无光罩光刻去了:本钱将暴降
众所周知,ASML的光刻机独步天下,无论是精度和分辨率,还是产出率和稳定性,都是其他厂商望尘莫及的。但是回望光刻机超过半个世纪的历史,无论是接触式光刻机还是步进扫描式光刻机,无一不需要用到光罩。
许多人将光刻机比喻为照相机,光罩就是胶片,而晶圆则是被冲印出来的照片。确实,光刻机和照相机确实有相似的地方,例如曾经全球知名的柯达胶卷也是著名的光刻胶供应商,上世纪九十年代风靡全国的乐凯胶卷如今也涉足光刻胶的业务。
说到这里问题就来了,那光刻机能不能像照相机一样,变成数码相机,扔掉胶卷呢?答案是YES!虽然路漫漫其修远,但是长期以来业界确实一直在研究无光罩光刻(maskless)。
传统的光刻通过不同波长的光将光罩上的图形投影至晶圆之上,所以也被称为光学投影光刻。而由于无需光罩,所以无光罩(无掩模)光刻又被称为直写光刻(DW, direct write),无光罩或直写光刻机则被成为writer。
光罩诚可 贵
尽管从接近/接触式光刻机开始,光罩就伴随着投影光刻机发展的历史一路走来,形影不离,而一个 贵 字便概括了千言万语需要maskless的理由。
在今天,哪怕是接近/接触式光刻所使用的国产光罩价格也会达到上千人民币,随着工艺技术节点的深入,光罩的价格会进一步上涨,并且计价单位也会随之变为美元。
当技术节点到达一定范围后,便会需要导入EUV光罩,同时所需要的光罩层数也会大幅上升,从下图可以看到,从28nm到14nm所需的光罩数量增加了近1/4,进入10nm后甚至达到了倍增,这个时候钱袋子所承受的压力自然也是呈比例增长的。
正因为光罩昂贵的价格劝退了财力和预算捉襟见肘的高校和研究所,因此当这些机构在进行研发和小批量试产的时候,maskless就体现出它特有的价值!
如同前文所述,再先进的光学投影光刻机都需要一片零缺陷的光罩,而光罩上的图形则很难通过传统光学投影光刻工艺制作上去,否则便进入了无限的鸡生蛋蛋生鸡的循环。
早期的光罩尚能学习上图中的样子进行手工制版,靠 人肉光刻机 刻画图形,而大规模集成电路时代的到来,就要求我们必须借助先进的工具来解放双手了。所以无光罩最主要的应用场景反而是在光罩制作上。
光 与 电 之间见方寸
Writer通常有光学和非光学两种原理,无论哪一种都是通过直接读取芯片的电路版图设计(layout)后通过writer直接转印到晶圆上。
光学原理通常是使用激光通过DMD镜面列阵来控制激光输出的图形,从而使晶圆上被曝光的图形符合layout的原始设计,称为laser writer。
从目前公开的信息可知,大多数laser writer的光源为波长在300~400nm之间的紫外光,分辨率可达到为500nm至数微米之间,高分辨率条件下也会牺牲相当的产能。
EVG的Lithoscale,海德堡仪器的MLA系列等,是国内外主流的用作晶圆曝光的laser writer。应用材料Applied Materials的ALTA系列和迈康尼Mycronics的SLX系列是光罩厂中用作光罩制作的laser writer。
如今,摩尔定律已经走到10nm以下,光学maskless的分辨率似乎已经不够看了。那么这个时候非光学就该登场了,首当其冲便是电子束光刻机,也被称为ebeam writer。
无论是Raith还是JEOL都可以实现10nm以下的直写分辨率。ebeam writer的发展经历了高斯束,可变束(VSB)和多电子束(MEB)的发展,依托先进的电磁手段来精确控制电子束的束斑大小和扫描路径,在提升设备分辨率的同时,也改善了设备的产出性能。
现如今,Raith的ebeam writer在许多研发机构和企业有着良好的用户基础,被应用于晶圆曝光中,湖南大学还在IWAPS发表过基于Raith生产的ebeam writer的算法修正工具。NuFlare和IMS Microfabrication的ebeam writer则深耕光罩厂,除了可变束外,还开发了可应用于量产的最尖端的多电子束ebeam writer。
除了 光 和 电 ,还有基于原子力显微镜AFM的扫描探针光刻SPL,这也是颇有前景的maskless类型,这里就不多做展开了。
光罩的 倔强
无论是光学投影光刻分辨率的提高,还是maskless的发展,目前依然无法改变 光罩恒久远,一片永流传 的现状。
哪怕是EUV光刻即将进入了high NA时代,图形缩放比例也从4:1等比缩放变成4:1和8:1的非等比例缩放,依旧会需要一张贵到 变形 的光罩,可以说是非常 倔强 了。
如果说倔强一定需要理由的话,那便是产能的瓶颈。
以6寸光罩为例,即使使用速度较快的laser writer进行曝光也需要平均2.33小时的时间完成整面图形曝光,使用可变束或多电子束曝光甚至需要达到平均7.91和12.14小时每片,而使用光罩的情况下,ASML的NXT1950光刻机可以实现每小时250片12寸晶圆的曝光速度,两者之间可以说是云泥之别。
产能之间的差距决定了即使是使用光罩拆分来进行多次曝光也好,还是使用自对准多重图形化工艺也好,经济性依旧是远远高于直接使用writer的。所以目前的maskless技术可以说是不具备大规模量产的能力的,至少是不适用于集成电路前道制作的。
另外,还有一个急需解决的问题是设备本身的数据和信息的处理能力。
如之前所述,maskless需要输入芯片的layout,由设备进行分析后通过激光或者电子束输出,将图形转印至晶圆或光罩,这个过程中所需要处理的数据量很大,设备解析需要很长时间。
还是以光罩为例,通常激光直写所需的单层数据量仅有0.0083TB,但是可变束电子束光刻则会达到平均1.1TB,极端情况下甚至有7.1TB。
数据的处理和读取需要一流的硬件和算法去支持,不恰当的处理会造成机台内软件卡死等情况。而对于直接从光罩上投影图形到晶圆上的光学投影光刻而言,根本不存在这样的问题。
艰难前行的难兄难弟
同光学投影光刻机一样,国产writer无论是光学原理还是非光学都离国际上现有的水平相距甚远。
尽管笔者听闻在PCB光刻领域,国产的laser writer去年还有出口至日本的案例。但PCB光刻工艺特性和分辨率与集成电路前道工艺的要求相去甚远,完全无可比性。目前,一些国产laser writer正在向晶圆级封装和光罩厂发力,逐渐向高端应用渗透中。
ebeam writer的本体和基本结构近似一台扫描电子显微镜,而国产扫描电镜在最近10年才取得较大突破,许多衍生应用还有待时日去开发。
从网络消息可知,目前国产ebeam writer主要是研究机构开发的基于高斯束原理的样机,分辨率在微米级,而可变束也只是预研,有亚微米精度的样机,最高端的多电子束则基本没有消息,毕竟国产自用的多电子束扫描电镜也还没有公开的消息。相比laser writer,ebeam writer的突破更加依赖于国产高端仪器来带动,而这恰恰是我们目前所欠缺的。
总而言之,maskless要走进集成电路前道生产还有很多的路要走。但是,一套价值不菲的光罩和一座投资甚大的光罩厂,还是足以让工程师们前赴后继,醉心于此。
愿有朝一日,我们能够坚定地回答 YES!Maskless!