Nästa generations EUV-maskin från ASML har tagit klivet in i faktisk volymproduktion, samtidigt som världens största kontraktstillverkare TSMC för första gången åtagit sig att använda tekniken. Uttalat är att TSMC avser introducera High-NA EUV i produktion av avancerade noder från år 2030. I dagsläget är totalt tio system av typen High-NA EUV i drift hos fyra kunder och ytterligare tre är under leverans och installation, medan Intel står ensam om att använda tekniken för enskilda lager på Intel 18A (1,8 nanometer) och processorfamiljen ”Panther Lake”.
Inom EUV-litografi är High-NA nästa steg och höjer den numeriska aperturen (NA) till 0,55 från 0,33 hos redan etablerade Low-NA EUV. Båda system använder extrem ultraviolett (EUV) strålning som ljuskälla med en våglängd om 13,5 nanometer, men den större aperturen förbättrar upplösningen från omkring 13 till 8 nanometer. Upplösning i sammanhanget är den minsta kritiska dimension, ofta angiven som half-pitch, som ett litografisystem kan avbilda. Föregångaren till EUV med djup ultraviolett (DUV) strålning har en numerisk apertur om 1,35 NA, 193 nanometer våglängd och upplösning omkring 38 nanometer.
Högre upplösning innebär i praktiken färre exponeringar och processteg, med kortare produktionscykler, lägre risk för defekter och högre yield som följd. Trots de på pappret uppenbara fördelarna har TSMC tidigare visat skepsis mot High-NA då bolaget bedömt att befintlig Low-NA EUV i kombination med multi-patterning, med flera exponeringar för att nå mindre dimensioner, varit billigare att investera i än de betydligt dyrare High-NA-maskinerna från ASML.
TSMC har samtidigt för avsikt att pressa Low-NA EUV ytterligare flera generationer innan infasningen av High-NA EUV äger rum. Under 2028 väntas introduktionen av 1,4 nanometer (A14), följt av A13 och A12 på motsvarande 1,3 respektive 1,2 nanometer under 2029 – utan High-NA EUV. Först därefter blir det aktuellt med High-NA och en kvalificerad gissning är att tekniken introduceras tillsammans med en ännu icke-utannonserad A10-process (1 nanometer), och potentiellt även vidareutvecklade varianter av A13 och A12.
Samtidigt som tekniken har fördelar kommer High-NA EUV med en tydlig kompromiss jämfört med Low-NA EUV och DUV. Den litografiska exponeringen mot en kiselskiva görs genom en fotomask som traditionellt kan exponera ett maximalt fält på omkring 26 × 33 millimeter (858 mm²), den så kallade reticle limit som sätter gränsen för hur stor krets som kan exponeras i samma fält. Med High-NA som använder anamorfisk (asymmetrisk 4×/8×) optik istället för isomorifsk (symmetrisk 4×/4×) halveras exponeringsfönstret till 26 × 16,5 millimeter (429 mm²), vilket blir en begränsning vid tillverkning av stora och högpresterande kretsar. Gränsen kan överskridas med hjälp av så kallad stitching, där reticle limit delas upp över två exponeringar och fogas samman, men det både förlänger produktionscykler och ökar risken för defekter.
För att komma tillrätta med reticle limit-begränsningen hos High-NA EUV har ASML, TSMC och Samsung startat ett branschinitiativ för att gå från dagens fotomasker på 6 tum till 12 tum, vilket ska göra det möjligt att utnyttja ett större exponeringsfält. Färdplanen för detta är att TSMC till 2031 planerar en pilotlina med 12-tumsmasker och att ASML ska ha kompletta High-NA-maskiner anpassade för formatet 2033. Förutom möjlighet att tillverka större enskilda kretsar uppskattas övergången till större fotomasker dessutom drastiskt öka produktiviteten med uppemot 40 procent.
Att TSMC till slut omfamnar High-NA EUV från ASML beror sannolikt till dels att plattformen börjar nå de nivåer som krävs för produktion – och krasst för att vara kunna vara ett bättre alternativ än Low-NA. Den senaste maskinen med High-NA, ASML Twinscan EXE:5200B, har idag en kapacitet om 135 kiselskivor per timme, jämfört med omkring 230 kiselskivor för dagens NXE:3800E med Low-NA. Här finns dock en avgörande skillnad i att en High-NA-exponering på viss kritiska lager kan ersätta tre eller rentav fyra Low-NA-exponeringar. ASML:s färdplan pekar även mot 180 kiselskivor per timme för High-NA mot slutet av årtiondet och 300 kiselskivor för Low-NA.
Värt att notera är att High-NA EUV inte kommer ersätta Low-NA EUV, som även fortsättningsvis är både snabbare och billigare på lager där 0,33 NA räcker för en enskild exponering – på samma sätt som väl etablerad DUV-immersionslitografi fortfarande har en plats inom avancerad tillverkning. Likt infasningen av EUV-litografi där Low-NA kompletterade DUV kommer High-NA således främst att användas där den högre upplösningen kan ersätta kostsam multi-patterning.
Att Intel trots tillkortakommanden hos High-NA valde att ta kostnaden och bli först med att använda tekniken i skarp produktion var för att lära sig tekniken tidigt, medan andra likt TSMC inom de närmsta åren fortsätter att pressa Low-NA. Att TSMC ändå avvaktat med konkreta utfästelser har uppmärksammats och av bedömare varit del av ett förhandlingsspel för att tvinga ASML pressa priserna på världens dyraste maskin – en enskild High-NA-maskin går för runt 400 miljoner euro.
