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在半導體制造的世界中，光刻是永恒的焦點。從ASML的光刻機，到信越的光刻膠，一直是圈內人津津樂道的話題。隨著各種嶄新的AI應用以及汽車智能化的發(fā)展，芯片的種類和數量不斷增加，晶圓廠的光刻機們都已經忙到冒煙了，與此同時對光罩的種類和數量的需求也呈現爆發(fā)式的增長。在半導體工藝追隨摩爾定律的腳步時，光罩本身也經歷了脫胎換骨的變化。1:1光刻的時代，一塊方方正正的鉻板光罩同晶圓尺寸一樣，變成了6寸和8寸。當倍縮投影光刻的時代到來，光罩的尺寸又從5寸變成了一塊6英寸見方，0.25英寸厚薄的鉻板光罩，也就是我們口中的6025光罩。在這6025方寸之間的日新月異背后，也記錄著半導體產業(yè)發(fā)展的波瀾壯闊。摩爾定律的見證者一塊光罩的背后，是半導體產業(yè)發(fā)展的縮影。從g line和i line時代(波長365nm)橫平豎直和孔洞分明的圖形，到KrF時代(波長248nm)的方塊OPC圖形，再到ArF時代(波長193nm)的SB(衍射條)和SRAF(亞分辨率輔助圖形)，以及curvlinear mask(曲線光罩)，一切為了得到更完美的圖形構建集成電路的超級都市！而到了EUV時代(波長13.5nm)，簡潔的圖形又回到了光罩上。一片光罩的由簡到繁，再化繁為簡，見證了光刻技術從浸潤式到EUV的承前啟后，記錄了浸潤式這位老兵在邁向5/7nm時艱苦卓絕的努力和工程師們迸發(fā)出的智慧火花！
Source: Handbook of Photomask Manufacturing Technology, Syed Rizvi, 2005, Chap.1就如同上圖所示，光罩制造同晶圓制造一樣也有前道和后道之分，盡管相對簡單，但光罩工藝也絕不固步自封。就像投影光刻機在縮短波長和擴大NA一樣，光罩曝光的工藝也從激光直寫發(fā)展到電子束直寫，不斷創(chuàng)新。在電子束時代，新的進化也未曾停歇，從高斯束，可變束發(fā)展到多電子束，在此期間光學巨人徠卡(沒錯，就是那個相機品牌徠卡Leica)也在不斷的競爭中敗下陣來，新時代的JEOL，NuFlare和IMS取而代之續(xù)寫傳奇。同為光罩制造前道的刻蝕工藝，也同晶圓制造一樣，經歷了從濕法到干法的路線。在前道定位精度量測中，王者之器LMS iPro幾經收購和易手，從當年的徠卡到Vistec，最終將接力棒交到了量測霸王KLA的手中。這條賽道上同樣知名的選手是比徠卡更重量級的光學巨匠卡爾蔡司，目前是該類設備中唯一可以同KLA競爭玩家，順帶一提，半導體業(yè)界的第一臺商用可變束電子束直寫光刻機ZBA10也是卡爾蔡司的杰作！后道工藝的角逐也一樣如火如荼，KLA和NuFlare的檢驗機都隨著圖形尺寸的縮小導入了與原始設計對比和空間成像模擬的功能。在早期的光罩廠中尚占據一席之地的MueTec已經在前些年被中資公司收購，消失在滾滾的時代洪流中。光罩修補的發(fā)展和迭代速度也是驚人的，短短30年跨越激光修補，聚焦離子束和電子束修補三代，僅僅在聚焦離子束技術的發(fā)展路徑上，就經歷了歐姆龍，精工工業(yè)，日立的技術迭代和收購，即使是賽默飛也只是這條路線上的匆匆過客，早已不問世事。激光修補盡管在分辨率和修復精度上早已落后，但是高產出和相對低廉的價格，依舊戰(zhàn)火正酣，除了V-Techoloy和收購了RAVE的布魯克Bruker，Planar作為半路殺出的程咬金，也不甘示弱！高處不勝寒，在最高精度的電子束修補的競賽中，卡爾蔡司成為了唯一的玩家獨占鰲頭。清洗工藝看似簡單，但實則不然，傳統的化學清洗液在進入45nm節(jié)點后無法有效進入光罩表面的三維結構中，充分清除沾污和顆粒物，所以無論是化學清洗液的配方還是清洗工藝的參數都需要進行大量調整。