下一代Mask Writer竞赛开始上演 | 半导体行业观察

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来源:内容来自微信公众号半导体行业观察(ID:icbank),由摩尔精英Adam Li翻译自semiengineering,谢谢。

-7/5n节点将需要新的工具,现在已经成为了两个公司之间的竞赛。

光刻机设备业务上Intel/IMS和NuFlare之间的竞争正在升温,他们都想在新兴的多工具领域争取有利位置。

去年,英特尔收购IMS震惊了业界。IMS是一家生产多束电子束光刻机设备厂商,也是在去年出货全世界第一台多束光刻机以用来在高级光掩膜上制造精细功能。最近,竞争对手NuFlare也出货了它的第一台多光束光刻机。

多光束是市场上电子束光刻机系统的两种之一,另外一种也是最常见的是基于VSB(Variable Shape Beam)技术的单光束电子束。多年来掩膜制造商一直都在使用传统的NuFlare单光束VSB工具。但是VSB系统在制造越复杂的掩膜时需要更长的时间,这对于客户来说意味着时间和金钱上的投入。

所以业界多年来一直在开发一种新型的多光束光刻机系统。该系统会利用上千个细微光束来加速复杂掩膜的图形制作过程,通常被称作写入时间。多光束工具可以用在三种光掩膜上 – 极紫外线(EUV), 纳米压模和普通光刻。

对于EUV掩膜,光掩膜制造商们十分需要多光束光刻机。“它(多光束)会更快,”Intel Mask Operation部门的总监Jeff Farnsworth说到,“VSB也能够做到,但是它需要很长的制作时间。”

NuFlare的VSB工具并不会很快消失。事实上,VSB仍旧是传统光掩膜在10nm节点及以上的主力军。而且一般来说,VSB工具也能胜任处于技术前沿的EUV光刻工作。

但是掩膜制造商们在接下来EUV光刻机上有两种选择 – NuFlare的VSB和多光束工具,以及Intel/IMS的多光束系统。大多数会同时选用VSB和多光束系统,但不会同时选择两个供应商。所以能够想象竞争将会十分激烈。分析师认为2017年度光刻机发货量预计大概会达到10到12台,意味着厂商们将不会放过每一个订单。

另外,我们仍还有一些问题急需解决。首先,VSB和多光束哪个是更好的解决方案?其次,新的多光束提供了哪些优点?最后,多光束最后将会慢慢取代VSB吗?

掩膜发展趋势

光掩膜是IC供应链中至关重要的一环。一个芯片制造商设计一个IC,最后将会压缩生成一种特殊的文件格式。光掩膜就是根据这个文件格式开发出来。

可以说光掩膜是一个IC设计的总模板。掩膜开发完成之后将会运到晶圆厂。在那里,它会被放置在光刻工具中。光刻工具将会投射光透过掩膜,随后就会把电路图形刻印在晶圆上。

掩膜制造过程首先从生产一个衬底或者掩模板截止开始。在光学领域,掩模板包含一层不透明金属层和下面的硅衬底。

一旦厂商生产出掩模板,之后将会运送到光掩膜制造商,随后工厂将会用电子束光刻机来制作光掩膜。

随后工人们要检查掩膜是否有缺陷,并用掩膜修复系统进调整。紧接着用薄膜覆盖掩膜以防止颗粒附着在掩膜上。

由此可见,光刻是整个加工过程的关键一步。掩膜制造商们一般会使用两种工具 – 电子束和激光光刻机。激光系统一般用来生产比较大的电路图形和非核心层而电子束工具则是用来生产掩膜上精细功能和关键层部分。基于VSB的单电子束系统是最常用的类型,而多电子束工具刚刚投入市场。

VSB系统使用两个不同尺寸的光圈来形成一个三角形或者矩形的光束。实际操作中,VSB工具将电子像子弹一样发射出去,击打在掩膜上行程矩形的图案。D2S CEO Aki Fujimura 在最近一次采访中解释道,“当今电子束技术一次只能打出一发(电子束),所以掩膜制作时间的主要就是(制作这个掩膜)需要的电子束射击次数来决定,而制作时间是也是掩膜成本和良率的关键因素。”

在芯片制造商开始使用超出光波长的光刻技术之前,掩膜制造商一直都在使VSB工具,过程也比较简单直接。如今,芯片制造商使用波长为193nm的光刻技术来制作精密电路。但是事实上,193nm浸没式光刻技术只能制作80nm间距(40nm半间距)的电路。

随之带来的是衍射效应。在某些情况下,当光透过掩膜照射在晶圆上,受到衍射的影响,电路图形会变得模糊甚至消失。

为了应对衍射问题,掩膜制造商对掩膜使用多种精度加强技术(RETs)。其中一种叫做光学邻近校准技术(OPC),它利用了SRAFs(Sub-Resolution Assist Features)或者掩膜上的一些装饰用图形。OPC通过更改掩膜图形来提高其在晶圆上的印刷适性。

