支持2埃米量產(chǎn)！ASML最新路線(xiàn)圖曝光：2030年推出Hyper NA EUV！

近年來(lái)，隨著(zhù)半導體尖端制程工藝越來(lái)越逼近物理極限，荷蘭光刻機大廠(chǎng)ASML生產(chǎn)的EUV光刻機已經(jīng)成為了繼續推動(dòng)晶體管微縮的關(guān)鍵設備，而當制程工藝進(jìn)入2nm以下的埃米時(shí)代，可能就需要用到售價(jià)高達3.5億歐元的High NA EUV（0.55NA）光刻機。在2023年底，ASML已經(jīng)開(kāi)始向英特爾交付了首套High NA EUV光刻機，英特爾也于上個(gè)月完成了組裝。雖然，High NA EUV光刻機剛開(kāi)始出貨，但是ASML已經(jīng)在加緊研發(fā)新一代的Hyper-NA EUV光刻機，為其尋找合適的解決方案。根據EETimes報導，ASML近期公布了還處于開(kāi)發(fā)早期階段的Hyper NA EUV光刻機的技術(shù)藍圖，預計最快將會(huì )在2030年推出。

Hyper NA EUV光刻機2030年推出

ASML前總裁兼首席技術(shù)官、現任公司顧問(wèn)Martin van den Brink在2024年5月舉行的imec ITF World的演講中宣布，ASML已經(jīng)可用其試驗性質(zhì)的High NA EUV（EXE：5200）光刻機打印生產(chǎn)8nm線(xiàn)寬，這是的新紀錄，這打破了該公司在4月初當時(shí)創(chuàng )下的記錄（10nm線(xiàn)寬），而且還具有一定程度的重疊覆蓋。Martin van den Brink強調，ASML當前已經(jīng)取得了出色的進(jìn)展，因此，對High NA EUV光刻機的發(fā)展充滿(mǎn)信心，預計未來(lái)將能夠繼續突破其極限。

同時(shí)，Martin van den Brink還透露，ASML計劃在2030年左右正式推出Hyper NA EUV光刻機，其數值孔徑（NA）將達到0.75，以便實(shí)現更高分辨率的圖案化及更小的晶體管特征。相較之下，High NA EUV光刻機的數值孔徑為0.55，標準EUV光刻機則是0.33。對于A(yíng)SML而言，“十年后，我們將擁有一個(gè)Low NA、High NA 和 Hyper NA 的共用的單一EUV平臺”，借此可以進(jìn)一步改善成本和交貨時(shí)間。

從最新曝光的ASML光刻機路線(xiàn)圖來(lái)看，0.75NA的Hyper NA EUV光刻機的型號的前綴為“HXE”，預計首款產(chǎn)品將會(huì )在2030年前后推出。

imec圖案化項目總監Kurt Ronse也感嘆道，這是 ASML 首次將 Hyper NA EUV光刻機添加到其產(chǎn)品路線(xiàn)圖當中。

從設備生產(chǎn)效率的路線(xiàn)圖來(lái)看，ASML剛剛出貨的High NA EUV光刻機（EXE:5000），目前的生產(chǎn)速度僅每小時(shí)150片晶圓，預計到2026年左右，將會(huì )提升到每小時(shí)約200片晶圓，屆時(shí)也會(huì )推出第二代的High NA EUV光刻機（EXE：5200B），2028年前后會(huì )推出第三代的High NA EUV光刻機（EXE：5400），2030年前后將會(huì )推出更高速的第四代High NA EUV光刻機（EXE：5600），將采用高透射率、低PFR的柔性發(fā)光器。后續到2035年前后，新的High NA EUV光刻機產(chǎn)能將會(huì )提高到每小時(shí)300片晶圓，達到目前出貨的High NA EUV光刻機（EXE：5000）產(chǎn)能的2倍。但是該路線(xiàn)圖并未透露Hyper NA EUV光刻機的生產(chǎn)效率數據，不過(guò)考慮到Hyper NA EUV光刻的機的復雜度及面臨的更多的挑戰，預計初期的產(chǎn)能將會(huì )低于每小時(shí)200片晶圓。