因此光罩清洗設備市場多年來也都僅有幾家公司把持，并沒有晶圓清洗設備那樣百花齊放的場面。光影交替間的進化眾所周知，光罩中分為透光區(qū)與不透光區(qū)，光線透過透光區(qū)后與晶圓表面的光刻膠作用，使光刻膠發(fā)生化學反應產生交聯或解交聯，而遮光的材料便是鉻。鉻伴隨著光罩的發(fā)展走過將近半個世紀，也逐漸迎來了極限。由于鉻本身的透光率限制和鉻遮光層的厚度所引起的光罩3D效應嚴重限制了圖形的微縮，傳統的鉻板光罩已經無法用于更細微的圖形曝光。為了追求更高的成像分辨率，因此鉻板光罩又進一步進化為OMOG(不透光MoSi光罩)光罩。
Source: 超大規(guī)模集成電路先進光刻理論與應用, 韋亞一, 2016, Chap.5無論是鉻板光罩還是OMOG光罩，其分類都是屬于BIM(binary mask)，即雙極型光罩或二元光罩，其原理都是通過透光區(qū)與不透光區(qū)的不同光強來得到晶圓上所需的圖型。還有一種光罩，其不透光區(qū)實際包含6%的透光率，但是通過對光的相位翻轉來實現更高的對比度，從而實現更好的成像質量和分辨率，這就是PSM相位移光罩(Phase shift mask)。由于不透光光區(qū)實際有6%的透光率，故而相比BIM，PSM實際的外觀是幾乎透明的。80年代，來自IBM的Levenson等工程師首次提出了PSM的概念，由此開啟了新的時代。Source: Handbook of Photomask Manufacturing Technology, Syed Rizvi, 2005, Chap.6PSM光罩的分類也有不同的方式。從相位反轉的方式上，可以分為衰減型Att-PSM和交替型Alt-PSM。除了相位反轉方式以外，從透光度和耐久度分類上還有高透光HT和高耐久度HD PSM，以及高透射高耐久度HTHD也是存在的。借鑒交替型PSM的概念，名為CPL(Chromless phase lithography)的新型PSM也在大洋彼岸的美國誕生，沒有鉻層，僅依靠SiN基底不同區(qū)域的厚度和相位來實現圖形曝光。無論是BIM還是PSM光罩，雖然衍生出眾多的種類，但國內的晶圓廠主流使用的種類卻并不豐富。除了鉻板光罩外，國內會在先進制程中更多使用薄OMOG光罩；而在PSM中，由于加工更為簡便，國內則主流使用Att-PSM。面向未來的NGL光罩EUV時代的到來，使得晶體管的微縮更簡單方便，光罩圖形的設計也更簡化。但是方便了晶圓廠(其實也沒那么方便)，那可苦了光罩基板廠和光罩廠。EUV光罩在結構上比傳統的BIM和PSM光罩要更復雜，它由十幾到數十層的鉬硅復合金屬薄膜構成反射層以及釕金屬薄膜的頂蓋構成吸收層所組成。EUV光罩不同于傳統光罩，它從透射原理轉變?yōu)榉瓷湓?，將光罩上的圖形投影至晶圓表面。
Source: Chemistry and Lithography, Uzodinma Okoroanyanwu, 2010, Chap.14由于鉬硅多層結構的出現，EUV光罩基板的缺陷控制和光罩修復變得困難了起來。EUV光罩的薄膜不同于傳統光罩可以一步到位，需要交替堆疊數十層鉬和硅薄膜，最后鍍上一層釕層。期間不僅需要保證每層薄膜良好的厚度均一性，還需要保證無缺陷(如極為微小的凸點，針孔等)。并且即使到了光罩廠完成了前道的圖形制作，后續(xù)也需要進行復雜的修復，除了更高精度的電子束修復設備外，物理氣相沉積PVD設備甚至被首次搬進了光罩廠。得益于EUV僅有的13.5nm波長，即使其NA僅有0.33，它的極限分辨率也遠遠優(yōu)于浸潤式光刻，因此就像先前所述，EUV光罩上的圖形反而會簡潔很多。筆者看到過一個形象的類比：在印鈔機面前，昂貴的材料不值一提，就是指EUV光刻。