无光罩光刻，靠谱吗

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。

Source: 2020 Mask Maker Survey, ebeam Initiative

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！

Source: Handbook of Photomask Manufacturing Technology, Syed Rizvi, 2005, Chap.1

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。

Source: Heidelberg Instrument海德堡仪器官网

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。

Source: Handbook of Photomask Manufacturing Technology, Syed Rizvi, 2005, Chap.4

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。

Source: 2020 Mask Maker Survey, ebeam Initiative

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。

Source: 2020 Mask Maker Survey, ebeam Initiative

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，*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！”

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