High-NA EUV光刻机入场，究竟有多强？

光刻机一直是半导体领域的一个热门话题。

从早期的深紫外光刻机（DUV）起步，其稳定可靠的性能为半导体产业的发展奠定了坚实基础；再到后来的极紫外光刻机（EUV）以其独特的极紫外光源和更短的波长，成功将光刻精度推向了新的高度；再到如今的高数值孔径光刻机（High-NA）正式登上历史舞台，进一步提升了光刻的精度和效率，为制造更小、更精密的芯片提供了可能。

ASML官网显示，其组装了两个TWINSCAN EXE:5000高数值孔径光刻系统。其中一个由ASM与imec合作开发，将于2024年安装在ASML与imec的联合实验室中，预计2025年投入量产。另一个由英特尔在2018年订购， 2023 年 12 月，ASML正式向英特尔交付了*High-NA EUV 光刻系统——TWINSCAN EXE:5000的首批模块。

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首台High-NA EUV光刻机拆箱

今年1月，ASML首台High-NA EUV光刻机的主要组件抵达英特尔，随后在3月初，英特尔分享了一段视频，展示了在英特尔位于美国俄勒冈州的 D1X 工厂内，ASML 工程团队安装调试的部分画面。

ASML 发言人 Monique Mols 在公司举行的媒体参观活动中表示，安装这台重达 150000 公斤的系统共计用时 6 个月，需要 250 个集装箱和 250 名工程师。一旦组装完成，这台机器将高达3层楼高，这迫使英特尔建造一个新的（更高的）厂房扩建来容纳它。据估计，每台这样的High-NA EUV光刻机的价格可能在3亿至4亿美元之间。

值得注意的是，英特尔也是业界*订购 TWINSCAN EXE:5200光刻机的公司，该订单的下单时间在2022年1月。

根据ASML的路线图，*代的High-NA EUV光刻机TWINSCAN EXE:5000或许主要是被晶圆制造商用于相关实验与测试，以便公司更好地了解High-NA EUV设备的使用，获得宝贵经验。实际量产将会依赖于2024年底出货的TWINSCAN EXE:5200。

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为什么需要High-NA光刻机？

DUV向EUV迈进

在DUV世代，科学家们一直进行研究将DUV光刻技术 推向极限。为了减小可光刻的最小特征的尺寸（称为临界尺寸 (CD)），可以通过调整两个主要的参数：光的波长 λ 和数值孔径 NA。

光刻分辨率（R）主要由三个因数决定，分别是光的波长（λ）、光可穿过透镜的最 大角度（镜头孔径角半角θ）的正弦值（sinθ）、折射率（n）以及系数k1有关。除了光刻分辨率之外，焦距深度（ Depth of Focus，DOF）也至关重要，大的焦深可以增大刻蚀的清晰范围，提高光刻的质量，而焦距深度也可以通过提高系统的折射率（n）来改进。

然而，现在的 DUV 系统中已经没有多少空间可以调整这些参数了。

进入EUV世代，EUV 光刻则能够对波长参数进行重大调整：它使用 13.5 nm 光，而最高分辨率 DUV 系统则使用 193 nm 光。第 一个预生产 EUV 光刻平台 NXE 于 2010 年首次发货时，它的 CD 从 DUV 的 30 nm 以上下降到 EUV 的 13 nm。

此外，EUV光刻机不仅调整了波长参数，还具备光源系统、光学镜头、双工作台系统等核心技术，这些技术的结合使得EUV光刻机能够实现高效的投影光刻，无损伤地处理任意图形。

EUV向High-NA EUV迈进

ASML目前的EUV工具的数值孔径为0.33，可实现13.5nm左右的分辨率，透过单次曝光，可以产生26nm的最小金属间距和25-30nm尖端到尖端的近似互连空间间距，这些尺寸足以满足4/5nm节点制程的生产需求。尽管如此，业界仍然需要更小的21-24nm间距的3nm制程工艺，这就是为什么台积电的N3B制程技术被设计为使用标准EUV双图案化技术来实现更小的间距，但这种方法将会相当昂贵。

