Нидерландская компания ASML совместно с немецким производителем оптики Carl Zeiss работает над следующим поколением оборудования для выпуска передовых полупроводников. Перспективная технология Hyper NA EUV должна обеспечить разрешение около 5 нм, что почти на 38 % лучше возможностей современных систем High NA EUV. Ожидается, что новое оборудование может появиться в промышленности приблизительно через десять лет и позволит производителям продолжить уменьшение элементов микросхем без принципиального отказа от существующей технологии экстремальной ультрафиолетовой литографии.

Разработка уже перешла к техническому изучению будущей архитектуры, однако окончательное решение о запуске серийного производства пока не принято. Инженеры ASML и Zeiss представили основные принципы Hyper NA в научной публикации, прошедшей рецензирование. Главная идея заключается в совершенствовании оптической системы при сохранении EUV-излучения с длиной волны 13,5 нм. Такой подход позволит использовать значительную часть существующих технологических решений, хотя создание нового поколения литографических установок потребует преодоления ряда сложных инженерных ограничений.

От High NA к Hyper NA: следующий этап развития литографии

Производство современных процессоров и других высокопроизводительных микросхем требует чрезвычайно точного переноса сложных рисунков на кремниевые пластины. Для выполнения этой задачи применяются литографические установки, формирующие мельчайшие структуры с помощью светового излучения и специальных оптических систем.

Одним из ключевых поставщиков такого оборудования является ASML. Компания разрабатывает EUV-сканеры, необходимые для изготовления наиболее сложных слоёв современных полупроводниковых устройств.

Сегодня развитие этой технологии связано с переходом от стандартных EUV-систем к оборудованию High NA EUV, использующему оптику с увеличенной числовой апертурой.

Установки High NA обладают числовой апертурой 0,55 и обеспечивают разрешение порядка 8 нм. Это позволяет воспроизводить более мелкие структуры и потенциально сокращать количество отдельных операций формирования рисунка.

Hyper NA станет дальнейшим развитием этой концепции. Вместо изменения длины волны разработчики намерены повысить разрешающую способность оптической системы.

В результате оборудование следующего поколения сможет создавать структуры, которые сегодня требуют более сложных технологических приёмов или недоступны для прямого формирования за одну экспозицию.

Почему Hyper NA сможет создавать более мелкие элементы

В основе будущей технологии лежит увеличение числовой апертуры оптики — параметра, характеризующего способность оптической системы собирать излучение и различать мелкие детали изображения.

Чем выше числовая апертура, тем более тонкие структуры можно воспроизводить при неизменной длине волны и сопоставимых условиях литографического процесса.

Современные системы High NA EUV работают с излучением длиной волны 13,5 нм. Hyper NA сохранит этот показатель, но получит усовершенствованную систему зеркал.

Ожидаемые характеристики двух поколений оборудования:

Параметр	High NA EUV	Hyper NA EUV
Длина волны	13,5 нм	13,5 нм
Числовая апертура	0,55	Выше 0,55
Литографическое разрешение	Около 8 нм	Около 5 нм
Технологический статус	Внедрение в производство	Разработка

Переход от 8 к 5 нм означает уменьшение минимального разрешаемого размера приблизительно на 37,5 %.

При этом важно учитывать, что улучшение разрешения не означает автоматического уменьшения всех компонентов микросхемы на такую же величину. Итоговые размеры элементов зависят от конструкции чипа, используемых материалов, технологических ограничений и особенностей производственного процесса.

Тем не менее повышение разрешающей способности создаёт дополнительные возможности для увеличения плотности размещения компонентов и совершенствования полупроводниковых технологий.

Разрешение 5 нм не означает возвращение к 5-нм техпроцессу

При обсуждении Hyper NA необходимо различать два понятия: физическое разрешение литографического оборудования и коммерческое название технологического процесса.

Ранее обозначения техпроцессов были теснее связаны с конкретными геометрическими характеристиками транзисторов. Однако по мере развития полупроводниковой промышленности эта связь постепенно ослабевала.

