ASML 与蔡司提出 0.75 及以上数值孔径的 Hyper-NA EUV 概念
卡尔蔡司 SMT 和 ASML 研究人员近日发表技术论文，讨论数值孔径至少为 0.75 的超高数值孔径 EUV 光刻技术，并将其定义为「Hyper-NA」扫描器。论文将这一路线视为当前 0.55-NA 高数值孔径 EUV 系统之后的直接延伸，讨论内容覆盖光学架构、分辨率潜力、掩模 3D 效应、偏振，以及扩展现有 EUV 生态系统所需的条件。
论文称，数值孔径为 0.55 的 EUV 扫描器已经上市，并正朝大规模生产推进。由于 EUV 扫描器的产品开发周期较长，0.55-NA 系统之后的下一代产品问题已经被提前摆上桌面。
研究人员提出的思路，是把数值孔径提升至至少 0.75，同时尽可能复用现有光刻基础设施，包括掩模、光源以及生产扫描器所需的设备。按文中设定的标准——保持与当前 13.5 nm EUV 平台的连续性、复用光源和掩模基础设施、兼容现有扫描器制造技术、并将设备体积变化控制在有限范围内——Hyper-NA 被描述为现有 EUV 扫描器架构最直接的扩展。
路线图：从 0.55 迈向 0.75，目标是 5 nm 半间距分辨率
论文回顾了蔡司过往光刻光学系统的演进，并指出，多数系统在分辨率—时间图中大体落在同一条曲线上。研究人员提到，这条曲线的斜率自 2010 年左右开始下降，反映出行业把更高光学分辨率转化为大规模制造中更小图形尺寸所需时间正在变长，工具迭代周期拉长，也意味着复杂光学系统的开发投入持续增加。
按论文对这条曲线的直接外推，下一代工具应具备 5 nm 半间距的光学分辨率，并在大约 10 年左右投入使用。文中给出的实现方式，是把数值孔径提升到至少 0.75，因此提出 Hyper-NA 这一概念。
研究人员还比较了不同投影镜头的折叠几何形态，并指出每一种折叠几何只适用于特定数值孔径范围。随着数值孔径从 0.25 提高到 0.75，镜片尺寸会增大。从低 NA 0.33 过渡到高 NA 0.55，需要新的生产设备来制造更大的镜片，尤其是新的计量技术来测量镜片形状，但这类变化主要集中在镜头制造过程本身。
论文强调，从 NA 0.33 到 NA 0.55 真正带来更大外部影响的，是折叠几何变化引起的系统尺寸明显增加，这会影响设备用户和晶圆厂的空间需求。相比之下，从 NA 0.55 到 NA 0.75 可以在相同折叠几何下实现，因此系统尺寸几乎不会增加，设备可较平滑地导入晶圆厂，也便于并入 ASML 未来的高产能扫描器平台。
文中还提到，数值孔径不必停在 0.75。研究人员已经设计出 NA 最高可达 0.85 的光学器件。但随着 NA 继续升高，系统尺寸会明显扩大，从晶圆厂空间和生产成本角度看，这会削弱方案吸引力。
掩模与光源基础设施：论文认为大部分现有体系可以复用
论文把基础设施复用列为 Hyper-NA 的核心卖点之一。对于光源，研究人员认为现有体系可直接沿用；对于掩模，文章则用不同代 EUV 光刻机在掩模处的角度分布来说明延续性的可能。
低 NA 采用同构放大，因此角度分布接近圆形。高 NA 和 Hyper-NA 采用非变形放大，也就是水平方向和垂直方向的放大倍数不同，因此角度分布更接近长宽比约为 1:2 的椭圆。
这里的关键难点在于限制掩模上的最大角度。如果直接按 NA 0.55 的情形缩放，最大角度的正弦值会增加 36%。论文称，高 NA 方案本身已经包含对光学设计和机械布局的优化，可显著压低这一角度上升幅度。文中给出的基准，是继续保持高 NA 的放大倍率，即 x 方向为 1/4、y 方向为 1/8；如果再对放大倍率做几个百分点的调整，还可以继续小幅降低最大视角。
综合这些优化后，论文预计，NA 0.75 的 Hyper-NA 相比高 NA 工具所遇到的最大角度只会增加约 1 度。这一变化被描述为相当温和，研究人员据此预计，当前掩模基础设施可以在无需改动或仅需极小改动的情况下继续使用，初步的掩模效应详细模拟也支持这一判断。
Hyper-NA 的两种收益：继续缩小结构，或在相同尺寸下提高成像对比度