改变波长之后再进一步提升EUV光刻机的分辨率就要从NA指标上下手了。

在这里解释一下“NA”即光学系统的数值孔径，表示光线的入射角度，使用更大的NA透镜可以打印出更小的结构，目前的EUV光刻机使用的还是NA=0.33的物镜系统，下一代的目标就是NA=0.5及以上的光学系统。

因此，High-NA应运而生。目前ASML已经开始交付的首 款High-NA EUV系统数值孔径已经由传统EUV的0.33提升到了0.55，分辨率也由13.5nm提升到了8nm，可以实现16nm的最小金属间距，对于2nm以下制程节点将非常有用。根据Imec的预计，这即使对于1nm节点技术，High-NA EUV系统也能提供解决方案。另外，在生产效率方面，High-NA EUV系统每小时可光刻超过 185 个晶圆，与已在大批量制造中使用的 EUV 系统相比还有所增加。ASML还制定了到 2025 年将新一代High-NA EUV系统（EXE:5200）的生产效率提高到每小时 220 片晶圆的路线图。

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High-NA EUV光刻机对英特尔来说意味什么？

High-NA EUV被认为是可以降低工艺复杂性和制造成本，并是制造2nm及以下的尖端制程的关键设备。High-NA 不仅需要新的光学器件，还需要新的光源材料，例如德国蔡司在真空中制造的一个由抛光、超光滑曲面镜组成的光学系统，甚至还需要新的更大的厂房来容纳这种机器，这都将需要大量投资。

即便如此，为了保持半导体的性能、功率、面积和成本（PPAc）等方面的优势，已经领 先的制造商们诸如台积电、三星、英特尔、SK海力士等世界头部逻辑芯片和存储芯片制造商，为了率先并更多拿到ASML最 先进的光刻机已经争得不可开交。早在 2020 ~ 2021 年，ASML 就表示已经收到了三家客户的 High-NA 意向订单，共提供多达 12 套系统。

英特尔率先拿到该设备，无疑会极大地提升其芯片制造能力和效率，并帮助英特尔在未来先进制程技术的竞争中取得先行优势。通过使用这种先进的光刻技术，英特尔可以生产出2nm及更小、更快的芯片，从而在市场上获得更大的竞争优势。此外，随着芯片制程的缩小，英特尔可以进一步降低生产成本，提高产品竞争力。

此外，在高数值孔径学习方面，英特尔将领 先于其竞争对手，这将为其带来多项优势。具体来说，由于英特尔很可能是第 一家使用高数值孔径工具启动大批量生产的公司，因此晶圆厂工具生态系统将不可避免地遵循其要求。上述要求可能会转化为行业标准，这可能会使英特尔比台积电和三星更具优势。

目前英特尔已经完成了英特尔 18A（1.8nm）和英特尔 20A（2nm）制造工艺的开发，其中英特尔 20A计划于2024年上半年投入使用，而进展良好的英特尔 18A制造技术也将提前到2024年下半年进入大批量制造。这表明英特尔对High-NA EUV技术的应用充满信心，并计划在未来几年内将这一技术应用于其主要的芯片生产中。High-NA EUV光刻技术，可以给英特尔带来更低的生产成本和更高的产品竞争力。

综上所述，英特尔获得的全球首台High-NA EUV光刻机不仅标志着该公司在半导体制造领域的一大进步，也展示出其在推动先进光刻技术发展方面的决心和能力。

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ASML的High-NA EUV光刻机产量

目前ASML已从英特尔和SK海力士等公司获得了High-NA EUV光刻机的订单，数量在10至20台之间。与此同时，ASML计划到2028年，每年生产20台High-NA EUV光刻机，以满足市场的需求。

根据集邦咨询的报告显示，ASML将在2024年生产最多10台新一代High-NA EUV极紫外光刻机，其中英特尔就定了多达6台。

三星也在积极寻求获得High-NA EUV。2022年 6 月三星电子与ASML就采购高数值孔径EUV达成协议。今年2月，三星电子与荷兰设备巨头ASML再次宣布，将在韩国共同投资设立半导体先进制程研发中心，并计划自2027年起引入High-NA EUV设备。

