支持2埃米量產(chǎn)！ASML最新路線圖曝光：2030年推出Hyper NA EUV！

近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體尖端制程工藝越來(lái)越逼近物理極限，荷蘭光刻機(jī)大廠ASML生產(chǎn)的EUV光刻機(jī)已經(jīng)成為了繼續(xù)推動(dòng)晶體管微縮的關(guān)鍵設(shè)備，而當(dāng)制程工藝進(jìn)入2nm以下的埃米時(shí)代，可能就需要用到售價(jià)高達(dá)3.5億歐元的High NA EUV（0.55NA）光刻機(jī)。在2023年底，ASML已經(jīng)開(kāi)始向英特爾交付了首套High NA EUV光刻機(jī)，英特爾也于上個(gè)月完成了組裝。雖然，High NA EUV光刻機(jī)剛開(kāi)始出貨，但是ASML已經(jīng)在加緊研發(fā)新一代的Hyper-NA EUV光刻機(jī)，為其尋找合適的解決方案。根據(jù)EETimes報(bào)導(dǎo)，ASML近期公布了還處于開(kāi)發(fā)早期階段的Hyper NA EUV光刻機(jī)的技術(shù)藍(lán)圖，預(yù)計(jì)最快將會(huì)在2030年推出。

Hyper NA EUV光刻機(jī)2030年推出

ASML前總裁兼首席技術(shù)官、現(xiàn)任公司顧問(wèn)Martin van den Brink在2024年5月舉行的imec ITF World的演講中宣布，ASML已經(jīng)可用其試驗(yàn)性質(zhì)的High NA EUV（EXE：5200）光刻機(jī)打印生產(chǎn)8nm線寬，這是的新紀(jì)錄，這打破了該公司在4月初當(dāng)時(shí)創(chuàng)下的記錄（10nm線寬），而且還具有一定程度的重疊覆蓋。Martin van den Brink強(qiáng)調(diào)，ASML當(dāng)前已經(jīng)取得了出色的進(jìn)展，因此，對(duì)High NA EUV光刻機(jī)的發(fā)展充滿信心，預(yù)計(jì)未來(lái)將能夠繼續(xù)突破其極限。

同時(shí)，Martin van den Brink還透露，ASML計(jì)劃在2030年左右正式推出Hyper NA EUV光刻機(jī)，其數(shù)值孔徑（NA）將達(dá)到0.75，以便實(shí)現(xiàn)更高分辨率的圖案化及更小的晶體管特征。相較之下，High NA EUV光刻機(jī)的數(shù)值孔徑為0.55，標(biāo)準(zhǔn)EUV光刻機(jī)則是0.33。對(duì)于ASML而言，“十年后，我們將擁有一個(gè)Low NA、High NA 和 Hyper NA 的共用的單一EUV平臺(tái)”，借此可以進(jìn)一步改善成本和交貨時(shí)間。

從最新曝光的ASML光刻機(jī)路線圖來(lái)看，0.75NA的Hyper NA EUV光刻機(jī)的型號(hào)的前綴為“HXE”，預(yù)計(jì)首款產(chǎn)品將會(huì)在2030年前后推出。

imec圖案化項(xiàng)目總監(jiān)Kurt Ronse也感嘆道，這是 ASML 首次將 Hyper NA EUV光刻機(jī)添加到其產(chǎn)品路線圖當(dāng)中。

從設(shè)備生產(chǎn)效率的路線圖來(lái)看，ASML剛剛出貨的High NA EUV光刻機(jī)（EXE:5000），目前的生產(chǎn)速度僅每小時(shí)150片晶圓，預(yù)計(jì)到2026年左右，將會(huì)提升到每小時(shí)約200片晶圓，屆時(shí)也會(huì)推出第二代的High NA EUV光刻機(jī)（EXE：5200B），2028年前后會(huì)推出第三代的High NA EUV光刻機(jī)（EXE：5400），2030年前后將會(huì)推出更高速的第四代High NA EUV光刻機(jī)（EXE：5600），將采用高透射率、低PFR的柔性發(fā)光器。后續(xù)到2035年前后，新的High NA EUV光刻機(jī)產(chǎn)能將會(huì)提高到每小時(shí)300片晶圓，達(dá)到目前出貨的High NA EUV光刻機(jī)（EXE：5000）產(chǎn)能的2倍。但是該路線圖并未透露Hyper NA EUV光刻機(jī)的生產(chǎn)效率數(shù)據(jù)，不過(guò)考慮到Hyper NA EUV光刻的機(jī)的復(fù)雜度及面臨的更多的挑戰(zhàn)，預(yù)計(jì)初期的產(chǎn)能將會(huì)低于每小時(shí)200片晶圓。

