經過十年的研發，ASML 于 2023 年 12 月正式向英特爾交付了首個 High NA（高數值孔徑）EUV 光刻系統—— TWINSCAN EXE:5000 的首批模塊， 代表著尖端芯片制造向前邁出了重要一步。

近日，ASML 發布了一篇題為《關于高數值孔徑 EUV 光刻你應該了解的 5 件事》的科普文章，對于 High-NA 光刻系統進行了進一步的介紹。

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推動微芯片技術的進步。雖然，這并不是改進芯片的唯一方法，例如，新穎的架構、先進封裝等也可以提高性能。但摩爾定律本質上成為普遍法則是有原因的 ：50 多年來，晶體管 " 微縮 " 一直是計算能力指數級增長的幕后推手。

多年來，我們一直在將深紫外 ( DUV ) 光刻技術 推向極限。為了減小可光刻的最小特征的尺寸（稱為臨界尺寸 ( CD ) ），我們可以通過調整兩個主要的參數：光的波長 λ 和數值孔徑 NA。然而，現在我們的 DUV 系統中已經沒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）主要由三個因數決定，分別是光的波長（λ）、光可穿過透鏡的最大角度（鏡頭孔徑角半角 θ）的正弦值（sinθ）、折射率（n）以及系數 k1 有關。除了光刻分辨率之外，焦距深度（ Depth of Focus，DOF）也至關重要，大的焦深可以增大刻蝕的清晰范圍，提高光刻的質量。而焦距深度也可以通過提高系統的折射率（n）來改進。

EUV 光刻使我們能夠對波長參數進行重大調整：它使用 13.5 nm 光，而最高分辨率 DUV 系統則使用 193 nm 光。當我們的第一個預生產 EUV 光刻平臺 NXE 于 2010 年首次發貨時，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。這意味著他們可以打印比 NXE 系統小 1.7 倍的晶體管，從而實現晶體管密度提高 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？這對你來說意味著什么？

1、更大的變形光學器件，成像更清晰

高數值孔徑 EUV 光刻技術的主要進步是新的光學器件。"NA" 指的是數值孔徑——衡量光學系統收集和聚焦光線的能力。它被稱為 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。

實現數值孔徑的增加意味著使用更大的鏡子。但更大的鏡子會增加光線照射到刻線的角度，刻線上有要打印的圖案。在較大的角度下，掩模版會失去反射率，因此圖案無法轉移到晶圓上。這個問題本來可以通過將圖案縮小 8 倍而不是 NXE 系統中使用的 4 倍來解決，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。該系統的鏡子不是均勻地縮小正在打印的圖案，而是在一個方向上將其縮小 4 倍，在另一個方向上縮小 8 倍。該解決方案減少了光線照射十字線的角度并避免了反射問題。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對半導體生態系統的影響。

△蔡司的高數值孔徑 EUV 反射鏡測試（圖片來源：ZEISS SMT）

2、更快的工作臺，更高的生產率

由于采用變形光學器件，EXE 系統的曝光場大小是其前身的 NXE 系統的一半。因此，對單個晶圓進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晶圓光刻的時間延長一倍。那么怎么來解決這個問題呢？更快的晶圓和掩模版臺移動速度。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 的十字線階段的加速度是 NXE 的四倍，即 32g，相當于一輛賽車在 0.09 秒內從 0 加速到 100 公里 / 小時。

憑借全新的平臺，TWINSCAN EXE:5000 每小時可光刻超過 185 個晶圓，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 年將產能提高到每小時 220 片晶圓的路線圖。這種生產力對于確保將高數值孔徑集成到芯片工廠對于芯片制造商來說在經濟上可行至關重要。

△開放式、完全組裝的 TWINSCAN EXE:5000

3、更簡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的微芯片上打印最小的特征。但與此同時，芯片制造商并沒有只是袖手旁觀。他們找到了其他方法，通過使用更復雜的生產工藝來解決光刻系統的分辨率限制。

這些解決方法是有代價的。它們增加了生產時間，并提供了額外的機會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化其制造流程。結果就是實現更經濟高效地生產先進微芯片。

4、通用性和模塊化可實現更好的性能

EXE:5000 代表了 EUV 光刻技術的發展，而不是一場革命。我們盡可能多地重用了現有的 EUV 技術，并且僅更改了提供系統分辨率和生產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行獨立測試的模塊組成。

為什么我們在整個 EUV 光刻系統中優先考慮通用性和模塊化？因為這樣我們的所有系統都會受益于 20 多年 EUV 開發的經驗教訓。使用經過嘗試和測試的技術可以降低出現問題的風險。這些模塊簡化了系統的安裝和集成到客戶晶圓廠的過程。這意味著系統將更快地開始生產芯片——我們的客戶將在 2024 年至 2025 年開始研發，并在 2025 年至 2026 年進入大批量生產。

更快的時間表對每個人來說都是個好消息：這些系統越早開始打印最先進的芯片，它們所支持的尖端技術就越早可用。

△組裝 TWINSCAN EXE:5000

5、改進的芯片功能、性能和能效

EXE:5000 的 8 nm 分辨率意味著芯片制造商可以將更多晶體管封裝到單個芯片中。更小的晶體管更加節能——這意味著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微芯片的基礎。而且，由于系統的生產力，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

芯片創新在當今的數字世界中變得越來越重要。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，芯片制造商可以滿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 節點邏輯芯片。類似晶體管密度的存儲芯片也將隨之而來。這些芯片將把最微小的功能與領先的架構相結合，為未來的技術提供動力：機器人、人工智能、物聯網等等。