掩膜版的复杂性、成本和变化

随着尖端光刻技术节点进一步推进至EUV及更高水平，掩模制造已成为半导体制造中最关键、成本最高的环节之一。与此同时，非EUV应用正在延长旧设备和工艺的使用寿命，这对行业提出了挑战，要求其为这两个极端寻找新的解决方案。semiengineering与HJL Lithography首席光刻师Harry Levinson、D2S首席执行官Aki Fujimura、美光公司掩模技术高级总监Ezequiel Russell以及Photronics执行副总裁兼首席技术官Christopher Progler就这些变化进行了探讨。以下是访谈摘录。

目前 EUV 和非 EUV 光刻技术前沿面临的最重大掩模相关挑战是什么？

Levinson：对于 EUV 来说，最大的问题是成本——制造、维护和更换掩模版的总成本。光学掩模版和 EUV 掩模版在其整个生命周期内存在巨大的价格差异。我认为这种情况不会很快改变，尤其是在转向新的吸收层并增加复杂性的情况下。在光学方面，这仍然是一个成本问题，但性质不同。许多老节点仍在使用几十年前就已完全折旧的工具，而现在这些工具已接近使用寿命。如果你引进一个价值 2000 万美元的替换工具，并且五年内折旧，那么每小时 500 美元的成本就会直接增加到掩模版成本中。对于小批量生产的产品来说，这是一个大问题，因为你无法在大量芯片上摊销成本。对于价格敏感的市场来说，这将是一个真正的问题。

Aki Fujimura：对于 EUV 技术，大家都认为掩模版成本会很高。如果你正在开发一款新的 AI 芯片并试图获得风险投资，你不会从 EUV 节点开始。你会在更便宜的节点上验证，比如 193i 节点，因为你目前还没有达到产量——即使你以后会成功。生态系统已经意识到了这一点，并将在大批量或极高价值的产品中使用 EUV，并接受掩模版成本高昂的事实。对于非 EUV 技术，“前沿”的概念已经分裂，取决于预算和你所面临的光刻技术限制。对于那些瞄准非 EUV 前沿节点的公司来说，面临的挑战实际上与 EUV 非常相似。你希望尽可能地保持领先，因为你正在与其他做同样事情的公司竞争。曲线掩模等技术适用于 EUV 和非 EUV 光刻，因为每个人都希望获得比竞争对手更好的图案——即使在 193 干式或 193 浸没式节点中也是如此。

Russell：成本是一个主要问题，尤其是在 EUV 光刻中。但从内存角度来看，一个重要因素是 EUV 光罩的寿命。它与 DUV 或浸没式光罩相比根本不值一提。在美光公司，由于产量受到影响，使用防护膜并不可行。这意味着我们必须更频繁地清洁光罩，并且需要备用防护膜来保证光刻机在检查或清洁光罩时正常运行。这会缩短光罩的寿命并增加总成本。此外，EUV 光刻机需要更高的剂量才能获得最佳的图案印刷效果，因此实际产量低于规格要求。随着剂量的增加，该设备每小时处理的晶圆数量会线性下降，这使得整个 EUV 光刻步骤的成本更高。如果您拥有用于间距倍增或其他浸没式图案化方法的知识产权，那么仅从成本角度来看，EUV 光罩的合理性可能难以得到证明。对于非 EUV 光罩，该技术已经相当成熟，但随着图案规格的收紧——CDU（临界尺寸均匀性）、配准、图案定位——成本也会上升。即使功能或材料可能没有改变，更严格的规格也会降低产量，并需要更高级的写入器和更多的维修，从而增加成本。

Progler：对于 EUV 技术来说，关键问题之一是专用工具，例如仅适用于 EUV 掩模版的光化学检测工具。这些工具非常昂贵，而且由于 EUV 掩模版的运行量不大，每次使用的成本很高。这确实推高了 EUV 掩模版的成本。但我还想强调一点——周期时间。我们看到人们对掩模版交付速度的关注远高于成本。如果 EUV 想要获得更广泛的成功，就需要扩大其用户群。而这只有通过缩短原型设计和交付新设计的时间才能实现。对于我们的许多客户来说，周期时间已经成为比成本更重要的问题。对于复杂的光学掩模版和 EUV 掩模版来说都是如此。我们需要更快的交付速度，并更有把握地确保印刷出来的产品一次性完成，因为整个流程的成本非常高昂。