Сегодня названия технологических узлов в большей степени обозначают поколения производственных технологий.

Например, компания TSMC использует обозначение N2 для своего 2-нм поколения, а Intel применяет название 18A, соответствующее 18 ангстремам, или 1,8 нм.

Однако это не означает, что каждый транзистор, изготовленный по таким технологиям, имеет затвор шириной ровно 2 или 1,8 нм.

Фактические размеры отдельных структур могут существенно отличаться от цифр в коммерческом названии техпроцесса.

Поэтому заявленное разрешение Hyper NA на уровне 5 нм характеризует возможности литографической системы, а не поколение микросхем, для которого она предназначена.

Новая технология ориентирована на дальнейшее развитие производства чипов, в том числе за пределами нынешних наиболее передовых технологических норм.

Intel, TSMC и Samsung постепенно переходят на High NA

Пока ASML изучает возможности Hyper NA, крупнейшие производители полупроводников продолжают осваивать предыдущее поколение оборудования.

Одним из первых заказчиков систем High NA стала Intel, которая начала внедрение этих установок в собственную производственную инфраструктуру.

При этом наличие High NA в технологической стратегии Intel не следует путать с обязательным использованием таких сканеров на всех слоях техпроцесса 18A. Освоение оборудования и его применение в конкретном производственном процессе являются отдельными этапами.

TSMC и Samsung также развивают производство микросхем передовых поколений, продолжая использовать EUV-литографию с традиционной числовой апертурой там, где это технологически оправданно.

Согласно приведённым отраслевым планам, Samsung рассматривает переход к High NA в 2028 году, а TSMC — примерно в 2030 году. Эти сроки отражают ожидаемые этапы внедрения и могут корректироваться в зависимости от готовности оборудования и экономической целесообразности.

Постепенный переход объясняется не только высокой стоимостью новых сканеров. Производителям необходимо адаптировать фотошаблоны, материалы, технологические процессы и методы контроля качества.

Поэтому даже после появления более совершенных литографических систем предыдущие поколения оборудования могут продолжать использоваться на протяжении многих лет.

Zeiss уже готовит оптику для следующего поколения

Одним из наиболее сложных компонентов EUV-сканеров является оптическая система.

В отличие от традиционной оптической литографии, где могут использоваться прозрачные линзы, EUV-оборудование работает со специальными многослойными зеркалами.

Это связано с особенностями экстремального ультрафиолетового излучения, которое интенсивно поглощается большинством материалов.

Для получения качественного изображения зеркала должны обладать исключительной точностью формы и характеристик поверхности.

Немецкая компания Carl Zeiss, являющаяся ключевым технологическим партнёром ASML, уже располагает возможностями изготовления зеркал с точностью, необходимой для перспективной архитектуры Hyper NA.

Это важное достижение, поскольку увеличение числовой апертуры предъявляет дополнительные требования к качеству оптики, геометрии светового тракта и стабильности всей системы.

Вместе с тем готовность отдельных оптических компонентов ещё не означает, что полноценная литографическая установка готова к промышленному использованию.

Разработчикам предстоит согласовать работу оптики, механических систем, источника излучения и программного управления, обеспечив необходимую производительность и повторяемость результатов.

Размеры оборудования останутся огромными

Современные EUV-сканеры относятся к наиболее сложным промышленным машинам, когда-либо создававшимся для массового производства электроники.

Установки High NA занимают значительное пространство и по габаритам сопоставимы с двухэтажным автобусом.

Несмотря на увеличение сложности оптической системы, разработчики рассчитывают, что Hyper NA будет лишь немного крупнее существующего оборудования.

Такой подход имеет практическое значение для полупроводниковых предприятий.

Чем сильнее отличаются размеры и инфраструктурные требования новых установок, тем сложнее их интегрировать в уже работающие производственные линии.

Сохранение близких габаритов потенциально позволит сократить объём изменений, необходимых при модернизации фабрик.

