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ASML控股公司的一位高管告訴路透社，下一代芯片制造機已經(jīng)準備就緒，制造商可以開始將其投入大規(guī)模生產(chǎn)，這對芯片行業(yè)來說是一大步。

這家荷蘭公司生產(chǎn)全球唯一商用極紫外光刻（EUV）設備，這是芯片制造商的關鍵設備。這款新設備將幫助臺積電以及英特爾等芯片制造商.數(shù)據(jù)顯示，通過消除芯片制造過程中幾個成本高昂且復雜的步驟，下一代EUV光刻機可以生產(chǎn)出功能更強大、效率更高的芯片。

ASML首席技術官馬可·皮特斯周三告訴路透社，ASML計劃于周四在圣何塞舉行的技術會議上發(fā)布這些數(shù)據(jù)，這代表著一個重要的里程碑。

ASML 花費數(shù)年時間開發(fā)出昂貴的下一代工具，因為芯片制造商一直在努力確定何時開始將其用于大規(guī)模生產(chǎn)才具有經(jīng)濟意義。

但鑒于當前一代 EUV 工具在制造復雜 AI 芯片方面已接近技術極限，下一代機器（稱為高數(shù)值孔徑 EUV 工具）對于 AI 行業(yè)至關重要，可以改進 OpenAI 的 ChatGPT 等聊天機器人，并幫助芯片制造商按時交付其 AI 芯片路線圖，以滿足激增的需求。

新工具造價約為 4 億美元，是原 EUV 機器造價的兩倍。

據(jù)皮特斯稱，ASML的數(shù)據(jù)顯示，高數(shù)值孔徑極紫外光刻機（High-NA EUV）的停機時間目前非常有限，已生產(chǎn)了50萬片餐盤大小的硅晶圓，并且能夠繪制出構成芯片電路的足夠精確的圖案。綜合這三項數(shù)據(jù)，表明這些設備已準備好投入制造商使用。

“我認為現(xiàn)在是時候關注已經(jīng)發(fā)生的學習周期數(shù)量了，”他說道，指的是客戶對機器進行的測試次數(shù)。

盡管這些技術已經(jīng)成熟，但企業(yè)仍需要兩到三年的時間進行足夠的測試和開發(fā)，才能將它們整合到生產(chǎn)制造中。

“（芯片制造商）擁有所有必要的知識來驗證這些工具的有效性，”皮特斯說。

皮特斯還表示，公司目前的正常運行時間約為80%，并計劃在年底前達到90%。他指出，ASML計劃發(fā)布的成像數(shù)據(jù)足以說服客戶用單步高數(shù)值孔徑（High-NA）工藝取代老一代設備的多步加工。這些設備已加工了50萬片晶圓，使公司得以解決許多技術難題。

為什么需要High NA？

過去兩年是高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術發(fā)展的重要篇章。隨著首批系統(tǒng)交付客戶，以及ASML與imec聯(lián)合成立的高數(shù)值孔徑極紫外光刻實驗室的啟動——這為整個生態(tài)系統(tǒng)提供了早期探索其潛力的機會——這項技術正獲得真正的發(fā)展動力。迄今為止，高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術展現(xiàn)出巨大的潛力，有望實現(xiàn)其在尺寸縮小、工藝簡化和設計靈活性方面的承諾。

釋放這些能力源于一種整體方法，該方法同時優(yōu)化材料和圖案化工藝、掩模和成像技術、光刻增強技術（例如光學鄰近校正 (OPC)）、計量和檢測以及設計。這是imec -ASML高數(shù)值孔徑EUV生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)強大合作的成果，該生態(tài)系統(tǒng)涵蓋了領先的芯片制造商、設備、材料和光刻膠供應商、掩模公司以及計量專家。

本文探討了高數(shù)值孔徑 EUV 光刻技術的關鍵驅(qū)動因素，并重點介紹了光刻和圖案化生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展中的轉(zhuǎn)折點，從而實現(xiàn)了該技術的實驗驗證。