從支持的工藝節點(diǎn)來(lái)看，根據Martin van den Brink 此前披露的未來(lái)15年的邏輯器件的工藝路線(xiàn)圖來(lái)看，利用目前的0.3NA的標準型EUV光刻機支持到2025年2nm的量產(chǎn)，再往下就需要通過(guò)多重曝光技術(shù)來(lái)實(shí)現，但支持到2027年量產(chǎn)的1.4nm將會(huì )是極限。而0.55NA的High NA EUV光刻機則可以支持到2029年1nm制程的量產(chǎn)，如果采用多重曝光，則可以支持到2033年量產(chǎn)的5埃米（0.5nm）制程節點(diǎn)，再往下就可能必須要采用0.75NA的Hyper NA EUV光刻機，或許可以支持到2埃米（0.2nm）以下的制程節點(diǎn)，這里路線(xiàn)圖上打了一個(gè)問(wèn)號，所以不確定Hyper NA EUV光刻機能否支持下去。

這里需要強調的是，雖然一個(gè)硅原子的直徑大概就在1埃米左右，但是這里的所有的制程節點(diǎn)命名都只是等效指標，并不是真實(shí)的物理指標。2埃米制程節點(diǎn)的對應的晶體管的金屬間距為大約在16-12nm，進(jìn)入到2埃米以下制程以下，金屬間距才會(huì )進(jìn)一步縮小到14-10nm。

當然，這里光有先進(jìn)的先進(jìn)的光刻機是不夠的，還需要先進(jìn)的掩模和光刻膠，以及更復雜的晶體管架構來(lái)進(jìn)行支持，這需要大量的研發(fā)資金投入。

目前，其他使用 EUV 光刻機的領(lǐng)先芯片制造商，如三星、美光和 SK 海力士，也在考慮High NA EUV光刻機。臺積電可能也會(huì )提前使用這項技術(shù)。ASML上周暗示，可能將在2024年底前向臺積電出貨High NA EUV光刻機。

Ronse 表示：“High NA 應該會(huì )持續貫穿從 2nm 到 1.4nm、10埃米甚至7埃米的工藝節點(diǎn)?！彼a充說(shuō)，此后，Hyper NA 將開(kāi)始占據主導地位。

Hyper NA EUV面臨的挑戰

“imec 在兩年前就已經(jīng)開(kāi)始利用計算機模擬研究 Hyper NA。目前有很多研究正在進(jìn)行，我們能把NA提高到 0.55 以上，未來(lái)能達到 0.75、0.85 嗎？Hyper NA肯定會(huì )帶來(lái)一些新挑戰?！弊鳛榕c ASML 合作開(kāi)發(fā)光刻技術(shù)已有 30 多年的老將，Kurt Ronse分析道：“其中一個(gè)挑戰是，光的偏振從 0.55 NA 左右開(kāi)始。如果高于 0.55 NA，你很快就會(huì )發(fā)現偏振正在破壞對比度，因為偏振方向之一基本上抵消了光線(xiàn)，你需要偏振器來(lái)避免這種情況?！钡?，偏振器的缺點(diǎn)是阻擋光線(xiàn)、降低能效并增加生產(chǎn)成本。

“Hyper NA 的另一個(gè)挑戰是光刻膠。在 0.55 NA 時(shí)，我們就已經(jīng)將光刻膠變薄了。而Hyper NA 的情況則更糟。這將給蝕刻選擇性帶來(lái)更多挑戰?！盞urt Ronse說(shuō)道。

雖然ASML已經(jīng)向英特爾交付了首臺High NA EUV光刻機，但英特爾目前只是將High NA EUV光刻機用于其Intel 18A工藝的測試，以積累相關(guān)經(jīng)驗，后續要等到2026年才會(huì )被用于Intel 14A的量產(chǎn)。另外臺積電高管此前也曾公開(kāi)表示，High NA EUV光刻機太過(guò)昂貴，臺積電依靠現有的常規EUV光刻機能力可支持到2026年的A16制程量產(chǎn)。

