[原创] 无掩膜光刻，有机会吗？
2022-04-30
14:00:02
来源: 半导体行业观察
当前，受全球缺芯潮持续蔓延的影响，芯片问题广受关注，身为芯片制造业核心设备的光刻机可谓是行业关注的焦点。
在芯片制造中，光刻是至关重要的一个环节。光刻技术是指在光照作用下，借助光刻胶将掩膜版（Mask，也叫光罩）上的图形转移到晶圆上的技术。这有点类似于胶片相机中的胶卷曝光后，利用底片进行洗制照片的过程，只是这个过程要比洗照片复杂繁琐太多。
由于光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平，光刻成为芯片制造中最复杂、最关键的工艺步骤。业内有着“集成电路是信息时代的皇冠，而光刻技术则是皇冠上的明珠”的说法。
可以说，光刻技术是现代半导体、微电子、信息产业的基础，光刻技术直接决定了这些技术的发展水平。自1959年集成电路成功发明至今的近60年中，其图形线宽缩小了约四个数量级，电路集成性提高了六个数量级以上。这些技术的飞速进步离不开光刻技术的功劳。
光刻工艺是制造流程中最关键的一步，光刻确定了芯片的关键尺寸，在整个芯片的制造过程中约占据了整体制造成本的35%。
一般来说，一个芯片生产线，所需要的大致设备、材料都是类似的，只是随着芯片制程工艺的不断提升，所需要的设备精密度越高，而材料纯度也是越高，这些都会导致生产成本的不断提升，不过，上升最快的则是光刻掩膜版所带来的成本。
掩膜版又称光罩、光掩膜等，是微电子制造过程中的图形转移工具或母版，其功能类似于传统照相机的“底片”，根据客户所需要的图形，通过光刻制版工艺，将微米级和纳米级的精细图案刻制于掩膜版基板上，是承载图形设计和工艺技术等内容的载体。
在芯片制造过程中，并不是一次曝光就可以完成的，在制造过程中要经历多次曝光，这也就意味着，在芯片制作过程中要进行多次对准操作（每一次曝光都要更换不同的掩膜，掩膜与硅晶圆之间每次都要对准操作）。随着光刻掩膜版层数增加，成本自然是随之增加，同时也带动了光刻胶、光刻、刻蚀等附带工艺材料的成本增加。
在当前工艺阶段，采用光刻掩模已成为各种光刻技术方法中一项可决定其应用前景的关键技术，但同时，掩模成本在整个光刻成本中可占份额也不断攀升。据IBS数据显示，在16/14nm制程中，所用掩膜成本在500万美元左右，到7nm制程时，掩膜成本迅速升至1500万美元。
7nm制程中，掩膜成本大概为1500万美元
（图源：IBS）
据IMEC的模拟研究表明，随着工艺制程的逐渐提升，EUV以及高NA EUV光刻机的出现，对于掩膜带来了新的挑战。掩模缺陷的影响将越来越大，这表明掩模设计规则需要变得更加严格。
另外，光刻过程中的精准定位问题也非常难以控制，那么多的掩膜版如何定位？技术难度越高，成本越难以控制，这也是导致成本上升的一大问题。
综合来看，掩模板制作复杂、周期长、费用昂贵，一旦完成无法修改，掩膜在助力行业快速演进的同时，这些缺陷也严重限制了行业的发展。
中国科学院大学向宇瑭指出，利用传统光刻的方法加工微透镜阵列需要借助灰度掩膜的方法，但是灰度掩膜的成本相对比较高，而且由于掩膜与加工的微透镜之间往往存在“一一对应”的关系，这也导致了加工微透镜阵列的灵活性严重不足。
因此，为了实现更加灵活的光刻过程，业界开始研究用其他的东西取代物理掩膜，甚至干脆不使用掩膜进行加工，这样的方法称为“无掩膜光刻”。
在泛半导体领域，根据是否使用掩膜版，光刻技术主要分为掩膜光刻与直写光刻。
直写光刻也称无掩膜光刻，是指计算机控制的高精度光束聚焦投影至涂覆有感光材料的基材表面上，无需掩膜直接进行扫描曝光。
直写光刻根据辐射源的不同大致可进一步分为两大主要类型：一种是
基于带电粒子的直写光刻（CPML）