從支持的工藝節(jié)點(diǎn)來(lái)看，根據(jù)Martin van den Brink 此前披露的未來(lái)15年的邏輯器件的工藝路線圖來(lái)看，利用目前的0.3NA的標(biāo)準(zhǔn)型EUV光刻機(jī)支持到2025年2nm的量產(chǎn)，再往下就需要通過(guò)多重曝光技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但支持到2027年量產(chǎn)的1.4nm將會(huì)是極限。而0.55NA的High NA EUV光刻機(jī)則可以支持到2029年1nm制程的量產(chǎn)，如果采用多重曝光，則可以支持到2033年量產(chǎn)的5埃米（0.5nm）制程節(jié)點(diǎn)，再往下就可能必須要采用0.75NA的Hyper NA EUV光刻機(jī)，或許可以支持到2埃米（0.2nm）以下的制程節(jié)點(diǎn)，這里路線圖上打了一個(gè)問(wèn)號(hào)，所以不確定Hyper NA EUV光刻機(jī)能否支持下去。

這里需要強(qiáng)調(diào)的是，雖然一個(gè)硅原子的直徑大概就在1埃米左右，但是這里的所有的制程節(jié)點(diǎn)命名都只是等效指標(biāo)，并不是真實(shí)的物理指標(biāo)。2埃米制程節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)的晶體管的金屬間距為大約在16-12nm，進(jìn)入到2埃米以下制程以下，金屬間距才會(huì)進(jìn)一步縮小到14-10nm。

當(dāng)然，這里光有先進(jìn)的先進(jìn)的光刻機(jī)是不夠的，還需要先進(jìn)的掩模和光刻膠，以及更復(fù)雜的晶體管架構(gòu)來(lái)進(jìn)行支持，這需要大量的研發(fā)資金投入。

目前，其他使用 EUV 光刻機(jī)的領(lǐng)先芯片制造商，如三星、美光和 SK 海力士，也在考慮High NA EUV光刻機(jī)。臺(tái)積電可能也會(huì)提前使用這項(xiàng)技術(shù)。ASML上周暗示，可能將在2024年底前向臺(tái)積電出貨High NA EUV光刻機(jī)。

Ronse 表示：“High NA 應(yīng)該會(huì)持續(xù)貫穿從 2nm 到 1.4nm、10埃米甚至7埃米的工藝節(jié)點(diǎn)?！彼a(bǔ)充說(shuō)，此后，Hyper NA 將開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo)地位。

Hyper NA EUV面臨的挑戰(zhàn)

“imec 在兩年前就已經(jīng)開(kāi)始利用計(jì)算機(jī)模擬研究 Hyper NA。目前有很多研究正在進(jìn)行，我們能把NA提高到 0.55 以上，未來(lái)能達(dá)到 0.75、0.85 嗎？Hyper NA肯定會(huì)帶來(lái)一些新挑戰(zhàn)?！弊鳛榕c ASML 合作開(kāi)發(fā)光刻技術(shù)已有 30 多年的老將，Kurt Ronse分析道：“其中一個(gè)挑戰(zhàn)是，光的偏振從 0.55 NA 左右開(kāi)始。如果高于 0.55 NA，你很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)偏振正在破壞對(duì)比度，因?yàn)槠穹较蛑换旧系窒斯饩€，你需要偏振器來(lái)避免這種情況。”但是，偏振器的缺點(diǎn)是阻擋光線、降低能效并增加生產(chǎn)成本。

“Hyper NA 的另一個(gè)挑戰(zhàn)是光刻膠。在 0.55 NA 時(shí)，我們就已經(jīng)將光刻膠變薄了。而Hyper NA 的情況則更糟。這將給蝕刻選擇性帶來(lái)更多挑戰(zhàn)。”Kurt Ronse說(shuō)道。