所以即使光罩制作的流程變得復雜，仍然能為晶圓上的圖形制作帶來極大的便利，這也是EUV光罩的價值所在！EUV作為下一代光刻技術(NGL)中最為出名的代表，除了高分辨率和先前提到的光罩制作復雜外，還有高能耗和高成本的缺點。如果說EUV光刻通過復雜的光罩制作工藝來滿足極端光學成像條件的話，那納米壓印(NIL)則是反其道而行之的方法。就如同最美味的料理僅需要最樸素的食材，從一塊鉻板光罩和一枚產生i line的汞燈中，將極致的分辨率帶入5/7nm節(jié)點，可以說是化繁為簡到簡單粗暴了。目前，大日本印刷DNP同佳能和鎧俠正在聯合研發(fā)基于納米壓印的光罩和晶圓制造技術，去年也有消息稱其在5nm節(jié)點的工藝開發(fā)中取得了一定的成果。Source: DNP官網對納米壓印來說，它相比于傳統的光學投影光刻，更像是在敲圖章！先在鉻板光罩上制作圖形，然后將其壓在預先涂布了光刻膠的晶圓上通過紫外光(i line)的照射后固化，完成圖形的轉印。這個過程中，光罩的作用與其說是遮光和透光，將其稱為母版(template)更為貼切。佳能基于其FPA系列光刻機制造的納米壓印光刻機在對準和套刻精度方面都做了相當多的改良。除此之外還有許多挑戰(zhàn)擋在納米壓印的產業(yè)化前，母版的制作自然也是其一。不同于傳統的光學投影光刻采用的1：4倍縮式鏡頭，納米壓印的圖形是1：1的。舉個例子，用ASML的光刻機投影一個直徑為50nm的通孔圖形，傳統光罩上的尺寸是直徑200nm，而對于納米壓印的母版來說則依舊對應50nm，這就意味著其圖形化設備的精度要求已經超過了同技術節(jié)點的傳統光罩。在5nm節(jié)點，即使通過多電子束光刻機進行曝光，其圖形制造的難度和所消耗的時間也仍然更大更高。此外，直接與光刻膠進行物理接觸的動作對母版本身的壽命也是相當大的挑戰(zhàn)，對母版的修復工藝也提出了更高的要求。當然，在EUV光刻機走進產線前，問題也是只多不少。鑒于其巨大的潛力和對晶圓工藝的簡化，筆者非常看好納米壓印技術的前景。長期以來，國內的廠商在光罩產業(yè)鏈上一直都處于缺位的狀態(tài)?，F在，隨著本土光罩廠的快速發(fā)展和國際供應鏈環(huán)境的變化，一些國內的企業(yè)也開始慢慢打開這個原來封閉的市場。針對成熟制程的缺陷檢測，清洗，涂膠顯影等國產設備已經開始導入，相信在不久的將來激光直寫，高端缺陷檢測和清洗設備也能進入國內光罩廠。盡管在high NA EUV中，有推薦使用300mm直徑的圓形光罩的聲音，但6025的傳奇還會繼續(xù)！等到下一個十年過去，6025的傳奇里是否也會有我們的故事呢？筆者非常期待！
Source: Handbook of Photomask Manufacturing Technology, Syed Rizvi, 2005, Chap.1就如同上圖所示，光罩制造同晶圓制造一樣也有前道和后道之分，盡管相對簡單，但光罩工藝也絕不固步自封。就像投影光刻機在縮短波長和擴大NA一樣，光罩曝光的工藝也從激光直寫發(fā)展到電子束直寫，不斷創(chuàng)新。在電子束時代，新的進化也未曾停歇，從高斯束，可變束發(fā)展到多電子束，在此期間光學巨人徠卡(沒錯，就是那個相機品牌徠卡Leica)也在不斷的競爭中敗下陣來，新時代的JEOL，NuFlare和IMS取而代之續(xù)寫傳奇。同為光罩制造前道的刻蝕工藝，也同晶圓制造一樣，經歷了從濕法到干法的路線。在前道定位精度量測中，王者之器LMS iPro幾經收購和易手，從當年的徠卡到Vistec，最終將接力棒交到了量測霸王KLA的手中。這條賽道上同樣知名的選手是比徠卡更重量級的光學巨匠卡爾蔡司，目前是該類設備中唯一可以同KLA競爭玩家，順帶一提，半導體業(yè)界的第一臺商用可變束電子束直寫光刻機ZBA10也是卡爾蔡司的杰作！