尽管需要加入OPC,单束VSB系统能够达到光掩膜业界对写入时间的要求。写入时间决定了电子束能够多快写入一层掩膜,这是制作掩膜的关键指标。

为了应对掩膜的复杂性,NuFlare在过去十年不断增加其VSB工具的电流密度,从2006年的70A/cm2 到现在的1200A/cm2。NuFlare的掩膜光刻部门总监Hirokazu Yamada在最近的一次采访中说道:“尽管电路图形尺寸在不断变小,我们过去一直通过增减电流密度来保证相同的写入时间。”

但是现在技术在不同的方向上都在发生变化。首先是VSB工具的电流密度已经达到其物理极限 – 1200A/cm2。简单来说,想要发展光刻机只能通过推进多束架构。其次,掩膜复杂度从22nm/20nm节点开始逐渐升高。基于OPC的一些功能在掩膜上开始出现堆积和重叠现象,以至于难以在晶圆上进行打印。

幸运的是,业界通过多重图案化(multiple patterning)找到了解决方案。通过这种方法,基于OPC的功能将被分化到两个或多个掩膜上,这样也就为制作过程提供了更多的空间。尽管如此,在先进节点上OPC功能尺寸越来越小也越来越复杂。

所以掩膜制造商在此基础引进了更先进的RETs,例如曲线辅助功能(Curvilinear assist features)。其中一种叫做光刻反向计算技术(ILT)。ILT在掩膜上利用了曲线图形来改善光刻系统的制作范围以及景深。

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图一:10nm节点之后极度复杂的掩膜图案。来源:IMS

VSB工具可以通过使用高级OPC和曲线功能来制作复杂掩膜。可如同上文叙述,VSB的电子束仍旧只能打印矩形图案。所以VSB工具是通过多发电子束形成阶梯状图形来模拟曲线图案。

但是通常来讲,一个阶梯状图案需要更多发能量较小的电子束来实现,这会使掩膜写入时间增加。事实上,业内分析师称由于光掩膜的复杂度,其写入时间从2011年增加了25%。

“掩膜上的图形复杂度在不断增加,”来自D2S的Fujimura说道,“所以要在相同时间内生产同样尺寸的掩膜,我们所需要做的事情越来越多。”

根据eBeam Initiative最近的一份调查显示,当今使用VSB工具制作一份掩膜写入时间大概在2.5到13个小时不等,其平均数在6.8个小时。

另外根据该组织的报告,对于复杂掩膜而言,最长写入时间在14到60个小时。一般来说,制造商们对于写入时间超过24个小时的掩膜设计方案会比较头疼。因为过长的写入时间就意味着更高的成本,更长的处理时间和良率问题。

如何解决这种困难呢?多光束光刻机。

什么是多光束?

不同于VSB的写入时间,是跟掩膜所需电子束击发次数和复杂度相关。多光束写入时间与击发次数无关。事实上,多光束的写入时间是比较固定的,对于任何类型的掩膜大概都需要10个小时左右。

“即使针对一份简单的设计,(多光束的)生产率都要比VSB快上许多。也许VSB工具需要30个工时的设计,多光束只需要10个小时就可完成。”IMS CEO Elmar Platzgummer说道,“也许某些情况下多光束还再需要1个或2个小时,所以是10到12个小时左右。”

多束光刻机不适合较短写入时间的复杂度不高的掩膜设计。“并不适合10小时以下(的掩膜设计方案),”Platagummer说道,“多束系统在这种情况带来的复杂度和其带来的收益不成正比。”

然而对于EUV掩膜而言,多光束是有其存在价值的。“针对它(EUV),业界普遍公认必须使用多光束,”他说道,“EUV并非是多光束唯一的应用场景。ILT类图案也能受益于多光束技术。为了更好的利用现有光学技术,多光束是必要元素。复杂的计算型掩膜也需要使用多光束。否则,写入时间将会长得难以想象。”

不过在选择VSB还是多光束上我们还需要考虑其他几个因素。根据NuFlare分析,当制作掩膜需要300千兆发电子束左右时,使用多束技术更合理。“当然选择何种技术也是由客户决定的,”NuFlare的Yamada说道,“VSB架构完成每一层掩膜所需的电子束发射数相比较而言更少,无论是图案密度,多重团技术或者从电路设计的合理性上都更占优势。多电子束架构则是在需要高电子束发射数的掩膜设计中能够发挥其最大的功效,比如ILT和曲线设计或者只用单个EUV掩膜来制作一层晶圆层的情况。”

掩膜制造商希望能够在迁移到新架构尽量延长VSB的使用周期。所以即使有了多光束,他们在可预见的未来内还是会继续使用VSB系统。所以这两种技术会在一段时间内共存。

但是至少现在在多光束领域内有两家供应商可供选择 – NuFlare和Intel/IMS。在很多方面上,两家的多光束工具功能几乎相同。两家工具都包含262,144条可编程光束,每条光束大小10nm。

