High-NA EUV光刻機入場，究竟有多強？

光刻機一直是半導體領域的一個熱門話題。

從早期的深紫外光刻機（DUV）起步，其穩(wěn)定可靠的性能為半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了堅實基礎；再到后來的極紫外光刻機（EUV）以其獨特的極紫外光源和更短的波長，成功將光刻精度推向了新的高度；再到如今的高數(shù)值孔徑光刻機（High-NA）正式登上歷史舞臺，進一步提升了光刻的精度和效率，為制造更小、更精密的芯片提供了可能。

ASML 官網(wǎng)顯示，其組裝了兩個 TWINSCAN EXE:5000 高數(shù)值孔徑光刻系統(tǒng)。其中一個由 ASM 與 imec 合作開發(fā)，將于 2024 年安裝在 ASML 與 imec 的聯(lián)合實驗室中，預計 2025 年投入量產(chǎn)。另一個由英特爾在 2018 年訂購，2023 年 12 月，ASML 正式向英特爾交付了首個 High-NA EUV 光刻系統(tǒng)——TWINSCAN EXE:5000 的首批模塊。

首臺 High-NA EUV 光刻機拆箱

今年 1 月，ASML 首臺 High-NA EUV 光刻機的主要組件抵達英特爾，隨后在 3 月初，英特爾分享了一段視頻，展示了在英特爾位于美國俄勒岡州的 D1X 工廠內(nèi)，ASML 工程團隊安裝調(diào)試的部分畫面。

ASML 發(fā)言人 Monique Mols 在公司舉行的媒體參觀活動中表示，安裝這臺重達 150000 公斤的系統(tǒng)共計用時 6 個月，需要 250 個集裝箱和 250 名工程師。一旦組裝完成，這臺機器將高達 3 層樓高，這迫使英特爾建造一個新的（更高的）廠房擴建來容納它。據(jù)估計，每臺這樣的 High-NA EUV 光刻機的價格可能在 3 億至 4 億美元之間。

值得注意的是，英特爾也是業(yè)界首個訂購 TWINSCAN EXE:5200 光刻機的公司，該訂單的下單時間在 2022 年 1 月。

根據(jù) ASML 的路線圖，第一代的 High-NA EUV 光刻機 TWINSCAN EXE:5000 或許主要是被晶圓制造商用于相關實驗與測試，以便公司更好地了解 High-NA EUV 設備的使用，獲得寶貴經(jīng)驗。實際量產(chǎn)將會依賴于 2024 年底出貨的 TWINSCAN EXE:5200。

為什么需要 High-NA 光刻機？

DUV 向 EUV 邁進

在 DUV 世代，科學家們一直進行研究將 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)），可以通過調(diào)整兩個主要的參數(shù)：光的波長 λ 和數(shù)值孔徑 NA。

光刻分辨率（R）主要由三個因數(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。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(tǒng)的折射率（n）來改進。

然而，現(xiàn)在的 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。

進入 EUV 世代，EUV 光刻則能夠對波長參數(shù)進行重大調(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。第一個預生產(chǎn) EUV 光刻平臺 NXE 于 2010 年首次發(fā)貨時，它的 CD 從 DUV 的 30 nm 以上下降到 EUV 的 13 nm。

此外，EUV 光刻機不僅調(diào)整了波長參數(shù)，還具備光源系統(tǒng)、光學鏡頭、雙工作臺系統(tǒng)等核心技術，這些技術的結合使得 EUV 光刻機能夠實現(xiàn)高效的投影光刻，無損傷地處理任意圖形。

EUV 向 High-NA EUV 邁進

ASML 目前的 EUV 工具的數(shù)值孔徑為 0.33，可實現(xiàn) 13.5nm 左右的分辨率，透過單次曝光，可以產(chǎn)生 26nm 的最小金屬間距和 25-30nm 尖端到尖端的近似互連空間間距，這些尺寸足以滿足 4/5nm 節(jié)點制程的生產(chǎn)需求。盡管如此，業(yè)界仍然需要更小的 21-24nm 間距的 3nm 制程工藝，這就是為什么臺積電的 N3B 制程技術被設計為使用標準 EUV 雙圖案化技術來實現(xiàn)更小的間距，但這種方法將會相當昂貴。

改變波長之后再進一步提升 EUV 光刻機的分辨率就要從 NA 指標上下手了。

在這里解釋一下「NA」即光學系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，表示光線的入射角度，使用更大的 NA 透鏡可以打印出更小的結構，目前的 EUV 光刻機使用的還是 NA=0.33 的物鏡系統(tǒng)，下一代的目標就是 NA=0.5 及以上的光學系統(tǒng)。