Однако окончательные требования к размещению, энергоснабжению и обслуживанию Hyper NA станут известны только по мере дальнейшей разработки оборудования.

Источник EUV-излучения менять необязательно

Ещё одно важное преимущество предлагаемой архитектуры заключается в возможности сохранить существующую длину волны.

По оценке инженеров, нынешний источник EUV-излучения ASML может применяться в Hyper NA без принципиальных изменений.

Это позволяет сосредоточить основные усилия на совершенствовании оптической системы и других компонентов литографического комплекса.

Разработчики также рассматривают совместимость с альтернативными способами получения EUV-излучения.

В частности, обсуждается применение лазеров на свободных электронах — перспективной технологии, позволяющей генерировать интенсивное электромагнитное излучение.

Такие источники потенциально могут стать одним из направлений дальнейшего развития литографии, хотя их практическое использование в массовом производстве микросхем потребует дополнительных исследований.

Новые разработки усиливают конкуренцию на рынке литографии

Параллельно с развитием оборудования ASML появляются проекты, предлагающие альтернативные подходы к созданию источников излучения и формированию микроскопических структур.

Американская компания xLight занимается разработкой источников на основе лазеров на свободных электронах.

Интерес к подобным технологиям проявляют и другие участники полупроводниковой отрасли. В частности, Илон Маск упоминал возможность применения перспективных источников излучения в связи с проектом Terafab в Техасе.

Другая американская компания, Substrate, работает над технологией рентгеновской литографии.

В отличие от Hyper NA, сохраняющей EUV-излучение с длиной волны 13,5 нм, рентгеновский подход предполагает использование более коротких волн.

Теоретически это открывает возможности для дальнейшего увеличения разрешения, однако одновременно создаёт новые сложности, связанные с оптикой, материалами и организацией производственного процесса.

Пока подобные решения находятся на различных стадиях разработки и не могут рассматриваться как полноценная промышленная замена действующим EUV-системам.

Что будет после Hyper NA

Увеличение числовой апертуры позволяет совершенствовать литографию без полного изменения принципов её работы. Однако такой путь не может продолжаться бесконечно.

Дальнейший рост разрешения будет сопровождаться всё более серьёзными ограничениями, связанными с оптической архитектурой, глубиной резкости, точностью позиционирования и особенностями формирования изображения.

Поэтому для создания систем, превосходящих Hyper NA, исследователям, вероятно, придётся обратиться к излучению с ещё меньшей длиной волны.

Пока соответствующие направления остаются преимущественно предметом научных исследований.

Кроме того, развитие полупроводниковой промышленности не ограничивается одной литографией. Всё большее значение приобретают новые архитектуры транзисторов, многослойная компоновка, трёхмерная интеграция и передовые технологии упаковки кристаллов.

Эти решения позволяют повышать характеристики вычислительных систем даже в условиях замедления традиционного уменьшения транзисторов.

Когда Hyper NA появится на полупроводниковых фабриках

По предварительным оценкам, до появления нового поколения литографических установок может пройти около десяти лет.

При этом ASML пока не объявила об окончательном утверждении программы серийного производства Hyper NA.

Компании необходимо оценить не только техническую реализуемость проекта, но и будущий спрос со стороны производителей микросхем.

Создание литографического оборудования нового поколения требует огромных инвестиций, поэтому коммерческие перспективы играют не менее важную роль, чем достижение необходимых технических характеристик.

Если разработка Hyper NA окажется успешной, технология сможет стать одним из ключевых инструментов дальнейшего развития полупроводниковой промышленности во второй половине 2030-х годов.

Она позволит продолжить уменьшение критически важных элементов микросхем, расширит возможности проектирования сложных процессоров и создаст основу для следующих поколений вычислительной техники.

Таким образом, Hyper NA представляет собой не просто очередное обновление оборудования ASML, а долгосрочную технологическую разработку, от которой в перспективе может зависеть развитие самых передовых производственных процессов в мировой микроэлектронике.