經(jīng)過十年的研發(fā)，ASML 于 2023 年 12 月正式向英特爾交付了首個(gè) High NA（高數(shù)值孔徑）EUV 光刻系統(tǒng)—— 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(fā)布了一篇題為《關(guān)于高數(shù)值孔徑 EUV 光刻你應(yīng)該了解的 5 件事》的科普文章，對于 High-NA 光刻系統(tǒng)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推動微芯片技術(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(gòu)、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，晶體管 " 微縮 " 一直是計(jì)算能力指數(shù)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(shù) 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(diào)整兩個(gè)主要的參數(shù)：光的波長 λ 和數(shù)值孔徑 NA。然而，現(xiàn)在我們的 DUV 系統(tǒng)中已經(jīng)沒有多少空間可以調(diào)整這些參數(shù)了。

△根據(jù)瑞利公式可以看到，光刻分辨率（R）主要由三個(gè)因數(shù)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(shù) 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提高系統(tǒng)的折射率（n）來改進(jìn)。

EUV 光刻使我們能夠?qū)ΣㄩL參數(shù)進(jìn)行重大調(diào)整：它使用 13.5 nm 光，而最高分辨率 DUV 系統(tǒng)則使用 193 nm 光。當(dāng)我們的第一個(gè)預(yù)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(shù)值孔徑 EUV 光刻？

高數(shù)值孔徑 EUV 是我們不斷追求微縮的下一步。與 NXE 系統(tǒng)一樣，它使用 EUV 光在硅晶圓上打印微小特征。通過調(diào)整 NA 參數(shù)，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(tǒng)小 1.7 倍的晶體管，從而實(shí)現(xiàn)晶體管密度提高 2.9 倍。

我們?nèi)绾卧诟邤?shù)值孔徑 EUV 系統(tǒng)中獲得更高的分辨率？芯片制造商為何投資新技術(shù)？這對你來說意味著什么？

1、更大的變形光學(xué)器件，成像更清晰

高數(shù)值孔徑 EUV 光刻技術(shù)的主要進(jìn)步是新的光學(xué)器件。"NA" 指的是數(shù)值孔徑——衡量光學(xué)系統(tǒng)收集和聚焦光線的能力。它被稱為 High NA EUV，因?yàn)槲覀儗?NA 從 NXE 系統(tǒng)中的 0.33 增加到 EXE 系統(tǒng)中的 0.55。NA 越高，系統(tǒng)的分辨率就越高。

實(shí)現(xiàn)數(shù)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(zhuǎn)移到晶圓上。這個(gè)問題本來可以通過將圖案縮小 8 倍而不是 NXE 系統(tǒng)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(shè)計(jì)：變形光學(xué)。該系統(tǒng)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(xù)使用傳統(tǒng)尺寸的掩模版，從而最大限度地減少了新技術(shù)對半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的影響。

△蔡司的高數(shù)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(chǎn)率

由于采用變形光學(xué)器件，EXE 系統(tǒng)的曝光場大小是其前身的 NXE 系統(tǒng)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(shù)。

兩倍的曝光次數(shù)可能意味著晶圓光刻的時(shí)間延長一倍。那么怎么來解決這個(gè)問題呢？更快的晶圓和掩模版臺移動速度。EXE 系統(tǒng)中的晶圓臺加速度達(dá)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(dāng)于一輛賽車在 0.09 秒內(nèi)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 185 個(gè)晶圓，與已在大批量制造中使用的 NXE 系統(tǒng)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 片晶圓的路線圖。這種生產(chǎn)力對于確保將高數(shù)值孔徑集成到芯片工廠對于芯片制造商來說在經(jīng)濟(jì)上可行至關(guān)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(shù)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)，芯片制造商并沒有只是袖手旁觀。他們找到了其他方法，通過使用更復(fù)雜的生產(chǎn)工藝來解決光刻系統(tǒng)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(jī)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(jié)果就是實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)先進(jìn)微芯片。

4、通用性和模塊化可實(shí)現(xiàn)更好的性能

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

為什么我們在整個(gè) EUV 光刻系統(tǒng)中優(yōu)先考慮通用性和模塊化？因?yàn)檫@樣我們的所有系統(tǒng)都會受益于 20 多年 EUV 開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。使用經(jīng)過嘗試和測試的技術(shù)可以降低出現(xiàn)問題的風(fēng)險(xiǎn)。這些模塊簡化了系統(tǒng)的安裝和集成到客戶晶圓廠的過程。這意味著系統(tǒng)將更快地開始生產(chǎn)芯片——我們的客戶將在 2024 年至 2025 年開始研發(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)人來說都是個(gè)好消息：這些系統(tǒng)越早開始打印最先進(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(jié)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(gòu)成最先進(jìn)微芯片的基礎(chǔ)。而且，由于系統(tǒng)的生產(chǎn)力，芯片制造商可以大量制造這些芯片。

高數(shù)值孔徑 EUV 光刻的影響

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

第一批使用 EXE:5000 制造的芯片將是 2 nm 節(jié)點(diǎn)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(lǐng)先的架構(gòu)相結(jié)合，為未來的技術(shù)提供動力：機(jī)器人、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等等。