ASML揭秘High NA EUV：8nm分辨率，晶圓臺加速度最高32g！

經(jīng)過(guò)十年的研發(fā)，ASML 于 2023 年 12 月正式向英特爾交付了首個(gè)High NA（高數值孔徑）EUV 光刻系統——TWINSCAN EXE:5000的首批模塊， 代表著(zhù)尖端芯片制造向前邁出了重要一步。

近日，ASML發(fā)布了一篇題為《關(guān)于高數值孔徑 EUV 光刻你應該了解的 5 件事》的科普文章，對于High-NA光刻系統進(jìn)行了進(jìn)一步的介紹。

以下為芯智訊對該文章的翻譯：

目前芯片制造商依然是依靠晶體管微縮來(lái)推動(dòng)微芯片技術(shù)的進(jìn)步。雖然，這并不是改進(jìn)芯片的唯一方法，例如，新穎的架構、先進(jìn)封裝等也可以提高性能。但摩爾定律本質(zhì)上成為普遍法則是有原因的 ：50 多年來(lái)，晶體管“微縮”一直是計算能力指數級增長(cháng)的幕后推手。

多年來(lái)，我們一直在將深紫外 (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)），我們可以通過(guò)調整兩個(gè)主要的參數：光的波長(cháng) λ 和數值孔徑 NA。然而，現在我們的 DUV 系統中已經(jīng)沒(méi)有多少空間可以調整這些參數了。

△根據瑞利公式可以看到，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)。

EUV 光刻使我們能夠對波長(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。當我們的第一個(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。

一、什么是高數值孔徑 EUV 光刻？

高數值孔徑 EUV 是我們不斷追求微縮的下一步。與 NXE 系統一樣，它使用 EUV 光在硅晶圓上打印微小特征。通過(guò)調整 NA 參數，我們可以提供更好的分辨率：名為 EXE 的新平臺可以為芯片制造商提供 8 納米的 CD。這意味著(zhù)他們可以打印比 NXE 系統小 1.7 倍的晶體管，從而實(shí)現晶體管密度提高 2.9 倍。

我們如何在高數值孔徑 EUV 系統中獲得更高的分辨率？芯片制造商為何投資新技術(shù)？這對你來(lái)說(shuō)意味著(zhù)什么？

1、更大的變形光學(xué)器件，成像更清晰

高數值孔徑 EUV 光刻技術(shù)的主要進(jìn)步是新的光學(xué)器件?！癗A”指的是數值孔徑——衡量光學(xué)系統收集和聚焦光線(xiàn)的能力。它被稱(chēng)為High NA EUV，因為我們將 NA 從 NXE 系統中的 0.33 增加到 EXE 系統中的 0.55。NA 越高，系統的分辨率就越高。

實(shí)現數值孔徑的增加意味著(zhù)使用更大的鏡子。但更大的鏡子會(huì )增加光線(xiàn)照射到刻線(xiàn)的角度，刻線(xiàn)上有要打印的圖案。在較大的角度下，掩模版會(huì )失去反射率，因此圖案無(wú)法轉移到晶圓上。這個(gè)問(wèn)題本來(lái)可以通過(guò)將圖案縮小 8 倍而不是 NXE 系統中使用的 4 倍來(lái)解決，但這需要芯片制造商改用更大的掩模版。

相反，EXE 采用了巧妙的設計：變形光學(xué)。該系統的鏡子不是均勻地縮小正在打印的圖案，而是在一個(gè)方向上將其縮小 4 倍，在另一個(gè)方向上縮小 8 倍。該解決方案減少了光線(xiàn)照射十字線(xiàn)的角度并避免了反射問(wèn)題。重要的是，它還允許芯片制造商繼續使用傳統尺寸的掩模版，從而最大限度地減少了新技術(shù)對半導體生態(tài)系統的影響。

△蔡司的高數值孔徑 EUV 反射鏡測試（圖片來(lái)源：ZEISS SMT）

2、更快的工作臺，更高的生產(chǎn)率

由于采用變形光學(xué)器件，EXE 系統的曝光場(chǎng)大小是其前身的NXE系統的一半。因此，對單個(gè)晶圓進(jìn)行圖案化需要兩倍的曝光次數。