，包括电子束直写、离子束直写等；另一种是
基于光学的直写光刻（OML）
，包括干涉光刻、激光直写光刻，以及基于空间光调节器的光刻技术等。
近日，中国科学院大学微电子学院在《集成电路先进光刻技术与版图设计优化》研讨课中，牛谕将、吴浩文、向宇瑭等几位同学围绕光刻工艺进行了深入调研，介绍了无掩膜光刻技术的特点和分类。
电子束直写光刻技术
：
利用电子束在涂有电子束胶的样品上绘制图形的技术。
该技术优点是电子束中高能量电子的波长极短，所以分辨率高，可加工纳米级别的微细结构。同时，其使用直写的工作方式进行图形的曝光，加工方式非常灵活。
而缺点在于：在立体光中，刻蚀深度与工艺中的多种因素有关，很难精确控制刻蚀的深度；电子束发射器等设备结构复杂，价格昂贵；该技术采用单点直写的方式，需要长时间累计高能电子进行深度方向的曝光，因此不适合进行批量、大面积生产。
离子束直写光刻技术
：
由于离子的质量较大，经加速聚集后可以对材料和器件进行刻蚀、沉积、离子注入等微纳加工，称为聚集离子束直写技术。
在离子束直写加工系统中，来自液态金属离子源的离子束经过加速、质量分析、整形等处理后，聚集在样品表面。将高能离子束聚集在样品表面逐点轰击，可通过计算机控制束扫描器和消隐组建来加工特定的图案，不需要掩膜版。
相较之下，离子比电子的质量大很多，能很大程度克服电子束在抗蚀剂中的散射问题。但场离子质量大，导致其在光刻胶中的穿透深度小；场离子形成的离子束能量比较分散，焦深不大，导致分辨率较低；此外，离子束光刻的设备复杂，导致生产成本很高，发展潜力不足。
干涉光刻
：
激光干涉光刻技术是指利用光的干涉和衍射特性，通过特定的光束组合方式，来调控干涉场内的光强度分布，并用感光材料记录下来，从而产生光刻图形。
激光干涉光刻技术按参与干涉的光束数目可分为双光束、三光束、四光束和五光束等干涉光刻。
干涉光刻工艺简单、成本低廉，可以很容易地进行大面积较高分辨率的曝光。不足之处在于只能用于周期性图形的曝光，周期图形是由有限个正弦级数综合而来，只是个近似结果，因而分辨率的继续提升有限。
基于空间光调节器光刻技术（SLM无掩膜光刻技术）
：
使用可编程控制的SLM器件直接对照明光束进行调制，形成不同的图形直接投影在衬底上完成曝光，相当于将实体的掩膜版数字化，称为基于SLM的数字光刻技术。
SLM是一种能将光的空间分布进行调制的微型器件，由很多微小单元呈线型或方阵排列而成。这些单元通过计算机编程控制，便捷的将图形掩膜数字化，通过编程灵活性的改变掩膜形状，替代了传统光刻使用的“物理掩膜版”，从而避免了传统光刻系统掩膜版制造复杂昂贵、灵活性差等问题。
在泛半导体的产业化生产中，直写光刻与掩膜光刻应用的细分市场所要求的光刻精度（最小线宽）具有明显差别。
据了解，在具有衬底翘曲、基片变形的光刻应用领域，直写光刻的自适应调整能力，使之具有成品率高、一致性好的优点，还具有投影光刻所不具有的高灵活性、低成本以及缩短工艺流程等技术特点，主要应用于掩膜版制造、IC后道封装、低世代FPD制造、部分低端IC前道制造。
直写光刻和掩膜光刻技术在泛半导体不同细分市场的应用对比
但直写光刻技术也受限于生产效率与光刻精度等方面因素，目前还无法满足泛半导体产业大规模制造的需求。一方面是因为带电粒子直写光刻技术的生产效率较低，且在大规模生产中会产生较为严重的邻近效应，严重影响图形的分辨率及精度；另一方面，激光直写光刻技术受限于激光波长，在光刻精度上不如电子束、离子束等带电粒子直写光刻技术，还无法满足高端半导体器件制造的需求。
目前业界对无掩模光刻技术的普遍看法是：这是降低光掩模不断飞升的一个潜在解决方案，是一种有前途的候选光刻技术。但其还处于一个发展早期的阶段，有待解决的技术问题还很多。近期内可能只是一个细分的光刻技术，不能替代主流的DUV和EUV光刻技术，但其较低的成本将使其在未来继续受到关注。