Ronse 表示：“臺積電目前還不需要High NA EUV光刻機，它可以將其在雙重圖案化方面的專(zhuān)業(yè)知識與現有的 EUV 工具結合起來(lái)。雙重曝光中真正關(guān)鍵的是邊緣位置誤差，兩個(gè)掩模必須完全對齊。而且雙重圖案化，意味著(zhù)必須把所有事情都做兩遍，這很容易導致成本增加?！盧onse 補充道：“英特爾希望避免這種情況，他們可能沒(méi)有像臺積電那樣掌握EUV雙重曝光。因此，他們更喜歡使用High NA EUV 來(lái)實(shí)現更高的分辨率?！?/p>

Martin van den Brink 在 Imec ITF World論壇上表示：“Hyper NA 這種分辨率更高的工具對于減少工藝步驟至關(guān)重要，從而降低處理晶圓所需的成本和能源?！癏yper NA 讓我們遠離雙重圖案化的危險復雜性，”Martin van den Brink 說(shuō)道。

Hyper NA之后，未來(lái)在哪？

Martin van den Brink在2022年接受媒體采訪(fǎng)時(shí)就曾表示，Hyper NA可能將是最后一個(gè)NA，而且不一定能真正投入生產(chǎn)，這意味經(jīng)過(guò)數十年的光刻技術(shù)創(chuàng )新，我們可能會(huì )走到當前半導體光刻技術(shù)之路的盡頭。即使Hyper NA能夠實(shí)現，但是如果采用Hyper NA技術(shù)的制造成本增長(cháng)速度和目前High NA EUV技術(shù)一樣（單臺設備價(jià)格高達3.5億歐元），那么經(jīng)濟層面幾乎是不可行的。

不過(guò)，Martin van den Brink于2023年再次談到Hyper NA EUV技術(shù)之際，似乎增加了很多的信心，認為Hyper NA EUV將是一個(gè)機會(huì )，將成為2030年之后的新愿景。在最新的演講當中，Martin van den Brink認為，未來(lái)Hyper NA EUV相比High NA EUV上采用雙重曝光的成本將會(huì )更低。

從其他技術(shù)路線(xiàn)來(lái)看，雖然佳能推出了納米壓印技術(shù)，希望能夠在某種程度上替代EUV光刻機，但是其生產(chǎn)率通常遠低于High NA EUV光刻機。還有一種想法是，多束電子束光刻技術(shù)，它通過(guò)將圖案直接寫(xiě)入硅晶圓來(lái)消除使用昂貴的光掩模。唯一一家開(kāi)發(fā)電子束光刻工具的公司——總部位于荷蘭的 Mapper 公司已經(jīng)倒閉。

顯然，一旦未來(lái)Hyper NA也無(wú)路可走，那么就幾乎沒(méi)有其他替代品了?！澳銦o(wú)法想象會(huì )存在只有0.2nm的器件，”Ronse 說(shuō)道?！八挥袃蓚€(gè)原子。在某個(gè)時(shí)候，現有的光刻技術(shù)路線(xiàn)必然會(huì )終結?！?/p>

“或許新材料可能會(huì )取代硅。有些新材料具有更高的電子遷移率，”Ronse 說(shuō)道?！暗@些材料很難放到硅晶圓上。研究小組正在研究這個(gè)問(wèn)題。只有在電子必須通過(guò)的幾個(gè)層面上，你才需要沉積一層非常薄的新材料層。我們需要的是能夠在整個(gè)晶圓上均勻沉積該材料曾的專(zhuān)用設備。目前，它還在實(shí)驗室里。我們只在小范圍內進(jìn)行研究。將會(huì )有新的沉積設備。此外，蝕刻這些材料可能更加困難，因此我們需要新的蝕刻技術(shù)?！?/p>

編輯：芯智訊-浪客劍