高數(shù)值孔徑 EUV 驅(qū)動因素1：更高的分辨率和圖像對比度

與 0.33NA EUV 光刻相比，0.55NA EUV 光刻的數(shù)值孔徑 (NA) 提高了 67%，因此有望獲得更高的分辨率。

光刻系統(tǒng)的分辨率反映了該工具打印和分辨特定間距或關鍵尺寸 (CD) 特征的能力。瑞利方程提供了三個提高分辨率的途徑：使用更小的 k1 因子、使用更短波長的光以及提高系統(tǒng)投影鏡頭的數(shù)值孔徑 (NA)。k1 因子取決于許多與芯片制造工藝相關的因素，為了提高分辨率，通常會盡可能接近其物理極限 0.25。NA 控制用于成像的光量（更準確地說，是鏡頭捕獲的衍射級數(shù)）。低 NA (0.33) 和高 NA (0.55) EUV 光刻均使用波長為 13.5nm 的光。但高 NA EUV 的NA 值比低 NA EUV 高 67%，這使其在分辨率方面具有明顯優(yōu)勢，最終有望分辨出間距小至 16nm（或 CD 為 8nm）的線條。

2024年，imec在ASML-imec高數(shù)值孔徑EUV光刻實驗室中，利用0.55NA EUV光刻掃描儀（TWINSCAN EXE:5000）實現(xiàn)了16nm間距線/空的單次打印圖像，創(chuàng)造了世界紀錄[5,6]。這些圖像打印在專為高數(shù)值孔徑EUV光刻優(yōu)化的金屬氧化物光刻膠（MOR）上。同樣，接觸孔（打印在化學放大光刻膠（CAR）上）和柱狀結構（打印在MOR上）也展現(xiàn)了令人矚目的24nm間距（中心距）分辨率。

然而，最終分辨率僅僅是一種“光學”上的承諾，它反映的是圖像在照射到晶圓之前空中成像的質(zhì)量。在晶圓曝光過程中，空中成像會在光刻膠中形成圖案，這些圖案在顯影后會被進一步蝕刻到下層。因此，最終圖案化結構的分辨率也取決于圖案化過程中使用的材料（光刻膠、下層、硬掩模等）和蝕刻工藝的性能。工藝限制也可能影響300mm晶圓上結構的良率。

因此，高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術（High NA EUV）實現(xiàn)工業(yè)相關圖案化結構的分辨率極限將大于16nm間距。先進的光刻材料研發(fā)工作，特別是新型材料和磁光刻（MOR）技術的研發(fā)，對于使圖案化技術的分辨率盡可能接近高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術的理論極限至關重要。

2025 年，imec 展示了20nm 間距的金屬化線結構，該結構適用于工業(yè)大馬士革金屬化工藝，并展示了采用直接金屬蝕刻(DME) 金屬化方案獲得的20nm 和 18nm 間距的 Ru 線。這種極高的分辨率是通過整體方法實現(xiàn)的，該方法涉及對光學鄰近校正 (OPC) 技術、光掩模、光刻膠、底層和蝕刻工藝及材料的協(xié)同優(yōu)化。

高數(shù)值孔徑（NA）極紫外（EUV）光刻掃描儀中，投影透鏡接收到的光線具有比低數(shù)值孔徑（NA）EUV掃描儀更多的衍射級次。這增強了空中圖像的對比度——即光線穿過光掩模后明暗區(qū)域之間的強度差異——這也是其分辨率更高的原因。當光刻膠曝光于對比度更高的圖像時，印刷特征具有更好的局部關鍵尺寸（CD）均勻性（LCDU），并且粗糙度更低。這一結論已通過對各種29nm間距的六邊形孔和柱狀結構的實驗驗證，結果表明，與0.33NA印刷特征相比，LCDU提高了18%至42% 。

高圖像對比度還能降低在光刻膠上以足夠質(zhì)量印刷圖案所需的劑量尺寸比。這反過來又可以縮短曝光時間，從而提高掃描儀的吞吐量并降低工藝成本。對于間距為 29nm 的孔和柱狀圖案，使用 0.55NA EUV 光刻技術時，劑量尺寸比可降低約 60% 。

高數(shù)值孔徑 EUV 驅(qū)動因素2：工藝簡化

芯片行業(yè)可能會辯稱，20nm 的特征尺寸也可以使用低數(shù)值孔徑 (Low NA) 的極紫外 (EUV) 光刻技術進行圖案化。誠然如此，但這只能通過復雜的多次曝光步驟來實現(xiàn)。這涉及到將芯片圖案分割成兩個或多個“更簡單”的掩模，從而增加制造時間、降低良率、增加碳排放并提高成本。而高數(shù)值孔徑 (High NA) 的極紫外光刻技術提供的高分辨率則減少了多次曝光的需求，使得最小的芯片特征尺寸能夠在一次曝光中完成印刷。