俄罗斯莫斯科电子技术学院（MIET）日前宣布，将开展制造光刻机，而且号称这款新型光刻机的工艺可以和EUV媲美。
据了解，俄罗斯的技术方向与ASML生产的EUV完全不同，ASML采用的是极紫外光EUV，波长13.5nm，可以用于制造7nm及以下的先进工艺。而俄罗斯研发的则是基于同步辐射加速器和等离子体源的X射线光刻机，使用的是X射线，波长介于0.01nm到10nm之间，比EUV极紫外光还要短。
同时X射线光刻机还有一个优势就是不需要光掩模版，可以直写光刻，此举可以大幅降低芯片制造成本，同时在精准度方面也更高。
按照现有的常见思路，光刻机是特定波长的光透过用来放大的掩膜，再通过透镜的缩小，将集成电路图精确“投影”在硅片上。
为了精确“投影”，光刻机需要实现极高的曝光分辨率，以及极高的重复定位精度。决定光刻机分辨率的主要因素有三点，分别是常数K、光源波长和物镜的数值孔径，波长越短分辨率越高。因此，理论上以及从光刻机历来发展（波长变得越来越短）来看，俄罗斯采用的X射线光刻机显然要比EUV光刻机更好更先进。
但无掩膜X射线光刻机同样面临上述效率低的困境。无掩膜光刻本身并不难，难就难在X射线工艺以及效率的提升上。当前全球还没有任何一家机构能够解决这个问题。这也是俄罗斯接下来要面对的难题和挑战。
按照计划，俄罗斯将完成对主要技术解决方案的验证——基于动态掩模模型的制造和两项控制实验研究。最早将于今年11月开发动态掩膜的技术和模型，以及原型光刻机的技术规范和可行性研究，工艺要达到28nm及以上。
其实早在20年前，俄罗斯莫斯科电子技术学院就在无掩膜EUV领域展开了研究，2002年时就开展了一个名为“基于微聚焦X射线管列阵的软X射线源研制，适用于10nm无掩膜光刻机”的项目研究，目前进展还算是比较顺利。
因此，业界对于俄罗斯可能在此领域取得突破，抱有较大期待。
另外，无掩膜光刻技术目前还已经在科研、医疗、军工以及特种器件等特定领域内实现了一定程度的产业化应用。
复旦大学魏大程教授课题组利用小型台式无掩膜光刻机- MicroWriter ML3开发出了新型快速超灵敏新冠病毒检测芯片。MicroWriter ML3可以任意调整光刻图形，帮助用户快速实现原型芯片的开发，使用该设备制造的基于石墨烯场效应管的分子微纳机电芯片在检测离子，生物分子和新冠病毒等方面具有快速超高灵敏度等特点，从一定程度上助力生物医学检测领域的研究。
去年，由南昌大学材料学院博士生刘冠鹏负责的“芯像视成”项目，也在致力于MicroLED无掩膜光刻机技术研究与落地转化，助力我国半导体和无掩膜光刻相关技术的研究与产品开发。
从市场应用和技术动态能够看到，无掩膜光刻技术一直在不断的演进和探索过程中。
综合来看，每种光刻技术都有各自的特点和优劣，掩膜光刻技术的优势在于其在转移电路图形过程中的精确性和可靠性，但随着成本的日益高涨，无掩膜技术的大规模使用成为其未来潜在的替代风险。
但现阶段无掩膜技术尚存在诸多待解决的问题，仅能满足精度要求相对较低的行业中的光刻需求，且效率较低，无法满足对图形转移精度要求高以及对生产效率有要求的行业运用。因此，掩膜光刻短期内或不存在被快速迭代的风险。
然而，世界上或许没有一种完美的技术方案，无不是在成本、效率、性能等多方因素中反复权衡，力求在行业的动态变幻中寻到一个最优解。
过去很长一段时间以来，掩模光刻技术是光刻工艺路线中的最佳选择；未来，无掩膜光刻技术或将凭借成本优势及行业布局逐渐受到行业关注。
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