论文将 Hyper-NA 的成像优势概括为两条使用路径。第一条路径，是在 NILS 保持不变的前提下缩小可印刷结构尺寸；第二条路径，是在结构尺寸不缩小的情况下，利用更高 NA 提升成像对比度，从而改善大规模制造中的良率。
文中通过不同假设层级下的成像对比度比较说明这一点。在理想情况下，成像对比度取决于晶圆上发生干涉的衍射级次，因此每个 NA 值对应的对比度曲线会出现有限次数的阶跃变化。当引入有限光瞳填充率后，这些突变会变平滑，但仍呈现与离散 NILS 值对应的平台区。如果进一步加入光刻胶模糊效应，这些平台区会略微倾斜，尤其在较小半间距下更明显。
文中所采用的光刻胶模糊参数为 2.0 nm（1-sigma）。论文同时说明，这部分讨论没有纳入光刻胶厚度效应、薄膜吸收、驻波效应，以及三维掩模和光刻胶效应。
矢量效应与偏振照明：不是所有场景都适合上偏振
在 Hyper-NA 场景下，论文特别讨论了矢量效应。研究人员指出，当晶圆处衍射级之间的角度间隔变大，也就是图形尺寸更小时，只有两种偏振方向中的一种能够形成完全对比度的空间像。
如果不考虑矢量效应，也先忽略掩模效应，那么在固定 k1 的前提下，空间像对比度应与节距无关。但在实际条件下加入矢量效应后，即使 k1 不变，对比度仍会随节距变化。论文称，在部分应用场景中，可以通过偏振照明减轻这种对比度损失。
研究人员列举了两种极端场景：线/空图形和方形触点。对于线/空图形，照明光瞳中的两个极点应采取何种偏振方向相对直观，因此可以把由矢量效应引起的对比度损失完全补回来。
但在方形触点场景中，情况明显复杂。论文称，这里会出现四种不同的最佳偏振方向，对应每一对发生干涉的衍射级次。对于最简单的无偏置纯振幅基尔霍夫掩模模型，这四种偏振态的贡献强度相同，因此不存在优先偏振态，任何偏振选择都不会优于非偏振照明。如果换用更复杂的掩模模型，这四种偏振态的强度分布不再相同，偏振照明会有轻微优势，但优势大小以及最佳偏振态都将取决于掩模假设，例如吸收体类型和偏置。
对于六边形触点，论文指出，每个照明极点所成像的特征方向相差 60 度，因此可以找到一个折中的偏振方向，这也解释了图像在使用偏振照明后只能部分恢复的原因。
研究人员并未把偏振照明视为默认答案。论文称，即使偏振照明能够提升对比度，是否采用仍需讨论，因为偏振照明总会带来明显光损耗。更合理的选择，应是看哪种方案能更大程度压低边缘放置误差（EPE）。
EPE 预算与偏振照明的代价
论文展示了当前 ASML EUV 工具的 EPE 预算，并指出其中一项重要贡献与光学特性无关，例如平台误差，这不属于本文讨论范围。另一项较小贡献取决于图像对比度，这部分可以通过偏振照明改善。
不过，EPE 中占比最大的部分与剂量和对比度相关，论文把它明确归因于散粒噪声。研究人员指出，对于任何应用场景，都需要比较两件事：偏振照明因光损耗带来的 EPE 恶化，是否会超过对比度提升带来的 EPE 改善。
若实施方案基于非偏振光源，引入偏振照明会带来明显透射率损失，因此必须在「矢量效应带来的对比度恢复」与「光子数下降导致的 EPE 增大」之间做权衡。即便未来拥有偏振光源，选择偏振照明也并非天然成立。论文提到，密集线条曝光中偏振光源可能更有利，但对于更重要的复杂结构自由形态偏振场景，结论未必相同。
如何实现偏振照明：在现有照明系统上做小幅改动
论文称，Hyper-NA 系统仍会支持与现有 EUV 光刻机效率相当的非偏振照明，因为很多甚至大多数应用场景会倾向于避免损失宝贵的 EUV 光能。但研究人员也提出了一套在 Hyper-NA 系统中实现偏振照明的方案，以满足特定需求。
按文中描述，只需对现有 EUV 照明系统做很小改动，比如增加线性偏振片，就可以在照明光瞳面上实现接近任意复杂的偏振分布。传统照明系统中，来自 EUV 光源的光经中间焦点进入照明系统，照射视场微镜阵列，再由每个视场微镜把光导向相应的光瞳微镜，最终传播至掩模。
光瞳微镜本身构成照明光瞳。通过倾斜视场微镜，可以点亮不同的光瞳微镜，从而切换照明光瞳设置。大量视场微镜及对应的光瞳微镜有助于平均光源的空间波动，在掩模处形成均匀且轮廓清晰的照明。论文称，当前最先进的光源技术仍是基于锡等离子体的非偏振 EUV 光源，功率可达数百瓦。
