04 — HIGH-NA
High-NA 為什麼行,代價是什麼
把鏡頭做大,一次就印到 8 nm;但鏡頭一大,景深變淺、光打到光罩的角度變大,最後連一次能印的面積都少一半。
把光錐張大:NA 0.33 → 0.55
High-NA 的做法很「暴力」:把蔡司的投影鏡做得更大,讓鏡頭能收進更大角度的光,NA 從 0.33 拉到 0.55。代入公式,單次曝光的解析度從 13 nm 進步到 8 nm,影像對比提高 40%,ASML 說可以單次印出小 1.7 倍的特徵、電晶體密度提高 2.9 倍。白話:原本要印兩次的層,現在印一次。代價也從這裡來——光圈開大,景深就淺:景深與 NA² 成反比,從 120 nm 掉到約 40 nm。
圖 3|算式骨架:解析度公式裡三個變數,波長與 k₁ 都已到底,High-NA 是「拉最後一個變數」。代價也從這裡來:NA 越大,景深(能容忍的對焦誤差)以 NA² 反比縮小——120 nm 變約 40 nm,第 05 節再談。
代價一:鏡子太大擋到光,只好「一邊縮 4 倍、一邊縮 8 倍」
鏡子變大之後,光斜射到反射式光罩的角度變大,光罩上的圖案會互相遮蔽、對比惡化——多層膜鏡只在約 ±11° 內反射得好,0.55 NA 照舊縮 4 倍,角度會到 17°。ASML 與蔡司的解法是變形光學:投影鏡在一個軸向縮小 4 倍、另一軸縮小 8 倍。好處是光罩可以沿用業界的 6 吋標準片;壞處是同一張光罩在晶圓上印出的面積直接少一半:曝光場從 26×33 mm 變成 26×16.5 mm。
圖 4|為什麼先後順序是晶片尺寸決定的:High-NA 的半場曝光對小晶片幾乎沒差,對接近滿光罩的 AI 大晶片卻是硬傷——要兩張光罩拼接,接縫處的對準與良率是新的風險,設計自由度也被切掉。ASML 自己的對策是把晶圓台加速度拉到 8g、光罩台 32g,用更快的移動補回一半產能;更根本的對策是 12 吋光罩。
代價二:機器貴一倍、每次曝光更貴
EXE:5200B 單價約 3.5~4 億美元,是 Low-NA 的近兩倍;產出規格 175 WPH 還比 Low-NA 的 220 WPH 低(且是在較高劑量下量的)。外部分析估算 High-NA 每次曝光的成本約是 Low-NA 的 2~2.5 倍外部分析估——換句話說,「新機器印一次」不一定比「舊機器印兩次」便宜,要看那一層原本要印幾次、晶片要不要拼接。這就是台積電算盤裡最關鍵的一格。
一句話記住 High-NA 的交易:用兩倍的機台錢、一半的曝光面積,換一次曝光印到 8 nm。對小晶片是划算的升級,對大晶片要先解決拼接;12 吋光罩就是為了把「一半面積」那項代價抹掉。