PAS、TWINSCAN 到 High-NA：每台 ASML 設備，都見證晶片微縮的關鍵時刻

半導體設備龍頭艾司摩爾（ASML）幫助晶圓代工廠實現先進製程技術，而它的每一代設備，都意味著每一代技術的前沿時刻。《科技新報》也整理出 ASML 歷代最經典的幾款設備，帶讀者回顧晶片微縮的每一個關鍵時刻。

微影機台的長青樹：PAS 5500

要提到最經典的設備，莫過於 1991 年推出的步進式（Stepper）掃描系統 PAS 5500，至今已 34 年仍在晶圓廠服役中。

除了是公司歷史上壽命最長、最具功能性的微影平台之一，它更是 ASML 在市場中急起直追的關鍵。事實上，在這台設備問世之前，ASML 在光微影市場中位居第三名，遠遠落後當時的兩大巨頭 Nikon 與 Canon。但推出後大獲成功，並迅速躍升成第二名，而且也為後續成為全球光微影技術龍頭奠定基礎。

▲ PAS 5500 平台的早期廣告。（Source：ASML）

至於為什麼叫「PAS」？其實這是來自飛利浦研究員於 1970 年代開創的一系列設備，而PAS 5500 的全名「the Philips Automatic Stepper」（PAS）主要紀念這部機台的來源，也代表 ASML 與飛利浦長期的合作關係。

ASML 也介紹，歷經的三十多年，每一台 PAS 系統都有自己獨特的故事，而且隨著不同半導體產業跨越不同世代。例如 2021 年時，當時已服役 25 年的 PAS 5500/275 系統，在從事記憶體與射頻（RF）模組生產後，再度翻新和售出，轉為虛擬實境（VR）的前線生產。

ASML 指出，雖然 PAS 5500 已經從最先進製程中退休，但因為具有成本低、體積小、簡單及穩定性，在二手市場仍有極大的優勢，公司也已經翻新並轉售超過 500 台 PAS 5500 系統。同時，為了持續支援使用這部機台的客戶，ASML 也表示該產品的生命週期成功延長到 2035 年。

全球首台、至今唯一「雙晶圓平台」曝光設備：TWINSCAN

接著到 2001 年，ASML 推出 TWINSCAN 設備，這具有突破性的「雙晶圓平台」技術，能同時移動兩片晶圓，交替執行微影和量測功能。

TWINSCAN 的出現，幫助了客戶在生產流程上實現巨大飛躍。ASML 曝光掃描位置測量系統專家 Bert van der Pasch 回憶道，「TWINSCAN 的新技術有限，但真正具革命性的是兩個平台的交換。許多部分都是正常升級，但晶圓交換平台的設計完全不同，我們必須讓它運作起來」。

▲ ASML 曝光掃描位置測量系統專家 Bert van der Pasch。（Source：ASML）

TWINSCAN 是全球首台、至今仍是唯一一台擁有雙晶圓載台模組的曝光系統平台。以現在視角來說，晶圓會交替載入兩個平台模組，右邊的晶圓可曝光於極紫外光（EUV）下，將電路設計圖影像（Pattern）刻在晶圓上，左邊的晶圓同時由機台的量測儀器優化其準確度（Alignment），兩個平台交替執行微影和量測功能，將設備的生產力及良率最大化。

2001 年推出的 TWINSCAN 設備型號為 TWINSCAN AT:750T，是一款 KrF 曝光系統，光源波長 248 奈米，主要針對 130 奈米製程設計。之後到了 2003 年，ASML 推出 TWINSCAN AT:1150i 這款設備，成為第一台使用浸潤式微影（Immersion Lithography）的曝光機；到 2006 年，更新的 TWINSCAN XT:1700i 設備成為第一台進入量產的浸潤式微影設備，顛覆傳統製程受限深紫外光（DUV）波長的限制。

▲ ASML 工程師團隊慶祝 TWINSCAN XT:1700i 問世。（Source：ASML）

TWINSCAN 平台再升級，成為速度之最：TWINSCAN NXT

當進入 2000 年後，晶片製造商發現使用浸潤式 ArF 系統的曝光解析度的極限，因此 ASML 開始研發新的 EUV 光源。同時，業界也同步探索「雙重曝光」（double patterning）和「多重曝光」（multiple patterning）的方法。

