ASML下一代光刻机进展：5nm分辨率，10年内落地

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10月9日消息，近日半导体设备龙头ASML与合作伙伴蔡司（Carl Zeiss）工程师共同发表了一篇题为《Hyper-NA: a system with a numerical aperture of at least 0.75》的研究论文，披露了新一代Hyper NA EUV光刻技术，有望在未来约10年内准备就绪，并将最小图案特征尺寸缩小至5nm，较现有High NA EUV设备进一步缩小超过三分之一。这篇文章已经刊登于《Journal of Micro/Nanopatterning，Materials and Metrology》。

根据ASML官网数据，目前EUV微影设备包括采用0.33数值孔径（NA）的NXE系列，以及采用0.55 NA的新一代High NA EUV（EXE系列）。其中，NXE系列分辨率约13nm，可应用于7nm、5nm、3nm及2nm等先进制程；High NA EUV则将分辨率提升至约8nm，锁定2nm及以下更先进制程需求。Hyper NA EUV目标将最小图案特征尺寸进一步缩小至5nm，有助于减少部分精细电路对多重图案化的依赖，并降低制程复杂度。目前英特尔已开始将High NA EUV导入生产，三星电子与SK海力士计划于2028年跟进，台积电则预计于2030年导入。但是，对于High NA EUV，ASML尚未正式决定是否投入商业化生产，相关技术挑战仍有待克服。

最新的论文进一步指出，蔡司目前已具备制造Hyper NA EUV所需高精度反射镜的能力，新设备体积预计仅略大于现有High NA EUV系统。论文分析称，从NA 0.55提升至0.75可沿用相同的折叠几何结构，因此新的系统体积几乎不会显著增加（现有High NA EUV设备体积已相当于一辆双层巴士），芯片制造商无需重建洁净室空间即可引入新设备。这一设计延续了从NA 0.33到0.55时所采用的同一折叠几何方案，使得Hyper NA能够无缝集成到ASML面向所有数值孔径的统一高吞吐量扫描平台中。论文还指出，若后续将NA进一步扩展至0.85，光刻系统体积将大幅增长，反而降低实用吸引力。

此外，Hyper NA EUV的另一项优势，在于能够沿用ASML现有的EUV光源。研究人员指出，现有光源可直接应用于Hyper NA EUV，即使采用自由电子激光（Free-Electron Laser，FEL）作为替代光源，也不会改变照明系统的设计。论文特别提到，这一特性对包括xLight在内的美国初创企业具有参考意义——xLight正在开发自由电子激光光源，埃隆·马斯克曾暗示其得州Terafab芯片厂可能采用该技术。

论文还显示，High NA和Hyper NA均采用变形放大倍率（anamorphic magnification），其掩膜角度分布呈约1:2的椭圆形，Hyper NA掩膜端的最大入射角相比High NA仅增加约1度，因此现有掩膜基础设施预计可在无需或仅需极小修改的情况下复用。论文的初步详细模拟结果确认了这一判断，显示掩膜三维效应在可接受的范围内。

不过，研究人员也指出，Hyper NA的主要技术挑战集中在更低的可用景深上。这需要更薄的光刻胶，同时改进扫描设备的聚焦控制、晶圆平整度以及工艺控制能力。 若要进一步突破Hyper NA的解析能力限制，未来光刻设备可能需要采用波长更短的光源，但相关技术目前仍处于学术研究阶段。当前EUV系统使用13.5nm波长，而向更短波长（如6.7nm）的过渡面临多层反射镜角度带宽收窄等根本性限制，相关材料与光学技术距离工程化仍有较大距离。 尽管Hyper NA有望延续现有EUV技术路线，实际商业化时间仍有待ASML后续确认。