PAS、TWINSCAN到High-NA：每台ASML设备，都见证芯片微缩的关键时刻

半导体设备龙头艾司摩尔（ASML）帮助芯片代工厂实现先进制程技术，而它的每一代设备，都意味着每一代技术的前沿时刻。ASML历代最经典的几款设备，带读者回顾芯片微缩的每一个关键时刻。

微影机台的长青树：PAS 5500

要提到最经典的设备，莫过于1991年推出的步进式（Stepper）扫描系统PAS 5500，至今已34年仍在芯片厂服役中。

除了是公司历史上寿命最长、最具功能性的微影平台之一，它更是ASML在市场中奋起直追的关键。事实上，在这台设备问世之前，ASML在光微影市场中位居第三名，远远落后当时的两大巨头Nikon与Canon。但推出后大获成功，并迅速跃升成第二名，而且也为后续成为全球光微影技术龙头奠定基础。

PAS 5500平台的早期广告。（Source：ASML）

至于为什么叫“PAS”？其实这是来自飞利浦研究员于1970年代开创的一系列设备，而PAS 5500的全名“the Philips Automatic Stepper”（PAS）主要纪念这部机台的来源，也代表ASML与飞利浦长期的合作关系。

ASML也介绍，历经的三十多年，每一台PAS系统都有自己独特的故事，而且随着不同半导体产业跨越不同时代。例如2021年时，当时已服役25年的PAS 5500/275系统，在从事内存与射频（RF）模块生产后，再度翻新和售出，转为虚拟现实（VR）的前线生产。

ASML指出，虽然PAS 5500已经从最先进制程中退休，但因为具有成本低、体积小、简单及稳定性，在二手市场仍有极大的优势，公司也已经翻新并转售超过500台PAS 5500系统。同时，为了持续支持使用这部机台的客户，ASML也表示该产品的生命周期成功延长到2035年。

全球首台、至今唯一“双芯片平台”曝光设备：TWINSCAN

接着到2001年，ASML推出TWINSCAN设备，这具有突破性的“双芯片平台”技术，能同时移动两片芯片，交替执行微影和测量功能。

TWINSCAN的出现，帮助了客户在生产流程上实现巨大飞跃。ASML曝光扫描位置测量系统专家Bert van der Pasch回忆道，“TWINSCAN的新技术有限，但真正具革命性的是两个平台的交换。许多部分都是正常升级，但芯片交换平台的设计完全不同，我们必须让它运行起来”。

ASML曝光扫描位置测量系统专家Bert van der Pasch。（Source：ASML）

TWINSCAN是全球首台、至今仍是唯一一台拥有双芯片载台模块的曝光系统平台。以现在视角来说，芯片会交替加载两个平台模块，右边的芯片可曝光于极紫外光（EUV）下，将电路设计图形象（Pattern）刻在芯片上，左边的芯片同时由机台的测量仪器优化其准确度（Alignment），两个平台交替执行微影和测量功能，将设备的生产力及良率最大化。

2001年推出的TWINSCAN设备型号为TWINSCAN AT:750T，是一款KrF曝光系统，光源波长248纳米，主要针对130纳米制程设计。之后到了2003年，ASML推出TWINSCAN AT:1150i这款设备，成为第一台使用浸润式微影（Immersion Lithography）的曝光机；到2006年，更新的TWINSCAN XT:1700i设备成为第一台进入量产的浸润式微影设备，颠覆传统制程受限深紫外光（DUV）波长的限制。

ASML工程师团队庆祝TWINSCAN XT:1700i问世。（Source：ASML）

TWINSCAN平台再升级，成为速度之最：TWINSCAN NXT

当进入2000年后，芯片制造商发现使用浸润式ArF系统的曝光分辨率的极限，因此ASML开始研发新的EUV光源。同时，业界也同步探索“双重曝光”（double patterning）和“多重曝光”（multiple patterning）的方法。

不过，双重曝光意味需要两倍的曝光步骤，且须让两层图样极精准地对位，如果要让这项技术在成本与生产上可行，就必须提升曝光系统的速度与精度。因此这也促使TWINSCAN下一次重大升级，即TWINSCAN NXT平台。

TWINSCAN NXT平台采用全新设计、重量更轻的芯片载台，大幅提高速度与性能。Bert也表示，“我们在研发NXT的同时，也同步开发下一代使用全新EUV光源的系统。”

ASML出货首批TWINSCAN系统之一。（Source：ASML）

首款NXT系统名为TWINSCAN NXT:1950i，于2008年正式推出，帮助生产效率提升30%，达到每小时超过200片芯片的处理能力，同时将叠合精度（Overlay）提升至2.5纳米（nm）。

传统TWINSCAN载台是采用气压悬浮技术，让载台悬挂在平坦的背板上运行，因此载台能在无摩擦的情况下悬浮并于曝光扫描期间独立移动；升级的TWINSCAN NXT系统则改采磁力悬浮方式支撑载台。

根据ASML最新的分享，如今的TWINSCAN NXT是以电磁的方式同时移动两片芯片，在无摩擦力的作用下能加速到7G，即0到100km/h只需约0.4秒，让芯片量产时兼顾准确性及生产速度。

随后ASML决定将NXT平台扩展到“干式微影”（dry technologies），并于2020年推出首台干式曝光系统TWINSCAN NXT:1470，成为全球首台能每小时处理超过300片芯片的曝光机。

ASML最大的护城河：EUV

根据官网分享，要将EUV技术推向大规模量产，ASML就耗费超过40年、投入好几十亿美元的研发资金，并执行一次关键收购，即购买了光源技术公司Cymer。

ASML表示，在好几十年的研发过程中，终于有了“初光”的成果。2006年，ASML推出第一台EUV alpha试验机，当时曝光一片芯片需要23小时，对研究机构如IMEC是突破，但对量产却几乎不可能；到2008年，ASML制作出全球第一批全场EUV测试芯片，隔年在荷兰总部激活将EUV开发及量产的工做空间。

ASML其中一台EUV原型系统，也称“alpha试验机”。（Source：ASML）

到了2010年，首台TWINSCAN NXE:3100（EUV预量产系统）运送到韩国三星研发中心，并在平安夜中完成首次激活。

ASML技术执行副总Jos Benschop回忆道，“我们从1997年就开始着手这个项目。忽然间，到了2010年，你飞到韩国、坐长时间的出租车，换好衣服、走进芯片厂、转个弯，那台机器就摆在眼前。那一刻非常棒。当初的梦想，终于在客户的工厂里成真”。

到2012年，ASML主要客户台积电、三星和英特尔都同意在五年期间参与EUV研发，作为客户共投资计划（Customer Co-Investment Program）的一部分，以此换取公司股份，随后于2013年出货首台EUV量产系统TWINSCAN NXE:3300，象征这项新技术的研发又迈进了一大步。

回顾整个过程，Jos笑道：“这比我想象中耗时更久，也更辛苦。你可以说我们要么很聪明，要么就是非常固执”。