對于A14 和 A10 邏輯節(jié)點，最關鍵的金屬層（即 M0 和 M2）的要求非常高：線/間距 ≤20nm，用于中斷線的密集端對端 (T2T) 結構（行業(yè)目標是 T2T 的 CD ≤15nm，LCDU ≤3nm），以及中心距 ≤30nm 的隨機通孔。0.33NA EUV 光刻需要 3-4 個掩模才能完成這些特征的圖案化，而 0.55NA EUV 光刻只需一次曝光即可完成，實驗已證實這一點。Imec 還可以克服實現(xiàn)良好T2T 控制的挑戰(zhàn)：通過協(xié)同優(yōu)化光源、掩模（使用低 n 相移掩模）、光刻膠和刻蝕工藝（使用定向刻蝕技術），可以實現(xiàn) 13nm T2T 結構低于 3nm 的目標 LCDU。

高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術能夠省去復雜的多重曝光步驟，使其成為未來DRAM節(jié)點（例如32nm (D1d) 和28nm (D0a) DRAM）發(fā)展路線圖的關鍵技術。對于這些節(jié)點，實驗已證實使用高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術對BLP/SNLP層（包含位線外圍和存儲節(jié)點焊盤的層）進行圖案化的可行性[4]。0.33NA極紫外光刻技術至少需要三個掩模才能完成BLP/SNLP層的圖案化，而0.55NA極紫外光刻技術僅需一個掩模即可完成相同的任務。

高數(shù)值孔徑 EUV 驅(qū)動因素 3：設計靈活性

在2000年代中后期，先進邏輯芯片的設計在最關鍵的層中從二維電路布局轉(zhuǎn)向了一維曼哈頓布局。這種設計上的“代價”是為了擴展193nm浸沒式光刻技術的應用范圍，使其能夠?qū)崿F(xiàn)更低k1值的單次曝光和多次曝光，從而為0.33NA EUV光刻技術的成熟做好準備。在二維雙向設計中，曼哈頓幾何結構用于在垂直和水平方向上形成電路。相比之下，一維或單向設計則僅在每一層中沿垂直或水平方向排列結構。盡管一維曼哈頓布局能夠提供高密度的表示，但它也存在一些局限性。例如，當需要將一條金屬線與相鄰的金屬線連接時，必須增加一層帶有通孔的結構——這不僅會增加晶圓成本，還會增加電流路徑的長度。

高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術帶來的分辨率飛躍，使1.5D和2D曼哈頓設計得以重新應用，甚至能夠引入曲線幾何形狀和路徑。這不僅為芯片設計人員提供了更大的靈活性，從而提升功耗和性能，而且還有可能減少面積消耗或?qū)訑?shù)，進而降低成本。

結論

開發(fā)高數(shù)值孔徑（High-NA）專用光刻和圖形化技術需要采用整體方法，才能驗證其三大優(yōu)勢：相較于0.33NA EUV光刻技術，分辨率和圖像對比度顯著提升；通過單次圖形化簡化工藝；以及通過1.5D、2D和曲面設計實現(xiàn)設計靈活性。Imec及其合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)正不斷突破這些技術的極限，開發(fā)下一代高數(shù)值孔徑EUV光刻和圖形化技術，為業(yè)界提供均衡的選擇。目前，研發(fā)工作正致力于解決諸如景深提升、隨機缺陷抑制和拼接技術等挑戰(zhàn)。

因此，高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術將成為未來先進技術（例如先進人工智能芯片、高性能計算和下一代存儲器）的關鍵推動因素。它被視為滿足人工智能和數(shù)據(jù)中心應用需求的必要條件，因為這些應用需要硬件快速發(fā)展。該技術在實現(xiàn)《歐洲芯片法案》中關于推動2納米以下邏輯技術節(jié)點的目標方面也發(fā)揮著關鍵作用。

（來源：編譯自imec）

*免責聲明：本文由作者原創(chuàng)。文章內(nèi)容系作者個人觀點，半導體行業(yè)觀察轉(zhuǎn)載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業(yè)觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯(lián)系半導體行業(yè)觀察。

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