在 EUV 中，单次图案化在前沿是否足够，还是仍然需要多次图案化？

Aki Fujimura：对于任何给定的光刻技术，总有一套增强技术可用于提高分辨率和图案保真度。这其中就包括多重曝光技术。问题不在于多重曝光技术是否会发生，而在于何时发生。EUV 在未来绝对需要多重曝光技术。如果我们最终走向高数值孔径 (NA)，多重曝光技术将被用来避免超数值孔径 (Hyper-NA) 的需求，等等。因此，各公司将根据其对额外步骤和精度的容忍度做出不同的决策，但 EUV 多重曝光技术的需求必将到来。

Russell：美光公司围绕多重曝光技术开发了大量知识产权，最早从KrF技术开始，后来又逐步推广ArF技术。整个战略的核心在于延长浸没式曝光技术的应用时间，并推迟EUV技术的应用。我们也会对EUV采取同样的策略，将其扩展到多重曝光技术。据我所知，目前所有使用EUV进行量产的节点，包括内存和逻辑芯片，都在使用单次曝光EUV技术。但所有研发部门，无论是逻辑芯片还是内存芯片，都在为下一个节点研发某种EUV多重曝光技术。英特尔一直积极主张在其14A节点上使用高NA EUV，这是因为单次曝光EUV技术无法达到规格要求。高NA技术可以帮助缩短周期或降低晶圆厂空间限制，即使成本更高。但对于大多数应用而言，半场高NA技术在成本上难以与多重曝光EUV技术竞争。我们用于扩展浸没式成像的所有技术——复杂的OPC、先进的照明器、计算方法——现在都应用于EUV。多重图案化已成必然。

Progler：我同意。多重曝光技术是自然而然的演进。当你试图从低数值孔径 EUV 工具组中获取更多价值时，双重曝光技术非常有意义。据说，最早的 EUV 量产应用实际上是双重曝光接触层，因为当时的光刻胶质量不足以支持单次曝光。所以这个想法并不新鲜。问题在于何时何地引入多重曝光技术在经济和技术上是否合理。大多数技术组件已经到位，可以支持 EUV 的常规多重曝光应用，尽管价格要高得多。与 ArF 类似，要广泛采用 EUV，需要改进掩模版友好的图案分解方法、掩模版边缘布局规格，以及最重要的掩模版量测和吞吐量。掩模版曝光设备目前状态良好，但高速一维和二维量测技术（尤其是掩模版）仍然存在巨大差距。如果我们要扩大 EUV 多重图案化规模，我们就需要解决这个问题。

Levinson：我们知道如何进行多重曝光。但在逻辑电路方面，我们的经验大多集中在单向布局方面。与此同时，系统级设计师希望设计出更复杂、甚至曲线形状的电路。对于如何在这类设计中实现多重曝光，我们了解得少得多。我记得早期针对逻辑电路的自对准多重曝光演示，当时我们研究的是双向图案。机会就在眼前，但我们还有很多东西要学。目前还不清楚它的效果如何，也不清楚我们能将它推进到什么程度。

哪些材料发展对 EUV 掩模版、晶圆工艺控制和良率最有前景？这些材料如何发展以支持更精细的节点？

Russell：我们最初在 EUV 中使用二元反射式掩模版，后来逐渐转向衰减型或低 n 值反射式掩模版。这些掩模版可以提高图像对比度，从而直接减少最终晶圆光刻胶图案的 CD 均匀性问题和线宽粗糙度。目前正在研究不同 n 值和 k 值的掩模版材料，以优化特定图案类型或间距的性能。如果掩模厂能够支持多种空白掩模，就有机会选择性地将吸收层特性与不同层的要求相匹配，从而获得更好的成像效果。在光刻胶方面，低灵敏度光刻胶（就像在 DUV 中一样）可以实现更好的图案保真度，尤其是在多道次刻蚀的情况下。这提高了位置精度并减少了线边缘偏差。对于晶圆而言，金属氧化物光刻胶是更具革命性的进步之一。它们比传统的 CAR（化学放大光刻胶）具有更高的对比度和更好的抗蚀刻性。尤其对于接触层和柱状层而言，这些技术可能具有潜力。但它们仍然面临着缺陷率、成本以及需要专用沉积工具等挑战，而这些工具不易适应大批量生产。

Progler：在第一代EUV中，定制掩模板属性、调整吸收层厚度或材料属性等技术尚未得到积极应用。但这为拓展特定层级晶圆工艺的灵活性提供了巨大的机会。例如，为了实现高数值孔径，我们可能需要采用非周期性多层结构。掩模板堆叠可以根据不同的成像需求进行调整，而这在早期并没有得到深入探索。在光刻胶方面，掩模市场规模较小。目前投资新型电子束光刻胶的公司并不多。含金属光刻胶可以提供一些新的选择，但如果没有更大的安装基础，开发这类光刻胶的商业案例将会非常困难。我希望看到更多竞争和创新，但实际上，这需要在利基市场持续进行研发投入。