因此，High-NA 應運而生。目前 ASML 已經(jīng)開始交付的首款 High-NA EUV 系統(tǒng)數(shù)值孔徑已經(jīng)由傳統(tǒng) EUV 的 0.33 提升到了 0.55，分辨率也由 13.5nm 提升到了 8nm，可以實現(xiàn) 16nm 的最小金屬間距，對于 2nm 以下制程節(jié)點將非常有用。根據(jù) Imec 的預計，這即使對于 1nm 節(jié)點技術，High-NA EUV 系統(tǒng)也能提供解決方案。另外，在生產(chǎn)效率方面，High-NA EUV 系統(tǒng)每小時可光刻超過 185 個晶圓，與已在大批量制造中使用的 EUV 系統(tǒng)相比還有所增加。ASML 還制定了到 2025 年將新一代 High-NA EUV 系統(tǒng)（EXE:5200）的生產(chǎn)效率提高到每小時 220 片晶圓的路線圖。

High-NA EUV 光刻機對英特爾來說意味什么？

High-NA EUV 被認為是可以降低工藝復雜性和制造成本，并是制造 2nm 及以下的尖端制程的關鍵設備。High-NA 不僅需要新的光學器件，還需要新的光源材料，例如德國蔡司在真空中制造的一個由拋光、超光滑曲面鏡組成的光學系統(tǒng)，甚至還需要新的更大的廠房來容納這種機器，這都將需要大量投資。

即便如此，為了保持半導體的性能、功率、面積和成本（PPAc）等方面的優(yōu)勢，已經(jīng)領先的制造商們諸如臺積電、三星、英特爾、SK 海力士等世界頭部邏輯芯片和存儲芯片制造商，為了率先并更多拿到 ASML 最先進的光刻機已經(jīng)爭得不可開交。早在 2020 ~ 2021 年，ASML 就表示已經(jīng)收到了三家客戶的 High-NA 意向訂單，共提供多達 12 套系統(tǒng)。

英特爾率先拿到該設備，無疑會極大地提升其芯片制造能力和效率，并幫助英特爾在未來先進制程技術的競爭中取得先行優(yōu)勢。通過使用這種先進的光刻技術，英特爾可以生產(chǎn)出 2nm 及更小、更快的芯片，從而在市場上獲得更大的競爭優(yōu)勢。此外，隨著芯片制程的縮小，英特爾可以進一步降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競爭力。

此外，在高數(shù)值孔徑學習方面，英特爾將領先于其競爭對手，這將為其帶來多項優(yōu)勢。具體來說，由于英特爾很可能是第一家使用高數(shù)值孔徑工具啟動大批量生產(chǎn)的公司，因此晶圓廠工具生態(tài)系統(tǒng)將不可避免地遵循其要求。上述要求可能會轉化為行業(yè)標準，這可能會使英特爾比臺積電和三星更具優(yōu)勢。

目前英特爾已經(jīng)完成了英特爾 18A（1.8nm）和英特爾 20A（2nm）制造工藝的開發(fā)，其中英特爾 20A 計劃于 2024 年上半年投入使用，而進展良好的英特爾 18A 制造技術也將提前到 2024 年下半年進入大批量制造。這表明英特爾對 High-NA EUV 技術的應用充滿信心，并計劃在未來幾年內(nèi)將這一技術應用于其主要的芯片生產(chǎn)中。High-NA EUV 光刻技術，可以給英特爾帶來更低的生產(chǎn)成本和更高的產(chǎn)品競爭力。

綜上所述，英特爾獲得的全球首臺 High-NA EUV 光刻機不僅標志著該公司在半導體制造領域的一大進步，也展示出其在推動先進光刻技術發(fā)展方面的決心和能力。

ASML 的 High-NA EUV 光刻機產(chǎn)量

目前 ASML 已從英特爾和 SK 海力士等公司獲得了 High-NA EUV 光刻機的訂單，數(shù)量在 10 至 20 臺之間。與此同時，ASML 計劃到 2028 年，每年生產(chǎn) 20 臺 High-NA EUV 光刻機，以滿足市場的需求。

根據(jù)集邦咨詢的報告顯示，ASML 將在 2024 年生產(chǎn)最多 10 臺新一代 High-NA EUV 極紫外光刻機，其中英特爾就定了多達 6 臺。

三星也在積極尋求獲得 High-NA EUV。2022 年 6 月三星電子與 ASML 就采購高數(shù)值孔徑 EUV 達成協(xié)議。今年 2 月，三星電子與荷蘭設備巨頭 ASML 再次宣布，將在韓國共同投資設立半導體先進制程研發(fā)中心，并計劃自 2027 年起引入 High-NA EUV 設備。

