下一代EUV光刻機何時能見到？ASML這樣說

近日，ASML發布了2022年度的財報。在這份報告中，ASML除了詳細介紹了公司的年度收入以外，關于技術未來發展的一些信息也是筆者在粗略閱讀這篇報告時關注的另一個重點，這也是他們過去幾十年里一直堅持在做的工作。

如在2022年，ASML就實現了不少重要進展：例如在 DUV 方面，他們交付了NXT KrF 系統的首臺設備TWINSCAN NXT:870和第一臺 TWINSCAN NXT:2100i。和大多數讀者一樣，筆者較為關心ASML在下一代EUV光刻機——High NA EUV光刻機方面的進展。

按照ASML所說，在歷經六年的研發后，他們在2022年收到了供應商提供的第一個高數值孔徑機械投影光學器件和照明器（illuminator）以及新的晶圓載物臺（wafer stage）。這些模塊將用于EXE:5000的初始測試和集成，是一個重要的步驟。

ASML同時指出，2022 年，公司收到了所有現有 EUV 客戶的采購訂單，要求交付業界首個 TWINSCAN EXE:5200 系統——具有High-NA 和每小時 220 片晶圓生產率的 EUV 大批量生產系統。

關于未來的EUV光刻機發展路徑，ASML首席技術官Martin van den Brink在財報中透露，他認為Hyper-NA EUV有望在這個十年結束后成為現實。

一條公式指導的行業

在ASML全球各地的辦公室，都粘貼著一個光學領域的公式——瑞利準則。

其中，CD （critical dimension）是臨界尺寸，用以衡量光刻系統可以印刷的最小結構的尺寸；λ是光源的波長；NA為數值孔徑，表示光線的入射角；k1 一個是與光學和工藝優化相關的常數。

如公式所示，為了讓CD更小，在k1不變的情況下，可以縮小λ，或者提高NA。這也正是過去多年光刻機光源從波長為365nm的i-line、KrF、ArF、ArF Immersion向波長為13.5nm的EUV演進的原因。

至于NA方面，按照ASML所說，使用較大NA 的透鏡/反射鏡，可以打印較小的結構。而除了更大的鏡頭外，ASML還通過在最后一個鏡頭元件和晶圓之間保持一層薄薄的水膜，利用水的breaking index 來增加 NA（所謂的浸沒系統），從而增加了我們 ArF 系統的 NA。而在波長向 EUV 邁進之后，ASML 也正在開發下一代 EUV 系統——EUV 0.55 NA（高 NA），我們將數值孔徑從 0.33 提高到 0.55。

ASML解析道，光刻系統本質上是一個投影系統。例如在其DUV 系統中，光線通過將要打印的圖案藍圖（稱為“mask”或“reticle”）投射；而在EUV 系統中，光通過reticle反射。通過在光中編碼圖案（pattern encoded），系統的光學器件會收縮（shrink）并將圖案聚焦到光敏硅片上。圖案打印完成后，系統會稍微移動晶圓，并在晶圓上制作另一份副本。

在芯片制造過程中，光刻機不斷重復這個過程，直到晶圓被圖案覆蓋，完成晶圓芯片的一層。要制作完整的微芯片，需要逐層重復此過程，堆疊圖案以創建集成電路 (IC)。按照ASML解析說，最簡單的芯片有大約 40 層，而而最復雜的芯片可以有 150 多層。

“要打印的特征的大小因層而異，這意味著不同類型的光刻系統用于不同的層——我們最新一代的 EUV 系統用于具有最小特征的最關鍵層，而我們的 ArFi， ArF、KrF 和 i-line 系統可用于具有較大特征的不太關鍵的層。”ASML在財報中說。

如上文所說，為了在關鍵層做更小的CD，ASML正在推進數值孔徑為0.55的High-NA光刻機，Martin van den Brink表示，客戶將在2024到2025間在其上面進行研發，并有望在2025到2026年間進行大規模量產。

