經過十年的研發，ASML 於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的首批模組， 代表著尖端晶片製造向前邁出了重要一步。

近日，ASML發布了一篇題為《關於高數值孔徑EUV 光刻你應該了解的5 件事》的科普文章，對於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：

目前晶片製造商仍依賴電晶體微縮來推動微晶片技術的進步。雖然，這並不是改進晶片的唯一方法，例如，新穎的架構、先進封裝等也可以提高效能。但摩爾定律本質上成為普遍法則是有原因的：50 多年來，電晶體「微縮」一直是運算能力指數級成長的幕後推手。

多年來，我們一直在將深紫外線(DUV) 微影技術推向極限。為了減少可光刻的最小特徵的尺寸（稱為臨界尺寸(CD)），我們可以透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 系統中已經沒有太多空間可以調整這些參數了。

根據瑞利公式可以看到，光刻解析度（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）以及係數k1有關。除了光刻解析度之外，焦距深度（ Depth of Focus，DOF）也至關重要，大的焦深可以增加刻蝕的清晰範圍，提高光刻的品質。而焦距深度也可以透過提高系統的折射率（n）來改進。

EUV 微影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 微影平台NXE 於2010 年首次出貨時，它的CD 從DUV 的30 nm 以上下降到EUV 的13 nm。

一、什麼是高數值孔徑EUV 微影？

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 光在矽晶圓上列印微小特徵。

透過調整NA 參數，我們可以提供更好的解析度：名為EXE 的新平台可以為晶片製造商提供8 奈米的CD。這意味著他們可以列印比NXE 系統小1.7 倍的電晶體，從而實現電晶體密度提高2.9 倍。

我們如何在高數值孔徑EUV 系統中獲得更高的解析度？晶片製造商為何投資新技術？這對你來說意味著什麼？

1.更大的變形光學元件，成像更清晰

高數值孔徑EUV 微影技術的主要進步是新的光學元件。「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 系統的0.33 增加到EXE 系統中的0.55。NA 越高，系統的解析度就越高。

實現數值孔徑的增加意味著使用更大的鏡子。但較大的鏡子會增加光線照射到刻線的角度，刻線上有要列印的圖案。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。

這個問題本來可以透過將圖案縮小8 倍而不是NXE 系統中使用的4 倍來解決，但這需要晶片製造商改用更大的掩模版。

相反，EXE 採用了巧妙的設計：變形光學。

該系統的鏡子不是均勻地縮小正在列印的圖案，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。

此解決方案減少了光線照射十字線的角度並避免了反射問題。重要的是，

它還允許晶片製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、更快的工作台，更高的生產力

由於採用變形光學元件，EXE 系統的曝光場大小是前身的NXE系統的一半。因此，對單一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。那麼要怎麼來解決這個問題呢？更快的晶圓和掩模版台移動速度。

EXE 系統中的晶圓台加速度達到了8g，是NXE 晶圓台速度的2倍。

EXE 的十字線階段的加速度是NXE 的四倍，即32g，相當於一輛賽車在0.09 秒內從0 加速到100 公里/小時。

憑藉全新的平台，TWINSCAN EXE:5000 每小時可光刻超過185 個晶圓，與已在大批量製造中使用的NXE 系統相比還有所增加。

我們制定了2025 年將產能提高到每小時220 片晶圓的路線圖。這種生產力對於確保將高數值孔徑整合到晶片工廠對於晶片製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.更簡單的製造以提高成本效率

高數值孔徑EUV 微影將使晶片製造商能夠在最先進的微晶片上列印最小的特徵。但同時，晶片製造商並沒有隻是袖手旁觀。他們找到了其他方法，透過使用更複雜的生產流程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，並提供了額外的機會引入可能影響晶片性能的缺陷。

EXE:5000 的CD 為8 奈米，使晶片製造商能夠簡化其製造流程。結果就是實現更經濟高效地生產先進微晶片。

4、通用性和模組化可實現更好的性能

EXE:5000 代表了EUV 微影技術的發展，而不是一場革命。我們盡可能地重複使用了現有的EUV 技術，並且僅更改了提供系統解析度和生產力增強所需的方面。

而且，與我們的NXE EUV 系統一樣，EXE 系統由可以在整合到完整系統之前進行獨立測試的模組組成。

為什麼我們在整個EUV 光刻系統中優先考慮通用性和模組化？因為這樣我們的所有系統都會受益於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。

這些模組簡化了系統的安裝和整合到客戶晶圓廠的過程。這意味著系統將更快地開始生產晶片——我們的客戶將在2024 年至2025 年開始研發，並在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：這些系統越早開始列印最先進的晶片，它們所支援的尖端技術就越早可用。

△組裝TWINSCAN EXE:5000

5.改進的晶片功能、性能和能源效率

EXE:5000 的8 nm 解析度意味著晶片製造商可以將更多電晶體封裝到單一晶片中。更小的電晶體更節能——這意味著晶片將能夠用更少的資源做更多的事情。

因此，EXE:5000 列印的微小特徵將構成最先進微晶片的基礎。而且，由於系統的生產力，晶片製造商可以大量製造這些晶片。

高數值孔徑EUV 微影的影響

晶片創新在當今的數位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 微影技術，晶片製造商可以滿足這些消費者的需求。

第一批使用EXE:5000 製造的晶片將是2 nm 節點邏輯晶片。類似晶體管密度的記憶體晶片也將隨之而來。這些晶片將把最微小的功能與領先的架構結合，為未來的技術提供動力：機器人、人工智慧、物聯網等等。