下一代Mask Writer競賽開始上演 | 半導體行業觀察

來源：內容來自微信公眾號半導體行業觀察（ID：icbank），由摩爾精英Adam Li翻譯自semiengineering，謝謝。

-7/5n節點將需要新的工具，現在已經成為了兩個公司之間的競賽。

光刻機設備業務上Intel/IMS和NuFlare之間的競爭正在升溫，他們都想在新興的多工具領域爭取有利位置。

去年，英特爾收購IMS震驚了業界。IMS是一家生產多束電子束光刻機設備廠商，也是在去年出貨全世界第一台多束光刻機以用來在高級光掩膜上製造精細功能。最近，競爭對手NuFlare也出貨了它的第一台多光束光刻機。

多光束是市場上電子束光刻機系統的兩種之一，另外一種也是最常見的是基於VSB(Variable Shape Beam)技術的單光束電子束。多年來掩膜製造商一直都在使用傳統的NuFlare單光束VSB工具。但是VSB系統在製造越複雜的掩膜時需要更長的時間，這對於客戶來說意味著時間和金錢上的投入。

所以業界多年來一直在開發一種新型的多光束光刻機系統。該系統會利用上千個細微光束來加速複雜掩膜的圖形製作過程，通常被稱作寫入時間。多光束工具可以用在三種光掩膜上 - 極紫外線(EUV), 納米壓模和普通光刻。

對於EUV掩膜，光掩膜製造商們十分需要多光束光刻機。「它（多光束）會更快，」Intel Mask Operation部門的總監Jeff Farnsworth說到，「VSB也能夠做到，但是它需要很長的製作時間。」

NuFlare的VSB工具並不會很快消失。事實上，VSB仍舊是傳統光掩膜在10nm節點及以上的主力軍。而且一般來說，VSB工具也能勝任處於技術前沿的EUV光刻工作。

但是掩膜製造商們在接下來EUV光刻機上有兩種選擇 - NuFlare的VSB和多光束工具，以及Intel/IMS的多光束系統。大多數會同時選用VSB和多光束系統，但不會同時選擇兩個供應商。所以能夠想像競爭將會十分激烈。分析師認為2017年度光刻機發貨量預計大概會達到10到12台，意味著廠商們將不會放過每一個訂單。

另外，我們仍還有一些問題急需解決。首先，VSB和多光束哪個是更好的解決方案？其次，新的多光束提供了哪些優點？最後，多光束最後將會慢慢取代VSB嗎？

掩膜發展趨勢

光掩膜是IC供應鏈中至關重要的一環。一個晶元製造商設計一個IC，最後將會壓縮生成一種特殊的文件格式。光掩膜就是根據這個文件格式開發出來。

可以說光掩膜是一個IC設計的總模板。掩膜開發完成之後將會運到晶圓廠。在那裡，它會被放置在光刻工具中。光刻工具將會投射光透過掩膜，隨後就會把電路圖形刻印在晶圓上。

掩膜製造過程首先從生產一個襯底或者掩模板截止開始。在光學領域，掩模板包含一層不透明金屬層和下面的硅襯底。

一旦廠商生產出掩模板，之後將會運送到光掩膜製造商，隨後工廠將會用電子束光刻機來製作光掩膜。

隨後工人們要檢查掩膜是否有缺陷，並用掩膜修復系統進調整。緊接著用薄膜覆蓋掩膜以防止顆粒附著在掩膜上。

由此可見，光刻是整個加工過程的關鍵一步。掩膜製造商們一般會使用兩種工具 - 電子束和激光光刻機。激光系統一般用來生產比較大的電路圖形和非核心層而電子束工具則是用來生產掩膜上精細功能和關鍵層部分。基於VSB的單電子束系統是最常用的類型，而多電子束工具剛剛投入市場。

VSB系統使用兩個不同尺寸的光圈來形成一個三角形或者矩形的光束。實際操作中，VSB工具將電子像子彈一樣發射出去，擊打在掩膜上行程矩形的圖案。D2S CEO Aki Fujimura 在最近一次採訪中解釋道，「當今電子束技術一次只能打出一發（電子束），所以掩膜製作時間的主要就是（製作這個掩膜）需要的電子束射擊次數來決定，而製作時間是也是掩膜成本和良率的關鍵因素。」

在晶元製造商開始使用超出光波長的光刻技術之前，掩膜製造商一直都在使VSB工具，過程也比較簡單直接。如今，晶元製造商使用波長為193nm的光刻技術來製作精密電路。但是事實上，193nm浸沒式光刻技術只能製作80nm間距（40nm半間距）的電路。

隨之帶來的是衍射效應。在某些情況下，當光透過掩膜照射在晶圓上，受到衍射的影響，電路圖形會變得模糊甚至消失。

為了應對衍射問題，掩膜製造商對掩膜使用多種精度加強技術(RETs)。其中一種叫做光學鄰近校準技術(OPC)，它利用了SRAFs(Sub-Resolution Assist Features)或者掩膜上的一些裝飾用圖形。OPC通過更改掩膜圖形來提高其在晶圓上的印刷適性。

