ASML und TSMC haben eine branchenweite Initiative gestartet, um die in der EUV-Lithografie verwendeten Photomasken von den seit Jahrzehnten üblichen 6 Zoll auf 12 Zoll zu vergrößern. Ziel ist es, einen grundlegenden Zielkonflikt der High-NA-EUV-Optik zu lösen und die Produktion der fortschrittlichsten Chip-Generationen ab 2033 wirtschaftlicher zu gestalten. Mit diesem Schritt, der als fundamentaler Einschnitt seit den 1980er-Jahren gilt, stellen sich die beiden Schwergewichte der Halbleiterindustrie neu auf.
Der Kompromiss: asymmetrische 4×8-Optik
Die Belichtungsanlagen der nächsten Generation – High-NA-EUV mit einer numerischen Apertur (NA) von 0,55 – ermöglichen zwar deutlich feinere Strukturen als die Vorgänger (NA 0,33). Doch mit steigender NA wird der Einfallswinkel des Lichts auf die Maske steiler. Da EUV-Masken reflektierend arbeiten, sinkt mit steilerem Winkel die Reflektivität der Multischichten; es entstehen Schatten und Kontrastverluste.
Die theoretisch sauberste Lösung wäre eine gleichmäßige 8-fache Verkleinerung des Maskenmusters auf dem Wafer. Das würde die Einfallswinkel entschärfen. Allerdings würde die nutzbare Fläche auf einer 6-Zoll-Maske zu klein werden – der einzig sinnvolle Ausweg wäre eine größere Maske gewesen. ASML wählte stattdessen einen anamorphotischen Kompromiss: In einer Achse wird weiterhin 4:1 verkleinert, in der anderen Achse 8:1. Dadurch bleibt die 6-Zoll-Maske erhalten, die Reflektivitätsprobleme werden umgangen.
Der Preis dafür ist eine Halbierung der Belichtungsfläche pro Schritt: Die EXE-Serie (High-NA) belichtet nur noch 26 x 16,5 Millimeter statt der vollen 26 x 33 Millimeter der NXE-Serie (NA 0,33). Das verdoppelt die Anzahl der Belichtungsschritte pro Wafer. ASML kompensiert dies durch höhere Beschleunigung von Wafer- und Maskentisch, doch die physikalische Einschränkung bleibt.
Für große Chips, etwa KI-Beschleuniger, bedeutet das: Das Muster passt nicht in einen Belichtungsschritt. Es muss durch Stitching – das Zusammenfügen zweier Teilbelichtungen – erzeugt werden. Das erfordert höchste Überlagerungsgenauigkeit und treibt Komplexität und Kosten. Die anamorphotische Optik war ein Trick, um die bestehende 6-Zoll-Infrastruktur zu schützen – aber er erzeugte neue Zwänge.
Erste Spezifikationsänderung seit 40 Jahren
Am 7. September gaben ASML und TSMC auf der SPIE BACUS-Konferenz in Monterey, Kalifornien, den Start einer industrieinitiative zur Einführung von 12-Zoll-Photomasken bekann. Seit den 1980er-Jahren hat die Halbleiterindustrie durchgängig 6-Zoll-Masken verwndet – unabhängig davn, ob die Belichtung mit DUV oder EUV erfolgte. Di 12-Zoll-Maske stellt die erste Änderung dieses Standards dar.
Der Zeitplan ist zweistufig: High-NA-EUV wird zunächst mit 6-Zoll-Masken in die Massenproduktion gehen. Parallel dazu sol bis 2031 eine Pilotlinie für 12-Zoll-Maske aufgebaut sein. 2033 ist das Ziel für den Start der Massenproduktion mit 12-Zoll-kompatiblen Belichtungsanlagen.
TSMC selbst setzt High-NA-EUV bisher nicht in seinen aktuellen Spitzenknoten (2 nm) ein, hat aber angekündigt, ab 2030 High-NA-EUV in der Massenproduktion fortschrittlichster Knoten zu verwenden. Das Unternehmen erwartet, dass mit zunehmender Komplexität der Transistoren für KI mehr Schichten mit High-NA belichtet werden müssen. TSMC-Vorsitzender und CEO C.C. Wei erklärte, dass die Branche durch gemeinsame Anstrengungen Möglichkeiten erschließen könne, die ein einzelnes Unternehmen nicht erreichen würde.
Intel Foundry und Samsung haben ihre Unterstützung zugesagt. Samsung plant, 2028 als erster DRAM-Hersteller High-NA-EUV in der Massenproduktion einzusetzen. Intel Foundry will sowohl den Hochlauf mit 6-Zoll-Masken als auch den Übergang zu 12-Zoll-Masken vorantreiben.
Roadmap: Hoh-NA-EUV ud 12-Zoll-Masken
- 2028: Samsung führt High-NA-EUV in der DRAM-Fertigung ein.
- 2030: TSM C startet High-NA-EUV in Spizenknoten (6-Zoll-Masken).
- 2031: Aufbau der Pilotlinie für 12-Zoll-Masken.
- 2033: Massenproduktion mit 12-Zoll-kompatiblen Belichtungsanlagen.
Bis zur Verfügbarkeit der 12-Zoll-Masken wird High-NA-EUV also mit dem Stitching-Nachteil leben müssen.
Was auf dem Wafer geschah, wiederholt sich auf der Maske
Andrew Buss, Senior Research Director bei IDC, vergleicht den Wechsel auf 12-Zoll-Masken mit dem historischen Übergang von 200-mm- auf 300-mm-Wafer. Für diesen Wechsel benötigte die Industrie etw ein Jahrzehnt, und er erforderte Änderungen in samtlichen Fertigungsanlagen – von Belichtung bis zur Kühlung und dem Reinraumdesign.
Die 12-Zoll-Maske wird ähnliche Wellen schlagen. Die gesamte Lieferkette muss umgestellt werden: Maskenrohlinge, Multischichtbeschichtung, Schreibegeräte, Defektinspektion, Trnsportroboter, Pellikel, Lgerbehälter und die Schnitstelle zur Belichtungsanlage selbst. Größere Masken sind schwerer, die Forerungen an Planheit und Defektkontrolle steigen weiter.
Die Initiative von ASML und TSMC trägt dem Rechnung, dass ein solcher Wandel nur branchenweit geligen kann. Sobald die 12-Zoll-Maske etabliert ist, wird die Belichtungsfläche von Hih-NA-EUV wieder auf das volle Feld der herkömmlichen EUV-Anlagen wachsen. Das Stitching wird weitgehend überflüssig, was Kosten senkt und die Produktivität steigert. Doch der Zeitplan ist ehrgeizig: Wenn TSM C 2030 mit der Massenproduktion auf 6-Zoll-Masken beginnt, weredn noch Jahre vergehen, bis die 12-Zoll-Maske die Einschränkungen auflöst.