两者确实也有着不同之处。IMS工具一开始产生的是能量为5-KeV的光束然后放大到50-KeV。而NuFlare的工具则是直接产生50-KeV的光束。

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图二 :NuFlare的VSB和多光束技术,来源:NuFlare

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图三:IMS的多光束工具,来源:IMS

多光束工具在EUV掩膜上的应用

多光束对于EUV光刻的开发来说至关重要。如今,GlobalFoundries,英特尔,三星和台积电都希望在7nm,5nm制程上开始使用EUV光刻。

在EUV真正进入量产时仍旧面对诸多挑战,例如电力供应等“我们还要处理线宽粗糙度,线边缘粗糙度和发射噪声一系列问题,“来自TEL的资深工程师Ben Rathsack说道。

不过业界对于EUV的需求是真实存在的。来自Lam Research的高级副总裁David Hemker在最近一次活动中说道,“业界对于发展EUV有很大的动力,这是我们保证摩尔定律有效的关键因素。我们需要更多的创造力来克服这些问题。”

另一方面,我们也需要更多的创新力来发展EUV掩膜。 一个EUV掩膜由40到50层金属钼和硅相互叠加在一个基座上构成。

“EUV掩膜比193i类复杂许多,”D2S首席科学家Ryan Pearman在最近一次演讲中说,“当我们开始执行电子束散射时,你会发现电子在每个界面都会出现散射。因为界面变得越来越多,EUV比193nm会出现更广泛更复杂的散射现象。“

简单来说,制作EUV掩膜难度巨大。VSB可以完成这种工作但是难免需要做出一些妥协。像之前一样,我们使用工具一次打出一发电子束。如果我们使用VSB,那么在剂量设置上会比较简单。

相比较而言,多光束虽然更快,但是剂量设置上更复杂。Pearman说道:“在VSB时代,我们通常只需使用一种或者两种剂量设置。但现在(使用多光束)需要许多种剂量设定。”

例如制作曲线图案时,多光束工具以一种处理位图文件的方法来处理光束来打印图案。“这意味我们将打印每一个单独的像素,”Pearman说道,“然后也许中间光束使用一个计量单位,周围的光束如果有重叠使用半个单位。也许没有重叠的地方就不发射光束了。”

所以多光束工具必须考虑光束形状和剂量设定。“在多光束时代制作掩膜,必须要分别考虑光束形状和剂量的影响,”Pearman说道。

所以这将怎么样影响EUV掩膜呢?一开始EUV光刻是用在制作导通孔和接触点上的。GlobalFoundries预估制作这两种功能在7nm节点上常规尺寸为70nm,在5nm节点上为55nm。而一般光掩膜中7nm节点尺寸一般在250nm。

7nm EUV掩膜并不要求使用SRAFs,这能让掩膜写入过程变得简单一些。但是GlobalFoundries也指出5nm EUV掩膜中就必须使用SRAFs,一般尺寸在30nm。

“从(电路)解析度来说,7nm制程上一个功能单元最小尺寸在40nm,下一步(5nm)是24nm,”GlobalFoundries的工程师Tom Faure说道,“这些技术要求都在说明我们在5nm上需要多光束光刻机。在7nm上使用(多光束)的话肯定能够带来很大的好处,但在我们看来并不是必要条件。”

传统光刻机何去何从?

然而对于7nm初始阶段来说,EUV还没有做好准备。所以芯片制造商们在7nm将一开始会使用193nm浸入式光刻和多重图案技术,希望在随后逐渐加入EUV。

传统掩膜将在7nm使用更激进的OPC,曲线图案和ILT。在这些方面,VSB能够胜任,但是掩膜制造商们都更倾向于多光束。“在这方面多光束也许会有更多优势,”来自Applied Materials的首席工程师同时是掩膜和TSV(硅穿孔)刻蚀部门的CTO Banqiu Wu说道。

传统掩膜在使用多光束制作ILT图案时效果也比较理想。Fujimura说道,“使用多束光刻机能够在可接受的写入时间下用更小的最小宽度来制作曲线或者斜线。”

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图四:曲线测试图案演示。 来源:IMS

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图五:随机角度测试图案演示。来源:IMS

所以到底什么才是最好的解决方案呢?所有人都在说VSB和多光束将会共存下去。选择何种技术将依赖于掩膜设计需求。“一般都是将多光束掩膜制作和EUV光刻一起讨论。多光束上也能使用逆向曲线光刻技术来提升晶圆上制作精细图案的良率。然而共识是193i掩膜使用VSB已经足够,”Fujimura说道。

但别忘了他也同时提到多光束的不容忽视,“尽管现在我们不使用多光束光刻机也能在可接受的时间内制作掩膜,但是一旦采用多光束,我们将为制作更多种图案打下基础。”

原文链接:semiengineering.com/nex

今天是《半导体行业观察》为您分享的第1444期内容,欢迎关注。

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