后道工藝的角逐也一樣如火如荼，KLA和NuFlare的檢驗機都隨著圖形尺寸的縮小導入了與原始設計對比和空間成像模擬的功能。在早期的光罩廠中尚占據一席之地的MueTec已經在前些年被中資公司收購，消失在滾滾的時代洪流中。光罩修補的發(fā)展和迭代速度也是驚人的，短短30年跨越激光修補，聚焦離子束和電子束修補三代，僅僅在聚焦離子束技術的發(fā)展路徑上，就經歷了歐姆龍，精工工業(yè)，日立的技術迭代和收購，即使是賽默飛也只是這條路線上的匆匆過客，早已不問世事。激光修補盡管在分辨率和修復精度上早已落后，但是高產出和相對低廉的價格，依舊戰(zhàn)火正酣，除了V-Techoloy和收購了RAVE的布魯克Bruker，Planar作為半路殺出的程咬金，也不甘示弱！高處不勝寒，在最高精度的電子束修補的競賽中，卡爾蔡司成為了唯一的玩家獨占鰲頭。清洗工藝看似簡單，但實則不然，傳統的化學清洗液在進入45nm節(jié)點后無法有效進入光罩表面的三維結構中，充分清除沾污和顆粒物，所以無論是化學清洗液的配方還是清洗工藝的參數都需要進行大量調整。因此光罩清洗設備市場多年來也都僅有幾家公司把持，并沒有晶圓清洗設備那樣百花齊放的場面。光影交替間的進化眾所周知，光罩中分為透光區(qū)與不透光區(qū)，光線透過透光區(qū)后與晶圓表面的光刻膠作用，使光刻膠發(fā)生化學反應產生交聯或解交聯，而遮光的材料便是鉻。鉻伴隨著光罩的發(fā)展走過將近半個世紀，也逐漸迎來了極限。由于鉻本身的透光率限制和鉻遮光層的厚度所引起的光罩3D效應嚴重限制了圖形的微縮，傳統的鉻板光罩已經無法用于更細微的圖形曝光。為了追求更高的成像分辨率，因此鉻板光罩又進一步進化為OMOG(不透光MoSi光罩)光罩。Source: 超大規(guī)模集成電路先進光刻理論與應用, 韋亞一, 2016, Chap.5無論是鉻板光罩還是OMOG光罩，其分類都是屬于BIM(binary mask)，即雙極型光罩或二元光罩，其原理都是通過透光區(qū)與不透光區(qū)的不同光強來得到晶圓上所需的圖型。還有一種光罩，其不透光區(qū)實際包含6%的透光率，但是通過對光的相位翻轉來實現更高的對比度，從而實現更好的成像質量和分辨率，這就是PSM相位移光罩(Phase shift mask)。由于不透光光區(qū)實際有6%的透光率，故而相比BIM，PSM實際的外觀是幾乎透明的。80年代，來自IBM的Levenson等工程師首次提出了PSM的概念，由此開啟了新的時代。Source: Handbook of Photomask Manufacturing Technology, Syed Rizvi, 2005, Chap.6PSM光罩的分類也有不同的方式。從相位反轉的方式上，可以分為衰減型Att-PSM和交替型Alt-PSM。除了相位反轉方式以外，從透光度和耐久度分類上還有高透光HT和高耐久度HD PSM，以及高透射高耐久度HTHD也是存在的。借鑒交替型PSM的概念，名為CPL(Chromless phase lithography)的新型PSM也在大洋彼岸的美國誕生，沒有鉻層，僅依靠SiN基底不同區(qū)域的厚度和相位來實現圖形曝光。無論是BIM還是PSM光罩，雖然衍生出眾多的種類，但國內的晶圓廠主流使用的種類卻并不豐富。除了鉻板光罩外，國內會在先進制程中更多使用薄OMOG光罩；而在PSM中，由于加工更為簡便，國內則主流使用Att-PSM。面向未來的NGL光罩EUV時代的到來，使得晶體管的微縮更簡單方便，光罩圖形的設計也更簡化。但是方便了晶圓廠(其實也沒那么方便)，那可苦了光罩基板廠和光罩廠。