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张婉婷:光罩为什么这么贵?

张婉婷:光罩为什么这么贵?

  光罩为什么这么贵?

  随着半导体晶圆制程技术的飞速发展,半导体制造厂持续遵循摩尔定律,不断挑战更先进的制程。而谈到先进制程,很多芯片设计公司的第一反应都是光罩很贵,动辄几十万到百万美金级别的光罩费用,是怎么来的,这样的费用合理吗? 在解答这个问题之前,我们来看看什么是光罩,以及光罩是怎么制作的。

  一、什么是光罩

  光罩,也叫光掩膜版,英文名字叫Mask,是一种由石英为材料制成的,可以用在半导体曝光制程上的母版。 而这种从光罩母版的图形转换到晶圆上的过程,就像印钞机工作一样。我们可以把光刻机想象成印钞机,把钞票母版的图形印到纸张上的过程,就像光刻机把芯片图形印到晶圆上一样,都需要有母版,这个母版在半导体制造上就是光罩。 为了制造一款芯片需要几百道工序,光罩也是不只一张的,在14nm工艺制程上,大约需要60张光罩,7nm可能需要80张光罩甚至更多。当然光罩的品质要求是不同的,对于某些对精度要求很高的工序,相对应的光罩对精度的要求时最高的,比如晶体管相关的光罩, 而对精度要求不那么高的工艺,比如Pad(打线孔)等要求就低一些,光罩价格也便宜一些。 先进制程对光罩精度的要求越来越高,同时不能有缺陷,所以光罩制造后的检查(Inspection)也很重要。

  图一. 用于半导体制造的光罩(来源:凸版印刷公司)

  二、光罩的制作过程

  1. 制作石英基板。空白基板通常为6英寸见方,厚度为0.25英寸。它由纯熔融石英制成,通常简称为石英。基板表面必须非常平坦且无缺陷。

  2. 沉积吸收层。在基板上是薄的吸收层,可以阻挡来自光刻机的曝光。

  3. 沉积光刻胶层。在吸收层的顶部是一层薄的光刻胶,暴露在光罩写入机(Mask Writer)之下。

  4. 写入。由光罩写入机完成,使用电子束曝光光刻胶,将芯片设计的图案数据呈现在光刻胶上。

  5. 烘烤。烘烤曝光的光刻胶,要求在光罩上的每个点都温度均匀。

  6. 显影。 使用显影剂使光刻胶的图像显影,漂洗并干燥而不留下任何残留物。因为光刻胶图案在蚀刻工艺期间用作光罩,所以该显影步骤是关键的,因为显影中的任何不均匀性将导致最终图案尺寸的不均匀性。

  7. 蚀刻。然后将显影的光罩放到到蚀刻机中,蚀刻机使用等离子体精确地蚀刻掉由写入和显影步骤带来的吸收剂材料。

  8. 剥离和清洁。将蚀刻好的光罩装入清洁机器中,清洁机器使用干等离子体或湿化学法剥离光刻胶。

  9. 测量。测量关键尺寸(CD)和图案精度,以确保它们符合客户规格。

  10. 检查。为了验证图案精度,将光掩模加载到Inspection机台中。如果发现缺陷,则对它们进行分类和必要的修复。

  图二:光罩制作流程(来源:Sematech)

  三、制作光罩的关键机台

  前面在光罩制作过程中提到了Mask Writer(光罩写入机),请注意这个机台和光刻机是不同的,光罩写入机是把设计图案呈现在光罩上;而光刻机是把光罩上的图案呈现在晶圆上,这是不同的过程。 全世界制造光罩写入机的厂商不多,在14nm之前流行的是一种叫VSB(Variable Shape Beam)电子枪的写入机,在这个市场上日本的Nuflare公司处于垄断地位,而到了10nm以下就需要Multi-Beam电子枪技术了。 根据Nuflare公司财报,去年公司营收578亿日元,折合美元5.3亿,营业利润也只有1.1亿美元,并不高。这样高科技的光罩写入机,Nuflare每年卖出多少台呢? 大概也就在二十台。 销量如此之低的原因,一方面是因为贵,另外这种机台只有在制作光罩时使用,每种芯片只要制作一次,有些晶圆厂自己并不制造光罩,也就是没有自己的Mask Shop,而把光罩制作交给专业的Mask Shop来完成。 另外光罩测量和Inspection机台主要由KLA等公司提供。