兩倍的曝光次數可能意味著(zhù)晶圓光刻的時(shí)間延長(cháng)一倍。那么怎么來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題呢？更快的晶圓和掩模版臺移動(dòng)速度。EXE 系統中的晶圓臺加速度達到了8g，是 NXE 晶圓臺速度的2倍。EXE 的十字線(xiàn)階段的加速度是 NXE 的四倍，即32g，相當于一輛賽車(chē)在 0.09 秒內從 0 加速到 100 公里/小時(shí)。

憑借全新的平臺，TWINSCAN EXE:5000 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 NXE 系統相比還有所增加。我們制定了到 2025 年將產(chǎn)能提高到每小時(shí) 220 片晶圓的路線(xiàn)圖。這種生產(chǎn)力對于確保將高數值孔徑集成到芯片工廠(chǎng)對于芯片制造商來(lái)說(shuō)在經(jīng)濟上可行至關(guān)重要。

△開(kāi)放式、完全組裝的 TWINSCAN EXE:5000

3、更簡(jiǎn)單的制造以提高成本效率

高數值孔徑 EUV 光刻將使芯片制造商能夠在最先進(jìn)的微芯片上打印最小的特征。但與此同時(shí)，芯片制造商并沒(méi)有只是袖手旁觀(guān)。他們找到了其他方法，通過(guò)使用更復雜的生產(chǎn)工藝來(lái)解決光刻系統的分辨率限制。

這些解決方法是有代價(jià)的。它們增加了生產(chǎn)時(shí)間，并提供了額外的機會(huì )引入可能影響芯片性能的缺陷。EXE:5000 的 CD 為 8 納米，使芯片制造商能夠簡(jiǎn)化其制造流程。結果就是實(shí)現更經(jīng)濟高效地生產(chǎn)先進(jìn)微芯片。

4、通用性和模塊化可實(shí)現更好的性能

EXE:5000 代表了 EUV 光刻技術(shù)的發(fā)展，而不是一場(chǎng)革命。我們盡可能多地重用了現有的 EUV 技術(shù)，并且僅更改了提供系統分辨率和生產(chǎn)力增強所必需的方面。而且，與我們的 NXE EUV 系統一樣，EXE 系統由可以在集成到完整系統之前進(jìn)行獨立測試的模塊組成。

為什么我們在整個(gè) EUV 光刻系統中優(yōu)先考慮通用性和模塊化？因為這樣我們的所有系統都會(huì )受益于 20 多年 EUV 開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗教訓。使用經(jīng)過(guò)嘗試和測試的技術(shù)可以降低出現問(wèn)題的風(fēng)險。這些模塊簡(jiǎn)化了系統的安裝和集成到客戶(hù)晶圓廠(chǎng)的過(guò)程。這意味著(zhù)系統將更快地開(kāi)始生產(chǎn)芯片——我們的客戶(hù)將在 2024 年至 2025 年開(kāi)始研發(fā)，并在 2025 年至 2026 年進(jìn)入大批量生產(chǎn)。

更快的時(shí)間表對每個(gè)人來(lái)說(shuō)都是個(gè)好消息：這些系統越早開(kāi)始打印最先進(jìn)的芯片，它們所支持的尖端技術(shù)就越早可用。

△組裝 TWINSCAN EXE:5000

5、改進(jìn)的芯片功能、性能和能效

EXE:5000 的 8 nm 分辨率意味著(zhù)芯片制造商可以將更多晶體管封裝到單個(gè)芯片中。更小的晶體管更加節能——這意味著(zhù)芯片將能夠用更少的資源做更多的事情。因此，EXE:5000 打印的微小特征將構成最先進(jìn)微芯片的基礎。而且，由于系統的生產(chǎn)力，芯片制造商可以大量制造這些芯片。

高數值孔徑 EUV 光刻的影響

芯片創(chuàng )新在當今的數字世界中變得越來(lái)越重要。消費者期望新型和新一代的電子設備體積更小、功能更多、更好、更快。借助高數值孔徑 EUV 光刻技術(shù)，芯片制造商可以滿(mǎn)足這些消費者的需求。

第一批使用 EXE:5000 制造的芯片將是 2 nm 節點(diǎn)邏輯芯片。類(lèi)似晶體管密度的存儲芯片也將隨之而來(lái)。這些芯片將把最微小的功能與領(lǐng)先的架構相結合，為未來(lái)的技術(shù)提供動(dòng)力：機器人、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等等。

作者：克里斯汀·米德?tīng)栴D

編譯：芯智訊-浪客劍