不過，雙重曝光意味需要兩倍的曝光步驟，且須讓兩層圖樣極精準地對位，如果要讓這項技術在成本與生產上可行，就必須提升曝光系統的速度與精度。因此這也促使 TWINSCAN 下一次重大升級，即 TWINSCAN NXT 平台。

TWINSCAN NXT 平台採用全新設計、重量更輕的晶圓載台，大幅提高速度與性能。Bert 也表示，「我們在研發 NXT 的同時，也同步開發下一代使用全新 EUV 光源的系統。」

▲ ASML 出貨首批 TWINSCAN 系統之一。（Source：ASML）

首款 NXT 系統名為 TWINSCAN NXT:1950i，於 2008 年正式推出，幫助生產效率提升 30%，達到每小時超過 200 片晶圓的處理能力，同時將疊合精度（Overlay）提升至 2.5 奈米（nm）。

傳統 TWINSCAN 載台是採用氣壓懸浮技術，讓載台懸掛在平坦的背板上運作，因此載台能在無摩擦的情況下懸浮並於曝光掃描期間獨立移動；升級的 TWINSCAN NXT 系統則改採磁力懸浮方式支撐載台。

根據 ASML 最新的分享，如今的 TWINSCAN NXT 是以電磁的方式同時移動兩片晶圓，在無摩擦力的作用下能加速到 7G，即 0 到 100km/h 只需約 0.4 秒，讓晶片量產時兼顧準確性及生產速度。

隨後 ASML 決定將 NXT 平台擴展到「乾式微影」（dry technologies），並於 2020 年推出首台乾式曝光系統 TWINSCAN NXT:1470，成為全球首台能每小時處理超過 300 片晶圓的曝光機。

ASML 最大的護城河：EUV

根據官網分享，要將 EUV 技術推向大規模量產，ASML 就耗費超過 40 年、投入好幾十億美元的研發資金，並執行一次關鍵收購，即購買了光源技術公司 Cymer。

ASML 表示，在好幾十年的研發過程中，終於有了「初光」的成果。2006 年，ASML 推出第一台 EUV alpha 試驗機，當時曝光一片晶圓需要 23 小時，對研究機構如 IMEC 是突破，但對量產卻幾乎不可能；到 2008 年，ASML 製作出全球第一批全場 EUV 測試晶片，隔年在荷蘭總部啟用將 EUV 開發及量產的工作空間。

▲ ASML 其中一台 EUV 原型系統，亦稱「alpha 試驗機」。（Source：ASML）

到了 2010 年，首台 TWINSCAN NXE:3100（EUV 預量產系統）運送到韓國三星研發中心，並在平安夜中達成首次啟用。

ASML 技術執行副總 Jos Benschop 回憶道，「我們從 1997 年就開始著手這個專案。忽然間，到了 2010 年，你飛到韓國、坐長時間的計程車，換好衣服、走進晶圓廠、轉個彎，那台機器就擺在眼前。那一刻非常棒。當初的夢想，終於在客戶的工廠裡成真」。

到 2012 年，ASML 主要客戶台積電、三星和英特爾都同意在五年期間參與 EUV 研發，作為客戶共投資計畫（Customer Co-Investment Program）的一部分，以此換取公司股份，隨後於 2013 年出貨首台 EUV 量產系統 TWINSCAN NXE:3300，象徵這項新技術的研發又邁進了一大步。

回顧整個過程，Jos 笑道：「這比我想像中耗時更久，也更辛苦。你可以說我們要麼很聰明，要麼就是非常固執」。

▲ ASML 慶祝 2010 年首台 EUV 曝光機出貨。（Source：ASML）

埃米時代下 High-NA EUV 很關鍵：TWINSCAN EXE

隨著晶片不斷微縮，ASML 已經將 EUV 曝光機的數值孔徑（NA）從 0.33 提升至 0.55。Jos 表示，由於這枚新型透鏡與以往截然不同，必須提出全新的製造與量測方法。目前首批 High-NA EUV 曝光機 TWINSCAN EXE：5000 已經於 2023 年底出貨給客戶，預期將於 2025 年投入高量產製程。