃開(kāi)發(fā)出具有更高數值孔徑 Hyper NA EUV 光刻機的原因。

憑借晶體管技術(shù)以及先進(jìn)的制造工具的出現，2030 年將進(jìn)入 7 埃米（0.7nm）時(shí)代，2032 年將有望進(jìn)化到 5 埃米（0.5nm），2036 年將有望實(shí)現 2 埃米（0.2nm）。

增加投影光學(xué)元件的數值孔徑是一個(gè)成本高昂的決定，其中牽涉對微影曝光設備的設計需要進(jìn)行重大改變。特別是這包括機器的物理尺寸、并需要開(kāi)發(fā)許多新組件，還有成本增加的因素。ASML 最近透露，標準數值孔徑 EUV Twinscan NXE 售價(jià)約為 1.83 億美元，而 High-NA EUV 的 Twinscan EXE 的售價(jià)約為 3.8 億美元或更高。

至于，接下來(lái)的 Hyper-NA 微影曝光設備的成本預計將會(huì )更高的情況下，ASML 必須解決兩個(gè)問(wèn)題，就是 Hyper-NA 微影曝光設備是否可以在技術(shù)上實(shí)現，以及對于領(lǐng)先的邏輯芯片制造商來(lái)說(shuō)是否在成本上負擔得起。當前，全球只剩下三個(gè)領(lǐng)先的邏輯芯片制造商，包括英特爾、三星和臺積電。日本的 Rapidus 尚未發(fā)展成為有能力的競爭對手。因此，雖然需要 Hyper-NA EUV 微影曝光設備，但它必須價(jià)格合理。

Martin van den Brink 曾經(jīng)指出，Hyper-NA 微影曝光設備最終是否導入的決定，將取決于 ASML 能夠降低成本的程度。然而，在 ASML 與客戶(hù)討論了 Hyper-NA EUV 微影曝光設備的必要性和可行性之后，客戶(hù)使用 Hyper-NA EUV 微影曝光設備來(lái)大規模生產(chǎn)邏輯和存儲器芯片的技術(shù)條件已經(jīng)存在，這預計將是下一個(gè)十年半導體產(chǎn)業(yè)的重要變化。