研究人员提出，可在中间像点与视场微镜之间放置线性偏振器，把现有照明系统扩展为偏振照明系统。选择这一位置的原因，是偏振器潜在缺陷会被后续照明系统均化。文中还给出一种实现方式：线性偏振器可由两块反射镜组成，每块反射镜使光线偏转两倍布儒斯特角。
利用线性偏振器，不仅可以实现全局偏振，也可以实现自由形状偏振的照明光瞳。通过把少量线性偏振器并排放置，不同视场微镜便会对应不同偏振状态；再结合视场微镜的可倾斜特性，就能在整个照明光瞳上分布不同偏振状态，这正是自由形状偏振的基础。
论文还指出，即使未来采用偏振光源，例如自由电子激光器，上述两种照明配置也不需要变化。对于以平行线性结构为主的应用，全局线性偏振可以消除矢量效应导致的全部对比度损失；对于更重要的不规则二维图形场景，则可以配合圆偏振光源使用自由形状偏振方案，因为圆偏振能够以相同效率生成所需的各类偏振态。
文中同时提到，理论上也可以用偏振旋转器或相位延迟器替代线性偏振片，以避免线偏振片带来的光损耗，但目前在 13.5 nm 或更短波长范围内，还没有高效偏振旋转器或相位延迟器的可行技术方案。
制造与检测：论文称 Hyper-NA 可沿用现有制造技术
除了照明系统，论文还讨论了 Hyper-NA 在制造和检测方面对现有技术的复用。研究人员指出，EUV 设备生产十多年间，成像质量已经显著提升，以至于在某些指标上不再需要进一步提高。
这一判断也被应用到 Hyper-NA。论文称，系统可容忍的像差量与数值孔径的具体数值无关，较大的 NA 只是意味着要在更大的光瞳范围内满足对应的像差要求。因此，Hyper-NA 反射镜的制造标准不必高于低 NA 反射镜，差异在于需要保证更大面积上的表面质量。
研究人员还指出，最近几代低 NA 技术的研发重点已经从降低像差转向提升可支持的光源功率。更高功率既能提高设备产能，也能像文中 EPE 预算所示那样，帮助降低边缘放置误差。论文称，这一点对 Hyper-NA 很关键，因为要实现更小结构成像，就必须压低 EPE。现有低 NA 技术已能承受更高光源功率，再配合可以更均匀分布入射功率的大尺寸 Hyper-NA 反射镜，Hyper-NA 被认为可以支持未来预期的光源功率提升。
主要挑战落在焦深：控制精度和光刻胶都要同步调整
论文把焦深缩减列为 Hyper-NA 的主要工程难题。研究人员指出，提高数值孔径的直接目标是提高分辨率，但代价通常是焦深下降。由于焦深并不是一个绝对固定的量，而是高度依赖具体结构和照明光瞳条件，文中采用「瑞利焦深」来说明 NA 提高带来的挑战。
在论文给出的框架下，数值孔径从 0.55 提高到 0.75，会使焦深减少大约一半。因此，一个直接的初步策略是，聚焦控制精度和光刻胶厚度也需要按相同比例优化。
研究人员指出，扫描器中的聚焦控制预算需要覆盖多项来源，包括扫描器残余误差、晶圆高度轮廓缺陷，以及会压缩重叠工艺窗口的图案相关成像效应。改进聚焦控制因此不是单一设备问题，而是扫描器制造商与用户都要参与的工程任务，不过论文认为，目前已经存在若干可行的改进路径。
另一项关键任务是光刻胶改进，尤其是更薄的光刻胶层。论文提到，在随机性、抗刻蚀性等因素之外，关键问题在于光刻胶厚度即使减半，仍要能够吸收足够多的光子。研究人员给出的一种可选路径，是把金属质量分数从当前约 1/4 提高到 1/2，这可能需要切换到干式光刻胶等技术路径。
微曝光工具：为 Hyper-NA 光刻胶研发提前铺路
为推进所需的光刻胶开发，论文建议提供合适的微曝光工具（MET）。文中回顾称，EUV 光刻早期曾使用 NA 0.3 的 MET，而当前用于光刻胶开发的 BMET5 则是一种 NA 0.5 的微曝光工具。
研究人员解释，MET 是一种双反射镜投影系统，两块反射镜都开有通光孔，光路穿过这些通孔完成传播。若在 MET 中采用与扫描曝光机相同的数值孔径，就能在晶圆表面复现真实条件，从而做出更接近实际的光刻胶显影。不过，MET 无法完全复现扫描器在掩模处的角度分布，因为其在掩模处的入射角更小，这意味着显影过程不会受到掩模潜在缺陷的干扰。