三星此次与ASML的合作表明了其在半导体技术领域的雄心壮志。通过共同研发和引进High-NA EUV设备，三星将能够进一步提升其芯片制造工艺，并在全球半导体市场中获得更大的竞争优势。值得注意的是，High-NA EUV设备的引进和应用也面临着挑战，包括设备价格高昂、良率问题以及生产过程中的技术难题等。

三星负责存储器生产的研究员Young Seog Kang曾表示：用户最关心的是总成本问题，前Low-NA已经投入使用，相比High-NA EUV，芯片制造商可能更愿意使用更经济可行的Low-NA EUV以双重曝光或采用先进封装技术作为补充。因此High-NA EUV可能更有利于逻辑芯片制造，存储器或面临成本问题。

相比之下，台积电并不急于在短期内采用高数值孔径 EUV，华兴资本董事总经理吴思浩说，台积电可能需要数年时间才能在 2030 年或以后赶上这一潮流。

SemiAnalysis 和华兴资本分析师指出，台积电暂时不会跟进采用这项技术，主因在于，使用高数值孔径 EUV 的成本，可能比使用 Low-NA EUV 还高，至少在初期是这样，尽管低成本的代价是生产出来的晶体管密度较低。台积电采用EUV的时间就比三星要晚几个月，但是要比英特尔早几年。

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Hyper-NA EUV是未来十年的重要改变

近日，AMSL在其2023年度报告当中还披露了其未来更为先进的Hyper-NA EUV技术的进展。

ASML 技术长Martin van den Brink 在ASML 2023 年年度报告中表示，NA 值高于0.7 的Hyper-NA 微影曝光设备无疑的是一个发展芯片生产技术的机会，而且从2030 年左右开始获得应用。预计，Hyper-NA 微影曝光设备可能与逻辑芯片最相关，并且将提供比High-NA 微影光设备更实惠的解决方案。而对ASML 来说，关键是Hyper-NA 正在推动整体EUV 发展平台，以改善成本和交货时间。

未来，随着制程工艺的继续推进，当进入1nm制程工艺节点之后，晶体管的金属间距将需要变得更小。届时晶圆制造商将需要比High-NA EUV光刻机更复杂的工具，这也是ASML为何计划开发出具有更高数值孔径Hyper NA EUV光刻机的原因。

凭借晶体管技术以及先进的制造工具的出现，2030年将进入7埃米（0.7nm）时代，2032年将有望进化到5埃米（0.5nm），2036年将有望实现2埃米（0.2nm）。

增加投影光学元件的数值孔径是一个成本高昂的决定，其中牵涉对微影曝光设备的设计需要进行重大改变。特别是这包括机器的物理尺寸、并需要开发许多新组件，还有成本增加的因素。ASML 最近透露，标准数值孔径EUV Twinscan NXE 售价约为1.83 亿美元，而High-NA EUV 的Twinscan EXE 的售价约为3.8 亿美元或更高。

至于，接下来的Hyper-NA 微影曝光设备的成本预计将会更高的情况下，ASML 必须解决两个问题，就是Hyper-NA 微影曝光设备是否可以在技术上实现，以及对于领 先的逻辑芯片制造商来说是否在成本上负担得起。当前，全球只剩下三个领 先的逻辑芯片制造商，包括英特尔、三星和台积电。日本的Rapidus 尚未发展成为有能力的竞争对手。因此，虽然需要Hyper-NA EUV 微影曝光设备，但它必须价格合理。

Martin van den Brink 曾经指出，Hyper-NA 微影曝光设备最终是否导入的决定，将取决于ASML能够降低成本的程度。然而，在ASML 与客户讨论了Hyper-NA EUV 微影曝光设备的必要性和可行性之后，客户使用Hyper-NA EUV 微影曝光设备来大规模生产逻辑和存储器芯片的技术条件已经存在，这预计将是下一个十年半导体产业的重要变化。

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