  图三: VSB光罩写入机的结构(来源:Nuflare)

  图四: 光罩写入机台(来源:Nuflare)

  四、光罩写入的时间

  写入Mask的时间跟精度要求相关,根据Tennant定律,单位面积上光罩的写入时间跟精度的五次方成正比。2010年之前,那时制程刚刚发展到45nm,一套光罩的写入时间在6小时之内。随着制程技术的发展,自2011年起,光罩写入时间以每年25%递增,如今14nm光罩的写入时间就需要20小时,到了7nm甚至需要50小时以上。光罩写入时间长,产出慢,制约了光罩技术的发展,而打破写入时间这一瓶颈,需要Multi-Beam的新技术。

  图五: Mask写入时间(来源:Synopsys)

  五、光罩相关软件:OPC、MDP

  除了光罩写入时间长,运行OPC等光罩相关软件的时间也比较长。OPC是Optical Proximity Correction的简称。 简单来讲,随着加工尺寸越来越小,如果Mask直接采用芯片设计图上的方形边角图案,由于光衍射效应在晶圆上最终变成了圆角图案。如图六。而OPC就是通过改变光罩的图案形状,比如变成像动物骨头的形状,来补偿这种效应,争取在晶圆上重现方角的原始设计图案。 市场上OPC软件由EDA厂商提供,有Synopsys, ASML Brion,Mentor等。在14nm及更先进工艺上,除了OPC,还需要使用一种叫ILT(Inverse Lithography Technology)的技术,这里就不展开讲了。

  除此之外,还需要MDP(Mask Data Preparation),即光罩数据准备的步骤,把设计图案转换成Mask Writer可以读取的数据。在MDP软件上目前Synopsys处于领导地位。OPC等软件使用过程复杂,对CPU硬件算力要求很高,一般需要几十人的工程团队支持, 软件在成百上千台服务器上运行,从开始准备到生成Mask Writer需要的数据,最快也需要几天时间。

  图六: 没有OPC和有OPC的图案对比(左侧为光罩图案,右侧为晶圆上的图案)

  六、光罩技术的未来发展

  谈到光罩技术的发展,可以说7nm是一个分水岭,如果说10nm还可以用VSB Mask Writer的话,到7nm都必须换成Multi-Beam。与VSB使用单个电子枪不同,Multi-beam使用的是电子枪阵列,比如512X512的阵列,写入的电流密度降到了VSB的几百分之一。 VSB 的写入时间随图案复杂而增加,而Multi-Beam写入时间与图案复杂度无关,写入时间可以减少10倍。另外,7nm上的EUV光罩,基本也只能用Multi-Beam Mask Writer来完成。 Multi-Beam市场上,除了Nuflare,IMS,JEOL公司也分得一杯羹。在Muti-Beam技术上这些公司都研发超过10年以上,不出意外,Multi-Beam机台也更贵了。

  图七:Multi-Beam与VSB Mask Writer的区别(来源:Nuflare)

  七、总结

  综上所述,光罩的总体费用,包括石英,光刻胶等原材料的成本,Mask Writer和Inspection等机台的使用成本,另外还有光罩相关数据的生成,包括OPC、MDP等软件授权、服务器使用、和人工开发成本,等等。 对于一款芯片,动辄几十道的光罩,需要如此多的步骤,设备、软件、人员缺一不可,费用昂贵也就不足为奇了。

  参考资料:

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