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詳解ASML High-NA EUV光刻機

2024-03-27
來源:半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫
關(guān)鍵詞: ASML High-NA 英特爾 光刻機

光刻機一直是半導(dǎo)體領(lǐng)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ);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(yù)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。

01 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(guān)實驗與測試,以便公司更好地了解High-NA EUV設(shè)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。

02 為什么需要High-NA光刻機?

DUV向EUV邁進

在DUV世代,科學(xué)家們一直進行研究將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)),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。

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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(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。

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?qū)ΣㄩL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(yù)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(xué)鏡頭、雙工作臺系統(tǒng)等核心技術(shù),這些技術(shù)的結(jié)合使得EUV光刻機能夠?qū)崿F(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(shù)被設(shè)計為使用標準EUV雙圖案化技術(shù)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(xué)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(jié)構(gòu),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(xué)系統(tǒng)。

因此,High-NA應(yīng)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(yù)計,這即使對于1nm節(jié)點技術(shù),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。

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03 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(fù)雜性和制造成本,并是制造2nm及以下的尖端制程的關(guān)鍵設(shè)備。High-NA 不僅需要新的光學(xué)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(xué)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(dǎo)體的性能、功率、面積和成本(PPAc)等方面的優(yōu)勢,已經(jīng)領(lǐng)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(shè)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(shù)的競爭中取得先行優(yōu)勢。通過使用這種先進的光刻技術(shù),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(xué)習(xí)方面,英特爾將領(lǐng)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(zhuǎn)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(shù)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(shù)的應(yīng)用充滿信心,并計劃在未來幾年內(nèi)將這一技術(shù)應(yīng)用于其主要的芯片生產(chǎn)中。High-NA EUV光刻技術(shù),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(dǎo)體制造領(lǐng)域的一大進步,也展示出其在推動先進光刻技術(shù)發(fā)展方面的決心和能力。

04 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(shè)備巨頭ASML再次宣布,將在韓國共同投資設(shè)立半導(dǎo)體先進制程研發(fā)中心,并計劃自2027年起引入High-NA EUV設(shè)備。

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

05 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(shù)的進展。

ASML 技術(shù)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(shè)備無疑的是一個發(fā)展芯片生產(chǎn)技術(shù)的機會,而且從2030 年左右開始獲得應(yīng)用。預(yù)計,Hyper-NA 微影曝光設(shè)備可能與邏輯芯片最相關(guān),并且將提供比High-NA 微影光設(shè)備更實惠的解決方案。而對ASML 來說,關(guān)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(fù)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。

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憑借晶體管技術(shù)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(xué)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(shè)備的設(shè)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(shè)備的成本預(yù)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(shè)備是否可以在技術(shù)上實現(xiàn),以及對于領(lǐng)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(lǐng)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(shè)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(shè)備最終是否導(dǎo)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(shè)備的必要性和可行性之后,客戶使用Hyper-NA EUV 微影曝光設(shè)備來大規(guī)模生產(chǎn)邏輯和存儲器芯片的技術(shù)條件已經(jīng)存在,這預(yù)計將是下一個十年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要變化。


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