三星此次與 ASML 的合作表明了其在半導體技術領域的雄心壯志。通過共同研發(fā)和引進 High-NA EUV 設備，三星將能夠進一步提升其芯片制造工藝，并在全球半導體市場中獲得更大的競爭優(yōu)勢。值得注意的是，High-NA EUV 設備的引進和應用也面臨著挑戰(zhàn)，包括設備價格高昂、良率問題以及生產(chǎn)過程中的技術難題等。

三星負責存儲器生產(chǎn)的研究員 Young Seog Kang 曾表示：用戶最關心的是總成本問題，前 Low-NA 已經(jīng)投入使用，相比 High-NA EUV，芯片制造商可能更愿意使用更經(jīng)濟可行的 Low-NA EUV 以雙重曝光或采用先進封裝技術作為補充。因此 High-NA EUV 可能更有利于邏輯芯片制造，存儲器或面臨成本問題。

相比之下，臺積電并不急于在短期內(nèi)采用高數(shù)值孔徑 EUV，華興資本董事總經(jīng)理吳思浩說，臺積電可能需要數(shù)年時間才能在 2030 年或以后趕上這一潮流。

SemiAnalysis 和華興資本分析師指出，臺積電暫時不會跟進采用這項技術，主因在于，使用高數(shù)值孔徑 EUV 的成本，可能比使用 Low-NA EUV 還高，至少在初期是這樣，盡管低成本的代價是生產(chǎn)出來的晶體管密度較低。臺積電采用 EUV 的時間就比三星要晚幾個月，但是要比英特爾早幾年。

Hyper-NA EUV 是未來十年的重要改變

近日，AMSL 在其 2023 年度報告當中還披露了其未來更為先進的 Hyper-NA EUV 技術的進展。

ASML 技術長 Martin van den Brink 在 ASML 2023 年年度報告中表示，NA 值高于 0.7 的 Hyper-NA 微影曝光設備無疑的是一個發(fā)展芯片生產(chǎn)技術的機會，而且從 2030 年左右開始獲得應用。預計，Hyper-NA 微影曝光設備可能與邏輯芯片最相關，并且將提供比 High-NA 微影光設備更實惠的解決方案。而對 ASML 來說，關鍵是 Hyper-NA 正在推動整體 EUV 發(fā)展平臺，以改善成本和交貨時間。

未來，隨著制程工藝的繼續(xù)推進，當進入 1nm 制程工藝節(jié)點之后，晶體管的金屬間距將需要變得更小。屆時晶圓制造商將需要比 High-NA EUV 光刻機更復雜的工具，這也是 ASML 為何計劃開發(fā)出具有更高數(shù)值孔徑 Hyper NA EUV 光刻機的原因。

憑借晶體管技術以及先進的制造工具的出現(xiàn)，2030 年將進入 7 埃米（0.7nm）時代，2032 年將有望進化到 5 埃米（0.5nm），2036 年將有望實現(xiàn) 2 埃米（0.2nm）。

增加投影光學元件的數(shù)值孔徑是一個成本高昂的決定，其中牽涉對微影曝光設備的設計需要進行重大改變。特別是這包括機器的物理尺寸、并需要開發(fā)許多新組件，還有成本增加的因素。ASML 最近透露，標準數(shù)值孔徑 EUV Twinscan NXE 售價約為 1.83 億美元，而 High-NA EUV 的 Twinscan EXE 的售價約為 3.8 億美元或更高。

至于，接下來的 Hyper-NA 微影曝光設備的成本預計將會更高的情況下，ASML 必須解決兩個問題，就是 Hyper-NA 微影曝光設備是否可以在技術上實現(xiàn)，以及對于領先的邏輯芯片制造商來說是否在成本上負擔得起。當前，全球只剩下三個領先的邏輯芯片制造商，包括英特爾、三星和臺積電。日本的 Rapidus 尚未發(fā)展成為有能力的競爭對手。因此，雖然需要 Hyper-NA EUV 微影曝光設備，但它必須價格合理。

Martin van den Brink 曾經(jīng)指出，Hyper-NA 微影曝光設備最終是否導入的決定，將取決于 ASML 能夠降低成本的程度。然而，在 ASML 與客戶討論了 Hyper-NA EUV 微影曝光設備的必要性和可行性之后，客戶使用 Hyper-NA EUV 微影曝光設備來大規(guī)模生產(chǎn)邏輯和存儲器芯片的技術條件已經(jīng)存在，這預計將是下一個十年半導體產(chǎn)業(yè)的重要變化。