儘管需要加入OPC，單束VSB系統能夠達到光掩膜業界對寫入時間的要求。寫入時間決定了電子束能夠多快寫入一層掩膜，這是製作掩膜的關鍵指標。

為了應對掩膜的複雜性，NuFlare在過去十年不斷增加其VSB工具的電流密度，從2006年的70A/cm2 到現在的1200A/cm2。NuFlare的掩膜光刻部門總監Hirokazu Yamada在最近的一次採訪中說道：「儘管電路圖形尺寸在不斷變小，我們過去一直通過增減電流密度來保證相同的寫入時間。」

但是現在技術在不同的方向上都在發生變化。首先是VSB工具的電流密度已經達到其物理極限 - 1200A/cm2。簡單來說，想要發展光刻機只能通過推進多束架構。其次，掩膜複雜度從22nm/20nm節點開始逐漸升高。基於OPC的一些功能在掩膜上開始出現堆積和重疊現象，以至於難以在晶圓上進行列印。

幸運的是，業界通過多重圖案化(multiple patterning)找到了解決方案。通過這種方法，基於OPC的功能將被分化到兩個或多個掩膜上，這樣也就為製作過程提供了更多的空間。儘管如此，在先進節點上OPC功能尺寸越來越小也越來越複雜。

所以掩膜製造商在此基礎引進了更先進的RETs，例如曲線輔助功能(Curvilinear assist features)。其中一種叫做光刻反向計算技術(ILT)。ILT在掩膜上利用了曲線圖形來改善光刻系統的製作範圍以及景深。

VSB工具可以通過使用高級OPC和曲線功能來製作複雜掩膜。可如同上文敘述，VSB的電子束仍舊只能列印矩形圖案。所以VSB工具是通過多發電子束形成階梯狀圖形來模擬曲線圖案。

但是通常來講，一個階梯狀圖案需要更多發能量較小的電子束來實現，這會使掩膜寫入時間增加。事實上，業內分析師稱由於光掩膜的複雜度，其寫入時間從2011年增加了25%。

「掩膜上的圖形複雜度在不斷增加，」來自D2S的Fujimura說道，「所以要在相同時間內生產同樣尺寸的掩膜，我們所需要做的事情越來越多。」

根據eBeam Initiative最近的一份調查顯示，當今使用VSB工具製作一份掩膜寫入時間大概在2.5到13個小時不等，其平均數在6.8個小時。

另外根據該組織的報告，對於複雜掩膜而言，最長寫入時間在14到60個小時。一般來說，製造商們對於寫入時間超過24個小時的掩膜設計方案會比較頭疼。因為過長的寫入時間就意味著更高的成本，更長的處理時間和良率問題。

如何解決這種困難呢？多光束光刻機。

什麼是多光束？

不同於VSB的寫入時間，是跟掩膜所需電子束擊發次數和複雜度相關。多光束寫入時間與擊發次數無關。事實上，多光束的寫入時間是比較固定的，對於任何類型的掩膜大概都需要10個小時左右。

「即使針對一份簡單的設計，（多光束的）生產率都要比VSB快上許多。也許VSB工具需要30個工時的設計，多光束只需要10個小時就可完成。」IMS CEO Elmar Platzgummer說道，「也許某些情況下多光束還再需要1個或2個小時，所以是10到12個小時左右。」

多束光刻機不適合較短寫入時間的複雜度不高的掩膜設計。「並不適合10小時以下（的掩膜設計方案），」Platagummer說道，「多束系統在這種情況帶來的複雜度和其帶來的收益不成正比。」

然而對於EUV掩膜而言，多光束是有其存在價值的。「針對它（EUV），業界普遍公認必須使用多光束，」他說道，「EUV並非是多光束唯一的應用場景。ILT類圖案也能受益於多光束技術。為了更好的利用現有光學技術，多光束是必要元素。複雜的計算型掩膜也需要使用多光束。否則，寫入時間將會長得難以想像。」

不過在選擇VSB還是多光束上我們還需要考慮其他幾個因素。根據NuFlare分析，當製作掩膜需要300千兆發電子束左右時，使用多束技術更合理。「當然選擇何種技術也是由客戶決定的，」NuFlare的Yamada說道，「VSB架構完成每一層掩膜所需的電子束髮射數相比較而言更少，無論是圖案密度，多重團技術或者從電路設計的合理性上都更佔優勢。多電子束架構則是在需要高電子束髮射數的掩膜設計中能夠發揮其最大的功效，比如ILT和曲線設計或者只用單個EUV掩膜來製作一層晶圓層的情況。」

掩膜製造商希望能夠在遷移到新架構盡量延長VSB的使用周期。所以即使有了多光束，他們在可預見的未來內還是會繼續使用VSB系統。所以這兩種技術會在一段時間內共存。

但是至少現在在多光束領域內有兩家供應商可供選擇 - NuFlare和Intel/IMS。在很多方面上，兩家的多光束工具功能幾乎相同。兩家工具都包含262,144條可編程光束，每條光束大小10nm。