Levinson：金属氧化物光刻胶确实很有意思。它们较高的光吸收率是一个巨大的优势。EUV光刻胶需要很薄才能避免图案塌陷，因此，如果能在更薄的薄膜中吸收更多光子，就能在多个方面获益——更小的统计差异、更低的所需剂量以及更好的整体成像效果。在最近的SPIE会议上，有一些论文探讨了锡基光刻胶以外的其他元素，例如碲和锑。他们的想法是利用新的化学方法提高EUV光刻胶的吸收率。在掩模方面，3D掩模效应是一个主要问题，尤其是在宽间距范围和复杂图案的情况下。吸收层和多层设计可以成为解决这个问题的杠杆，但这仍然是一个需要进一步研究的领域。

Aki Fujimura：对于EUV来说，防护膜的性能对整体效率有着重大影响。它本身并非掩模版材料，但透射率和耐用性都会影响EUV光刻的效果。你肯定不想每周都更换防护膜。这会增加成本，需要检查，并带来风险。提高防护膜的使用寿命是维持EUV掩模版生态系统活力的关键。

目前 EUV 光罩面临哪些挑战？如何才能提高其耐用性和性能？

Aki Fujimura：防护膜在193i中被广泛接受。每个人都在使用它们，它们经久耐用，这都很好。但问题出在EUV防护膜上。两个主要因素是透射率和耐用性。使用EUV时，掩模版是反射式的。光线必须穿过防护膜，照射到掩模版上，然后再返回，因此会损失两次能量。这些防护膜的使用寿命也很短。你可能需要每周更换一次。而且每次更换时，你都必须再次检查掩模版，因为可能会出现问题。这既昂贵又耗时。但即便如此，无论是否使用防护膜，使用EUV仍然是值得的，这说明了尽管存在缺点，EUV仍然很有价值。

Levinson：美光公司不使用防护膜，因为其透射率不够高，而且会损失太多的扫描仪吞吐量。你可能觉得90%的透射率听起来不错，但EUV光刻技术会让光线两次穿过防护膜。这意味着损失了20%，这是一个不小的损失。

Russell：实际情况比这更糟。目前这一代的防护膜，即基于多晶硅的防护膜，会反射来自光源的深紫外 (DUV) 光。这意味着你需要一种名为 DGL 膜的特殊滤光片来阻挡反射的 DUV 光。这又会在防护膜本身的损失之外，额外增加 20% 的吞吐量损失。因此，在大多数应用中，这不太实际，尤其是在你的设计能够容忍一些缺陷并且具备修复能力的情况下。在这种情况下，省略防护膜是理所当然的。目前还有其他防护膜正在开发中，例如基于碳纳米管的版本。这些防护膜对 DUV 的反射程度较低，而且本身就具有更高的 EUV 透射率，因此不需要 DGL 膜。如果我们能够确保它们足够可靠，它们可能会成为更主流的选择。但目前，它们的使用寿命不足 10,000 次晶圆曝光。如果它们失效，就会在光刻机内部彻底碎裂成数百万块。这将是一个巨大的风险，并可能导致严重的停机事件。我不知道是否有人在大批量生产中使用它们，但肯定有积极的研究。

Progler：碳纳米管薄膜看起来很有前景，而且正在接近商业化，但Ezekiel所说的一切都是真的。EUV薄膜比193i薄膜更复杂，也更耐用。在掩模版清洁或检查后，移除并重新安装新的薄膜是掩模版服务的常规步骤。EUV的排斥率或每次排斥的晶圆通过次数远低于193i浸没式技术。而且，更换EUV掩模版上的薄膜是一个成本更高、更复杂的过程。它会影响所有方面——产量、检查以及管理掩模版的时间。此外，还缺乏标准化。目前，每个EUV掩模版供应商都使用不同的薄膜设计和安装方法。这种碎片化使得该技术难以成熟并大规模应用。

Levinson：这真的取决于具体用例。如果你正在构建像 800 平方毫米 GPU 这样的大型芯片，你可能需要使用防护膜来避免致命缺陷。但对于具有冗余的内存应用，情况就不同了。我们看到防护膜制造商正在提高光罩的透射率和使用寿命，ASML 也一直在改进其生产工艺以减少光罩污染。但我们仍然需要根据产品类型和风险承受能力进行权衡。