眾所周知，ASML的光刻機獨步天下，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。但是回望光刻機超過半個世紀的歷史，無論是接觸式光刻機還是步進掃描式光刻機，無一不需要用到光罩。
許多人將光刻機比喻為照相機，光罩就是膠片，而晶圓則是被沖印出來的照片。確實，光刻機和照相機確實有相似的地方，例如曾經(jīng)全球知名的柯達膠卷也是著名的光刻膠供應(yīng)商，上世紀九十年代風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，那光刻機能不能像照相機一樣，變成數(shù)碼相機，扔掉膠卷呢？答案是YES！雖然路漫漫其修遠，但是長期以來業(yè)界確實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則被成為writer。
光罩誠可“貴”
盡管從接近/接觸式光刻機開始，光罩就伴隨著投影光刻機發(fā)展的歷史一路走來，形影不離，而一個“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)光罩價格也會達到上千人民幣，隨著工藝技術(shù)節(jié)點的深入，光罩的價格會進一步上漲，并且計價單位也會隨之變?yōu)槊涝．敿夹g(shù)節(jié)點到達一定范圍后，便會需要導入EUV光罩，同時所需要的光罩層數(shù)也會大幅上升，從下圖可以看到，從28nm到14nm所需的光罩數(shù)量增加了近1/4，進入10nm后甚至達到了倍增，這個時候錢袋子所承受的壓力自然也是呈比例增長的。
正因為光罩昂貴的價格勸退了財力和預算捉襟見肘的高校和研究所，因此當這些機構(gòu)在進行研發(fā)和小批量試產(chǎn)的時候，maskless就體現(xiàn)出它特有的價值！
如同前文所述，再先進的光學投影光刻機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)光學投影光刻工藝制作上去，否則便進入了無限的雞生蛋蛋生雞的循環(huán)。早期的光罩尚能學習上圖中的樣子進行手工制版，靠“人肉光刻機”刻畫圖形，而大規(guī)模集成電路時代的到來，就要求我們必須借助先進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通常有光學和非光學兩種原理，無論哪一種都是通過直接讀取芯片的電路版圖設(shè)計(layout)后通過writer直接轉(zhuǎn)印到晶圓上。
光學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，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，分辨率可達到為500nm至數(shù)微米之間，高分辨率條件下也會犧牲相當?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maskless的分辨率似乎已經(jīng)不夠看了。那么這個時候非光學就該登場了，首當其沖便是電子束光刻機，也被稱為ebeam writer。無論是Raith還是JEOL都可以實現(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，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”
無論是光學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，一片永流傳”的現(xiàn)狀。哪怕是EUV光刻即將進入了high NA時代，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，依舊會需要一張貴到“變形”的光罩，可以說是非常“倔強”了。
如果說倔強一定需要理由的話，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進行曝光也需要平均2.33小時的時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到平均7.91和12.14小時每片，而使用光罩的情況下，ASML的NXT1950光刻機可以實現(xiàn)每小時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行多次曝光也好，還是使用自對準多重圖形化工藝也好，經(jīng)濟性依舊是遠遠高于直接使用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達到平均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?shù)奶幚頃斐蓹C臺內(nèi)軟件卡死等情況。而對于直接從光罩上投影圖形到晶圓上的光學投影光刻而言，根本不存在這樣的問題。
艱難前行的難兄難弟
同光學投影光刻機一樣，國產(chǎn)writer無論是光學原理還是非光學都離國際上現(xiàn)有的水平相距甚遠。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，完全無可比性。目前，一些國產(chǎn)laser writer正在向晶圓級封裝和光罩廠發(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主要是研究機構(gòu)開發(fā)的基于高斯束原理的樣機，分辨率在微米級，而可變束也只是預研，有亞微米精度的樣機，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，而這恰恰是我們目前所欠缺的。
總而言之，maskless要走進集成電路前道生產(chǎn)還有很多的路要走。但是，一套價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，我們能夠堅定地回答“YES！Maskless！”
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