兩者確實也有著不同之處。IMS工具一開始產生的是能量為5-KeV的光束然後放大到50-KeV。而NuFlare的工具則是直接產生50-KeV的光束。

多光束工具在EUV掩膜上的應用

多光束對於EUV光刻的開發來說至關重要。如今，GlobalFoundries，英特爾，三星和台積電都希望在7nm，5nm製程上開始使用EUV光刻。

在EUV真正進入量產時仍舊面對諸多挑戰，例如電力供應等「我們還要處理線寬粗糙度，線邊緣粗糙度和發射雜訊一系列問題，「來自TEL的資深工程師Ben Rathsack說道。

不過業界對於EUV的需求是真實存在的。來自Lam Research的高級副總裁David Hemker在最近一次活動中說道，「業界對於發展EUV有很大的動力，這是我們保證摩爾定律有效的關鍵因素。我們需要更多的創造力來克服這些問題。」

另一方面，我們也需要更多的創新力來發展EUV掩膜。 一個EUV掩膜由40到50層金屬鉬和硅相互疊加在一個基座上構成。

「EUV掩膜比193i類複雜許多，」D2S首席科學家Ryan Pearman在最近一次演講中說，「當我們開始執行電子束散射時，你會發現電子在每個界面都會出現散射。因為界面變得越來越多，EUV比193nm會出現更廣泛更複雜的散射現象。「

簡單來說，製作EUV掩膜難度巨大。VSB可以完成這種工作但是難免需要做出一些妥協。像之前一樣，我們使用工具一次打出一發電子束。如果我們使用VSB，那麼在劑量設置上會比較簡單。

相比較而言，多光束雖然更快，但是劑量設置上更複雜。Pearman說道：「在VSB時代，我們通常只需使用一種或者兩種劑量設置。但現在（使用多光束）需要許多種劑量設定。」

例如製作曲線圖案時，多光束工具以一種處理點陣圖文件的方法來處理光束來列印圖案。「這意味我們將列印每一個單獨的像素，」Pearman說道，「然後也許中間光束使用一個計量單位，周圍的光束如果有重疊使用半個單位。也許沒有重疊的地方就不發射光束了。」

所以多光束工具必須考慮光束形狀和劑量設定。「在多光束時代製作掩膜，必須要分別考慮光束形狀和劑量的影響，」Pearman說道。

所以這將怎麼樣影響EUV掩膜呢？一開始EUV光刻是用在製作導通孔和接觸點上的。GlobalFoundries預估製作這兩種功能在7nm節點上常規尺寸為70nm，在5nm節點上為55nm。而一般光掩膜中7nm節點尺寸一般在250nm。

7nm EUV掩膜並不要求使用SRAFs，這能讓掩膜寫入過程變得簡單一些。但是GlobalFoundries也指出5nm EUV掩膜中就必須使用SRAFs，一般尺寸在30nm。

「從（電路）解析度來說，7nm製程上一個功能單元最小尺寸在40nm，下一步（5nm）是24nm，」GlobalFoundries的工程師Tom Faure說道，「這些技術要求都在說明我們在5nm上需要多光束光刻機。在7nm上使用（多光束）的話肯定能夠帶來很大的好處，但在我們看來並不是必要條件。」

傳統光刻機何去何從？

然而對於7nm初始階段來說，EUV還沒有做好準備。所以晶元製造商們在7nm將一開始會使用193nm浸入式光刻和多重圖案技術，希望在隨後逐漸加入EUV。

傳統掩膜將在7nm使用更激進的OPC，曲線圖案和ILT。在這些方面，VSB能夠勝任，但是掩膜製造商們都更傾向於多光束。「在這方面多光束也許會有更多優勢，」來自Applied Materials的首席工程師同時是掩膜和TSV（硅穿孔）刻蝕部門的CTO Banqiu Wu說道。

傳統掩膜在使用多光束製作ILT圖案時效果也比較理想。Fujimura說道，「使用多束光刻機能夠在可接受的寫入時間下用更小的最小寬度來製作曲線或者斜線。」

所以到底什麼才是最好的解決方案呢？所有人都在說VSB和多光束將會共存下去。選擇何種技術將依賴於掩膜設計需求。「一般都是將多光束掩膜製作和EUV光刻一起討論。多光束上也能使用逆向曲線光刻技術來提升晶圓上製作精細圖案的良率。然而共識是193i掩膜使用VSB已經足夠，」Fujimura說道。

但別忘了他也同時提到多光束的不容忽視，「儘管現在我們不使用多光束光刻機也能在可接受的時間內製作掩膜，但是一旦採用多光束，我們將為製作更多種圖案打下基礎。」

原文鏈接：https://semiengineering.com/next-gen-mask-writer-race-begins/

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