关于High NA EUV光刻，你应该了解的5件事

2024年01月28日

经过十年的研发，ASML 于 2023 年 12 月正式向英特尔交付了首个High NA（高数值孔径）EUV 光刻系统——TWINSCAN EXE:5000的首批模块，代表着尖端芯片制造向前迈出了重要一步。

近日，ASML发布了一篇题为《关于高数值孔径 EUV 光刻你应该了解的 5 件事》的科普文章，对于High-NA光刻系统进行了进一步的介绍。

以下为芯智讯对该文章的翻译：

目前芯片制造商依然是依靠晶体管微缩来推动微芯片技术的进步。虽然，这并不是改进芯片的唯一方法，例如，新颖的架构、先进封装等也可以提高性能。但摩尔定律本质上成为普遍法则是有原因的：50 多年来，晶体管“微缩”一直是计算能力指数级增长的幕后推手。

多年来，我们一直在将深紫外 (DUV) 光刻技术推向极限。为了减小可光刻的最小特征的尺寸（称为临界尺寸 (CD)），我们可以通过调整两个主要的参数：光的波长 λ 和数值孔径 NA。然而，现在我们的 DUV 系统中已经没有多少空间可以调整这些参数了。

△根据瑞利公式可以看到，光刻分辨率（R）主要由三个因数决定，分别是光的波长（λ）、光可穿过透鏡的最大角度（镜头孔径角半角θ）的正弦值（sinθ）、折射率（n）以及系数k1有关。除了光刻分辨率之外，焦距深度（ Depth of Focus，DOF）也至关重要，大的焦深可以增大刻蚀的清晰范围，提高光刻的质量。而焦距深度也可以通过提高系统的折射率（n）来改进。

EUV 光刻使我们能够对波长参数进行重大调整：它使用 13.5 nm 光，而最高分辨率 DUV 系统则使用 193 nm 光。当我们的第一个预生产 EUV 光刻平台 NXE 于 2010 年首次发货时，它的 CD 从 DUV 的 30 nm 以上下降到 EUV 的 13 nm。

一、什么是高数值孔径 EUV 光刻？

高数值孔径 EUV 是我们不断追求微缩的下一步。与 NXE 系统一样，它使用 EUV 光在硅晶圆上打印微小特征。通过调整 NA 参数，我们可以提供更好的分辨率：名为 EXE 的新平台可以为芯片制造商提供 8 纳米的 CD。这意味着他们可以打印比 NXE 系统小 1.7 倍的晶体管，从而实现晶体管密度提高 2.9 倍。

我们如何在高数值孔径 EUV 系统中获得更高的分辨率？芯片制造商为何投资新技术？这对你来说意味着什么？

1、更大的变形光学器件，成像更清晰

高数值孔径 EUV 光刻技术的主要进步是新的光学器件。“NA”指的是数值孔径——衡量光学系统收集和聚焦光线的能力。它被称为High NA EUV，因为我们将 NA 从 NXE 系统中的 0.33 增加到 EXE 系统中的 0.55。NA 越高，系统的分辨率就越高。

实现数值孔径的增加意味着使用更大的镜子。但更大的镜子会增加光线照射到刻线的角度，刻线上有要打印的图案。在较大的角度下，掩模版会失去反射率，因此图案无法转移到晶圆上。这个问题本来可以通过将图案缩小 8 倍而不是 NXE 系统中使用的 4 倍来解决，但这需要芯片制造商改用更大的掩模版。

相反，EXE 采用了巧妙的设计：变形光学。该系统的镜子不是均匀地缩小正在打印的图案，而是在一个方向上将其缩小 4 倍，在另一个方向上缩小 8 倍。该解决方案减少了光线照射十字线的角度并避免了反射问题。重要的是，它还允许芯片制造商继续使用传统尺寸的掩模版，从而最大限度地减少了新技术对半导体生态系统的影响。

△蔡司的高数值孔径 EUV 反射镜测试（图片来源：ZEISS SMT）

2、更快的工作台，更高的生产率

由于采用变形光学器件，EXE 系统的曝光场大小是其前身的NXE系统的一半。因此，对单个晶圆进行图案化需要两倍的曝光次数。

两倍的曝光次数可能意味着晶圆光刻的时间延长一倍。那么怎么来解决这个问题呢？更快的晶圆和掩模版台移动速度。EXE 系统中的晶圆台加速度达到了8g，是 NXE 晶圆台速度的2倍。EXE 的十字线阶段的加速度是 NXE 的四倍，即32g，相当于一辆赛车在 0.09 秒内从 0 加速到 100 公里/小时。

凭借全新的平台，TWINSCAN EXE:5000 每小时可光刻超过 185 个晶圆，与已在大批量制造中使用的 NXE 系统相比还有所增加。我们制定了到 2025 年将产能提高到每小时 220 片晶圆的路线图。这种生产力对于确保将高数值孔径集成到芯片工厂对于芯片制造商来说在经济上可行至关重要。

△开放式、完全组装的 TWINSCAN EXE:5000

3、更简单的制造以提高成本效率

高数值孔径 EUV 光刻将使芯片制造商能够在最先进的微芯片上打印最小的特征。但与此同时，芯片制造商并没有只是袖手旁观。他们找到了其他方法，通过使用更复杂的生产工艺来解决光刻系统的分辨率限制。

这些解决方法是有代价的。它们增加了生产时间，并提供了额外的机会引入可能影响芯片性能的缺陷。EXE:5000 的 CD 为 8 纳米，使芯片制造商能够简化其制造流程。结果就是实现更经济高效地生产先进微芯片。

4、通用性和模块化可实现更好的性能

EXE:5000 代表了 EUV 光刻技术的发展，而不是一场革命。我们尽可能多地重用了现有的 EUV 技术，并且仅更改了提供系统分辨率和生产力增强所必需的方面。而且，与我们的 NXE EUV 系统一样，EXE 系统由可以在集成到完整系统之前进行独立测试的模块组成。

为什么我们在整个 EUV 光刻系统中优先考虑通用性和模块化？因为这样我们的所有系统都会受益于 20 多年 EUV 开发的经验教训。使用经过尝试和测试的技术可以降低出现问题的风险。这些模块简化了系统的安装和集成到客户晶圆厂的过程。这意味着系统将更快地开始生产芯片——我们的客户将在 2024 年至 2025 年开始研发，并在 2025 年至 2026 年进入大批量生产。

更快的时间表对每个人来说都是个好消息：这些系统越早开始打印最先进的芯片，它们所支持的尖端技术就越早可用。