EUV光罩在結構上比傳統的BIM和PSM光罩要更復雜，它由十幾到數十層的鉬硅復合金屬薄膜構成反射層以及釕金屬薄膜的頂蓋構成吸收層所組成。EUV光罩不同于傳統光罩，它從透射原理轉變?yōu)榉瓷湓?，將光罩上的圖形投影至晶圓表面。Source: Chemistry and Lithography, Uzodinma Okoroanyanwu, 2010, Chap.14由于鉬硅多層結構的出現，EUV光罩基板的缺陷控制和光罩修復變得困難了起來。EUV光罩的薄膜不同于傳統光罩可以一步到位，需要交替堆疊數十層鉬和硅薄膜，最后鍍上一層釕層。期間不僅需要保證每層薄膜良好的厚度均一性，還需要保證無缺陷(如極為微小的凸點，針孔等)。并且即使到了光罩廠完成了前道的圖形制作，后續(xù)也需要進行復雜的修復，除了更高精度的電子束修復設備外，物理氣相沉積PVD設備甚至被首次搬進了光罩廠。得益于EUV僅有的13.5nm波長，即使其NA僅有0.33，它的極限分辨率也遠遠優(yōu)于浸潤式光刻，因此就像先前所述，EUV光罩上的圖形反而會簡潔很多。筆者看到過一個形象的類比：在印鈔機面前，昂貴的材料不值一提，就是指EUV光刻。所以即使光罩制作的流程變得復雜，仍然能為晶圓上的圖形制作帶來極大的便利，這也是EUV光罩的價值所在！EUV作為下一代光刻技術(NGL)中最為出名的代表，除了高分辨率和先前提到的光罩制作復雜外，還有高能耗和高成本的缺點。如果說EUV光刻通過復雜的光罩制作工藝來滿足極端光學成像條件的話，那納米壓印(NIL)則是反其道而行之的方法。就如同最美味的料理僅需要最樸素的食材，從一塊鉻板光罩和一枚產生i line的汞燈中，將極致的分辨率帶入5/7nm節(jié)點，可以說是化繁為簡到簡單粗暴了。目前，大日本印刷DNP同佳能和鎧俠正在聯合研發(fā)基于納米壓印的光罩和晶圓制造技術，去年也有消息稱其在5nm節(jié)點的工藝開發(fā)中取得了一定的成果。Source: DNP官網對納米壓印來說，它相比于傳統的光學投影光刻，更像是在敲圖章！先在鉻板光罩上制作圖形，然后將其壓在預先涂布了光刻膠的晶圓上通過紫外光(i line)的照射后固化，完成圖形的轉印。這個過程中，光罩的作用與其說是遮光和透光，將其稱為母版(template)更為貼切。佳能基于其FPA系列光刻機制造的納米壓印光刻機在對準和套刻精度方面都做了相當多的改良。除此之外還有許多挑戰(zhàn)擋在納米壓印的產業(yè)化前，母版的制作自然也是其一。不同于傳統的光學投影光刻采用的1：4倍縮式鏡頭，納米壓印的圖形是1：1的。舉個例子，用ASML的光刻機投影一個直徑為50nm的通孔圖形，傳統光罩上的尺寸是直徑200nm，而對于納米壓印的母版來說則依舊對應50nm，這就意味著其圖形化設備的精度要求已經超過了同技術節(jié)點的傳統光罩。在5nm節(jié)點，即使通過多電子束光刻機進行曝光，其圖形制造的難度和所消耗的時間也仍然更大更高。此外，直接與光刻膠進行物理接觸的動作對母版本身的壽命也是相當大的挑戰(zhàn)，對母版的修復工藝也提出了更高的要求。當然，在EUV光刻機走進產線前，問題也是只多不少。鑒于其巨大的潛力和對晶圓工藝的簡化，筆者非常看好納米壓印技術的前景。長期以來，國內的廠商在光罩產業(yè)鏈上一直都處于缺位的狀態(tài)?，F在，隨著本土光罩廠的快速發(fā)展和國際供應鏈環(huán)境的變化，一些國內的企業(yè)也開始慢慢打開這個原來封閉的市場。針對成熟制程的缺陷檢測，清洗，涂膠顯影等國產設備已經開始導入，相信在不久的將來激光直寫，高端缺陷檢測和清洗設備也能進入國內光罩廠。盡管在high NA EUV中，有推薦使用300mm直徑的圓形光罩的聲音，但6025的傳奇還會繼續(xù)！等到下一個十年過去，6025的傳奇里是否也會有我們的故事呢？筆者非常期待！