论文比较了不同 NA 条件下的 MET 设计挑战。以原始 NA 0.3 的 MET 为参照，若把 NA 提高到 0.75，上反射镜尺寸会随之增大。衡量 MET 实用性的一个关键指标，是遮挡程度，也就是通光孔直径与反射镜直径之比所决定的入射光损失水平。
文中称，在合理系统参数下，下反射镜通常是限制设计的瓶颈。增大下反射镜直径的一种方法，是把掩模远离系统其余部分；减小通光孔尺寸的办法，则是把反射镜面更靠近晶圆。
研究人员已经给出一个用于 NA 0.75 的 Hyper-NA MET 概念设计。按论文数据，在 1 米轨道长度下，该系统可提供 150×15 μm 的可用视场，1/8 的同构放大倍率意味着现有掩模足以用于印刷半间距低至 5 nm 的结构。论文认为，这让 Hyper-NA 光刻胶开发可以在更精细掩模写入设备广泛可用之前先行推进。
利用光学制造技术的进步，这套概念设计可实现 30% 的线性遮挡率，也就是系统入瞳面积中有 9% 会被反射镜孔径遮挡。作为对比，现有 BMET5 的线性遮挡率为 50%，面积遮挡率为 25%。
为什么先继续提高 NA，而不是立刻缩短波长
论文再次回到光刻分辨率公式 CD = k1·λ/NA，指出光刻系统过去的分辨率演进，本质上对应着数值孔径提升与波长缩短的交替推进。研究人员总结的经验是：过去通常会先把 NA 提高到无法继续提升的程度，再转向更短波长。
原因并不复杂。论文明确表示，在转向更短波长之前尽可能提高 NA，核心考虑在于经济性，因为这样可以复用现有基础设施。相比缩短波长，优先提高 NA 在过去几十年一直更具经济优势。
按这一逻辑，Hyper-NA 被视为同一策略在 13.5 nm EUV 上的继续延伸。论文认为，在 13.5 nm 波长下把 NA 进一步提高仍然可行，而这种做法的好处，是能够继续复用当前光刻基础设施。虽然焦深减小带来新型光刻胶开发需求，但前文提出的 MET 方案为这项工作提供了路径。
文中还强调，现有掩模基础设施可复用，掩模质量验证体系也能沿用；当前 EUV 等离子体光源可以直接继续使用。若未来为了降低 EPE 中的散粒噪声贡献而需要提高光源功率，Hyper-NA 系统也已为此预留条件。再加上 Hyper-NA 反射镜所需的制造技术已经具备，论文把 Hyper-NA 定义为光刻路线图最直接的延续。
Hyper-NA 之后：再往上推 NA 将接近物理极限
论文同时讨论了 Hyper-NA 之后的更远期路线。研究人员指出，如果数值孔径在 Hyper-NA 预期的 0.75 至 0.85 区间基础上继续提高，将不可避免地碰到物理极限。因此，Hyper-NA 之后的下一代光刻设备，很可能需要转向更短波长。
至于具体波长，文中称目前尚无定论。论文列出多个可能获得足够反射率的波长区间，包括大约 6.7 nm，以及「水窗」波段。围绕多层膜反射镜、光源、光刻胶和掩模等基础设施的研发已经在推进，但这些工作仍处于学术研究阶段，还没有进入产业化进程。
论文结论：Hyper-NA 是现有 EUV 路线的演进式扩展
在结论部分，研究人员把 Hyper-NA 定义为数值孔径至少为 0.75 的 EUV 光刻技术，并称其是现有 EUV 光刻机路线图上的演进式扩展。按论文给出的标准，包括设备可行性、光源复用、掩模生态连续性、光学元件制造连续性、设备占用空间增幅控制，以及近期生态系统的成熟度，在 13.5 nm 波长上实现 0.75 数值孔径，被视为当前高 NA EUV 之后的下一个扩展方向。
论文称，在实现 0.75 数值孔径时，设备占用空间与当前一代高 NA 光刻机相比几乎不变；现有 EUV 等离子体光源可直接复用；Hyper-NA 光学系统还能适配 ASML 未来高产能平台，从而提高不同 EUV 系统之间的通用性。蔡司现有 EUV 反射镜制造质量也被认为已满足 Hyper-NA 需求，不需要额外提升制造工艺。
对供应链而言，这些条件意味着技术导入门槛较低。论文同时明确指出，Hyper-NA 面临的主要挑战仍是可用焦深缩减。除了更薄的光刻胶，还需要改进光刻机聚焦控制、晶圆平坦度以及工艺控制能力。针对这一问题，研究人员建议开发微曝光工具，以推动所需的光刻胶研发。
本文来自微信公众号「半导体行业观察」（ID：icbank），作者署名为 ASML&蔡司。