眾所周知，ASML的光刻機(jī)獨(dú)步天下,，無論是精度和分辨率，還是產(chǎn)出率和穩(wěn)定性，都是其他廠商望塵莫及的,。但是回望光刻機(jī)超過半個(gè)世紀(jì)的歷史，無論是接觸式光刻機(jī)還是步進(jìn)掃描式光刻機(jī),，無一不需要用到光罩,。
許多人將光刻機(jī)比喻為照相機(jī)，光罩就是膠片,，而晶圓則是被沖印出來的照片,。確實(shí)，光刻機(jī)和照相機(jī)確實(shí)有相似的地方,，例如曾經(jīng)全球知名的柯達(dá)膠卷也是著名的光刻膠供應(yīng)商,，上世紀(jì)九十年代風(fēng)靡全國的樂凱膠卷如今也涉足光刻膠的業(yè)務(wù),。說到這里問題就來了，那光刻機(jī)能不能像照相機(jī)一樣,，變成數(shù)碼相機(jī),，扔掉膠卷呢？答案是YES,！雖然路漫漫其修遠(yuǎn),，但是長期以來業(yè)界確實(shí)一直在研究無光罩光刻(maskless)。
傳統(tǒng)的光刻通過不同波長的光將光罩上的圖形投影至晶圓之上,，所以也被稱為光學(xué)投影光刻,。而由于無需光罩，所以無光罩(無掩模)光刻又被稱為直寫光刻(DW, direct write),，無光罩或直寫光刻機(jī)則被成為writer,。
光罩誠可“貴”
盡管從接近/接觸式光刻機(jī)開始，光罩就伴隨著投影光刻機(jī)發(fā)展的歷史一路走來,，形影不離,，而一個(gè)“貴”字便概括了千言萬語需要maskless的理由。在今天,，哪怕是接近/接觸式光刻所使用的國產(chǎn)光罩價(jià)格也會(huì)達(dá)到上千人民幣,，隨著工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)的深入，光罩的價(jià)格會(huì)進(jìn)一步上漲,，并且計(jì)價(jià)單位也會(huì)隨之變?yōu)槊涝?。?dāng)技術(shù)節(jié)點(diǎn)到達(dá)一定范圍后，便會(huì)需要導(dǎo)入EUV光罩,，同時(shí)所需要的光罩層數(shù)也會(huì)大幅上升,，從下圖可以看到，從28nm到14nm所需的光罩?jǐn)?shù)量增加了近1/4,，進(jìn)入10nm后甚至達(dá)到了倍增,，這個(gè)時(shí)候錢袋子所承受的壓力自然也是呈比例增長的。
正因?yàn)楣庹职嘿F的價(jià)格勸退了財(cái)力和預(yù)算捉襟見肘的高校和研究所,，因此當(dāng)這些機(jī)構(gòu)在進(jìn)行研發(fā)和小批量試產(chǎn)的時(shí)候,，maskless就體現(xiàn)出它特有的價(jià)值！
如同前文所述,，再先進(jìn)的光學(xué)投影光刻機(jī)都需要一片零缺陷的光罩,，而光罩上的圖形則很難通過傳統(tǒng)光學(xué)投影光刻工藝制作上去，否則便進(jìn)入了無限的雞生蛋蛋生雞的循環(huán),。早期的光罩尚能學(xué)習(xí)上圖中的樣子進(jìn)行手工制版，靠“人肉光刻機(jī)”刻畫圖形,，而大規(guī)模集成電路時(shí)代的到來,，就要求我們必須借助先進(jìn)的工具來解放雙手了,。所以無光罩最主要的應(yīng)用場景反而是在光罩制作上??。
“光”與“電”之間見方寸
Writer通常有光學(xué)和非光學(xué)兩種原理,，無論哪一種都是通過直接讀取芯片的電路版圖設(shè)計(jì)(layout)后通過writer直接轉(zhuǎn)印到晶圓上,。
光學(xué)原理通常是使用激光通過DMD鏡面列陣來控制激光輸出的圖形，從而使晶圓上被曝光的圖形符合layout的原始設(shè)計(jì),，稱為laser writer,。從目前公開的信息可知，大多數(shù)laser writer的光源為波長在300～400nm之間的紫外光,，分辨率可達(dá)到為500nm至數(shù)微米之間,，高分辨率條件下也會(huì)犧牲相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)能。
EVG的Lithoscale,，海德堡儀器的MLA系列等,，是國內(nèi)外主流的用作晶圓曝光的laser writer。應(yīng)用材料Applied Materials的ALTA系列和邁康尼Mycronics的SLX系列是光罩廠中用作光罩制作的laser writer,。
如今,，摩爾定律已經(jīng)走到10nm以下，光學(xué)maskless的分辨率似乎已經(jīng)不夠看了,。那么這個(gè)時(shí)候非光學(xué)就該登場了,，首當(dāng)其沖便是電子束光刻機(jī)，也被稱為ebeam writer,。無論是Raith還是JEOL都可以實(shí)現(xiàn)10nm以下的直寫分辨率,。ebeam writer的發(fā)展經(jīng)歷了高斯束，可變束(VSB)和多電子束(MEB)的發(fā)展,，依托先進(jìn)的電磁手段來精確控制電子束的束斑大小和掃描路徑,，在提升設(shè)備分辨率的同時(shí)，也改善了設(shè)備的產(chǎn)出性能,。