Hyper NA成為可能

在去年九月接受荷蘭媒體bits-chips采訪的時候Martin van den Brink曾直言：“光刻技術的過渡期很糟糕。因為如果你搞砸了，事情就會變得一團糟，尤其是現在這個組織已經這么大了。”他同時也指出，和從DUV向EUV演進不一樣，對于High-NA光刻機，風險會小很多，這主要是因為設備上的基礎設施改變不大。

“開發High-NA 技術的最大挑戰是為 EUV 光學器件構建計量工具。High-NA 反射鏡的尺寸是前一代產品的兩倍，并且需要在 20 皮米內保持平坦。要實現這些目的，需要在一個大到‘你可以在其中容納半個公司’的真空容器中進行驗證。”Martin van den Brink說。

Martin van den Brink表示，在2017年剛開始啟動High NA EUV項目的時候，他認為這將是EUV光刻機的最后一個NA，因為當時的他認為，High NA來得太晚了，沒有足夠的微縮能夠來收回投資。

他同時還透露，最開始其合作伙伴蔡司也不是很想參與這個項目。

雖然困難重重，但High NA EUV光刻機就快成為現實了。正如報道中所說，半導體業界還想知道的一個事情是，High-NA是否還有繼任者。

報道指出，ASML 的技術副總裁 Jos Benschop 已經在2021年的 SPIE 高級光刻會議上透露，可能的替代方案，即波長的新臺階，不是一個選擇。這與角度有關——EUV 反射鏡反射光的效率在很大程度上取決于入射角。波長的降低會改變角度范圍，這樣透鏡就必須變得太大而無法補償。雖然ASML 正在研究它，但Van den Brink表示，就個人而言，他不認為 hyper-NA 會被證明是可行的。“我們正在研究它，但這并不意味著它會投入生產。多年來，我一直懷疑 high-NA 將是最后一個 NA，而且這個信念沒有改變。”Van den Brink說。

據他所說，從技術上看，hyper-NA（高于0.7，可能是0.75）理論上是可以做到的。但他也同時提出：市場上還有多少空間可以容納更大的鏡頭？我們可以出售這些系統嗎？他在當時還強調，如果Hyper-NA 的成本增長速度與我們在 high-NA 中看到的一樣快，那么它在經濟上幾乎是不可行的。

但是，在日前的財報中，Van den Brink說，我可以談論 NA 高于 0.7 的 EUV（稱為 Hyper NA）可能在本十年結束后不久成為現實（I could talk about EUV with an NA higher than 0.7 (known as Hyper NA) potentially becoming a reality shortly after the end of this decade）；。然而，接下來最合適的指南實際上是：這一切都取決于成本。我們需要越來越多地關注降低成本——這意味著不是減少資源，而是確保我們推向市場的解決方案更簡單、更可持續、更有效、更易于維護、更易于制造且更具可擴展性。

Van den Brink強調，如果我在不了解對這些產品施加的成本和復雜性限制，就貿貿然轉向下一個產品是不負責任的。這也正是ASML對將于 2023 年上市的新型光學計量系統所做的。公司在緊張的成本參數范圍內重新審視了這個項目，并且已經能夠實現比以前更具成本效益許多倍的新技術。同樣，ASML正在繼續努力控制當前0.33 NA EUV 系統以及High-NA 和 Hyper-NA 系統的成本，以確保微縮的需求仍然強勁。

“十年前，當我們開發 High-NA 時，我們無法想象 NA 超過 0.55 甚至存在。所以 Hyper-NA 是非常非常難以實現的。很棒的是我們的業務和研發能力可以同時處理所有這些事情。我們可以開發像 Hyper-NA 這樣的技術，同時關注成本控制、簡單性、可持續性、可制造性和可維護性。”Van den Brink在財報中說。

換而言之，Hyper-NA EUV光刻機可能真的要成為現實了。