雖然ASML已經(jīng)向英特爾交付了首臺(tái)High NA EUV光刻機(jī)，但英特爾目前只是將High NA EUV光刻機(jī)用于其Intel 18A工藝的測(cè)試，以積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，后續(xù)要等到2026年才會(huì)被用于Intel 14A的量產(chǎn)。另外臺(tái)積電高管此前也曾公開(kāi)表示，High NA EUV光刻機(jī)太過(guò)昂貴，臺(tái)積電依靠現(xiàn)有的常規(guī)EUV光刻機(jī)能力可支持到2026年的A16制程量產(chǎn)。

Ronse 表示：“臺(tái)積電目前還不需要High NA EUV光刻機(jī)，它可以將其在雙重圖案化方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)與現(xiàn)有的 EUV 工具結(jié)合起來(lái)。雙重曝光中真正關(guān)鍵的是邊緣位置誤差，兩個(gè)掩模必須完全對(duì)齊。而且雙重圖案化，意味著必須把所有事情都做兩遍，這很容易導(dǎo)致成本增加?！盧onse 補(bǔ)充道：“英特爾希望避免這種情況，他們可能沒(méi)有像臺(tái)積電那樣掌握EUV雙重曝光。因此，他們更喜歡使用High NA EUV 來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的分辨率?！?/p>

Martin van den Brink 在 Imec ITF World論壇上表示：“Hyper NA 這種分辨率更高的工具對(duì)于減少工藝步驟至關(guān)重要，從而降低處理晶圓所需的成本和能源。“Hyper NA 讓我們遠(yuǎn)離雙重圖案化的危險(xiǎn)復(fù)雜性，”Martin van den Brink 說(shuō)道。

Hyper NA之后，未來(lái)在哪？

Martin van den Brink在2022年接受媒體采訪時(shí)就曾表示，Hyper NA可能將是最后一個(gè)NA，而且不一定能真正投入生產(chǎn)，這意味經(jīng)過(guò)數(shù)十年的光刻技術(shù)創(chuàng)新，我們可能會(huì)走到當(dāng)前半導(dǎo)體光刻技術(shù)之路的盡頭。即使Hyper NA能夠?qū)崿F(xiàn)，但是如果采用Hyper NA技術(shù)的制造成本增長(zhǎng)速度和目前High NA EUV技術(shù)一樣（單臺(tái)設(shè)備價(jià)格高達(dá)3.5億歐元），那么經(jīng)濟(jì)層面幾乎是不可行的。

不過(guò)，Martin van den Brink于2023年再次談到Hyper NA EUV技術(shù)之際，似乎增加了很多的信心，認(rèn)為Hyper NA EUV將是一個(gè)機(jī)會(huì)，將成為2030年之后的新愿景。在最新的演講當(dāng)中，Martin van den Brink認(rèn)為，未來(lái)Hyper NA EUV相比High NA EUV上采用雙重曝光的成本將會(huì)更低。

從其他技術(shù)路線來(lái)看，雖然佳能推出了納米壓印技術(shù)，希望能夠在某種程度上替代EUV光刻機(jī)，但是其生產(chǎn)率通常遠(yuǎn)低于High NA EUV光刻機(jī)。還有一種想法是，多束電子束光刻技術(shù)，它通過(guò)將圖案直接寫(xiě)入硅晶圓來(lái)消除使用昂貴的光掩模。唯一一家開(kāi)發(fā)電子束光刻工具的公司——總部位于荷蘭的 Mapper 公司已經(jīng)倒閉。

顯然，一旦未來(lái)Hyper NA也無(wú)路可走，那么就幾乎沒(méi)有其他替代品了?！澳銦o(wú)法想象會(huì)存在只有0.2nm的器件，”Ronse 說(shuō)道?！八挥袃蓚€(gè)原子。在某個(gè)時(shí)候，現(xiàn)有的光刻技術(shù)路線必然會(huì)終結(jié)?！?/p>

“或許新材料可能會(huì)取代硅。有些新材料具有更高的電子遷移率，”Ronse 說(shuō)道?！暗@些材料很難放到硅晶圓上。研究小組正在研究這個(gè)問(wèn)題。只有在電子必須通過(guò)的幾個(gè)層面上，你才需要沉積一層非常薄的新材料層。我們需要的是能夠在整個(gè)晶圓上均勻沉積該材料曾的專(zhuān)用設(shè)備。目前，它還在實(shí)驗(yàn)室里。我們只在小范圍內(nèi)進(jìn)行研究。將會(huì)有新的沉積設(shè)備。此外，蝕刻這些材料可能更加困難，因此我們需要新的蝕刻技術(shù)。”

編輯：芯智訊-浪客劍