現(xiàn)如今,，Raith的ebeam writer在許多研發(fā)機(jī)構(gòu)和企業(yè)有著良好的用戶基礎(chǔ)，被應(yīng)用于晶圓曝光中,，湖南大學(xué)還在IWAPS發(fā)表過基于Raith生產(chǎn)的ebeam writer的算法修正工具,。NuFlare和IMS Microfabrication的ebeam writer則深耕光罩廠，除了可變束外,，還開發(fā)了可應(yīng)用于量產(chǎn)的最尖端的多電子束ebeam writer,。
除了“光”和“電”，還有基于原子力顯微鏡AFM的掃描探針光刻SPL,，這也是頗有前景的maskless類型,，這里就不多做展開了。
光罩的“倔強(qiáng)”
無論是光學(xué)投影光刻分辨率的提高,，還是maskless的發(fā)展,，目前依然無法改變“光罩恒久遠(yuǎn),，一片永流傳”的現(xiàn)狀。哪怕是EUV光刻即將進(jìn)入了high NA時(shí)代,，圖形縮放比例也從4:1等比縮放變成4:1和8:1的非等比例縮放,，依舊會(huì)需要一張貴到“變形”的光罩，可以說是非?！熬髲?qiáng)”了,。
如果說倔強(qiáng)一定需要理由的話，那便是產(chǎn)能的瓶頸,。以6寸光罩為例,，即使使用速度較快的laser writer進(jìn)行曝光也需要平均2.33小時(shí)的時(shí)間完成整面圖形曝光，使用可變束或多電子束曝光甚至需要達(dá)到平均7.91和12.14小時(shí)每片,，而使用光罩的情況下,，ASML的NXT1950光刻機(jī)可以實(shí)現(xiàn)每小時(shí)250片12寸晶圓的曝光速度，兩者之間可以說是云泥之別,。產(chǎn)能之間的差距決定了即使是使用光罩拆分來進(jìn)行多次曝光也好,，還是使用自對(duì)準(zhǔn)多重圖形化工藝也好，經(jīng)濟(jì)性依舊是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于直接使用writer的,。所以目前的maskless技術(shù)可以說是不具備大規(guī)模量產(chǎn)的能力的,，至少是不適用于集成電路前道制作的。
另外,，還有一個(gè)急需解決的問題是設(shè)備本身的數(shù)據(jù)和信息的處理能力,。如之前所述，maskless需要輸入芯片的layout,，由設(shè)備進(jìn)行分析后通過激光或者電子束輸出,，將圖形轉(zhuǎn)印至晶圓或光罩，這個(gè)過程中所需要處理的數(shù)據(jù)量很大,，設(shè)備解析需要很長時(shí)間,。還是以光罩為例，通常激光直寫所需的單層數(shù)據(jù)量僅有0.0083TB,，但是可變束電子束光刻則會(huì)達(dá)到平均1.1TB,，極端情況下甚至有7.1TB。數(shù)據(jù)的處理和讀取需要一流的硬件和算法去支持,，不恰當(dāng)?shù)奶幚頃?huì)造成機(jī)臺(tái)內(nèi)軟件卡死等情況,。而對(duì)于直接從光罩上投影圖形到晶圓上的光學(xué)投影光刻而言，根本不存在這樣的問題,。
艱難前行的難兄難弟
同光學(xué)投影光刻機(jī)一樣,，國產(chǎn)writer無論是光學(xué)原理還是非光學(xué)都離國際上現(xiàn)有的水平相距甚遠(yuǎn)。盡管筆者聽聞在PCB光刻領(lǐng)域，國產(chǎn)的laser writer去年還有出口至日本的案例,。但PCB光刻工藝特性和分辨率與集成電路前道工藝的要求相去甚遠(yuǎn),，完全無可比性。目前,，一些國產(chǎn)laser writer正在向晶圓級(jí)封裝和光罩廠發(fā)力，逐漸向高端應(yīng)用滲透中,。
ebeam writer的本體和基本結(jié)構(gòu)近似一臺(tái)掃描電子顯微鏡,，而國產(chǎn)掃描電鏡在最近10年才取得較大突破，許多衍生應(yīng)用還有待時(shí)日去開發(fā),。從網(wǎng)絡(luò)消息可知,，目前國產(chǎn)ebeam writer主要是研究機(jī)構(gòu)開發(fā)的基于高斯束原理的樣機(jī)，分辨率在微米級(jí),，而可變束也只是預(yù)研,，有亞微米精度的樣機(jī)，最高端的多電子束則基本沒有消息,，畢竟國產(chǎn)自用的多電子束掃描電鏡也還沒有公開的消息,。相比laser writer，ebeam writer的突破更加依賴于國產(chǎn)高端儀器來帶動(dòng),，而這恰恰是我們目前所欠缺的,。
總而言之，maskless要走進(jìn)集成電路前道生產(chǎn)還有很多的路要走,。但是,，一套價(jià)值不菲的光罩和一座投資甚大的光罩廠，還是足以讓工程師們前赴后繼,，醉心于此,。愿有朝一日，我們能夠堅(jiān)定地回答“YES,！Maskless,！”
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