光掩模的业务和技术挑战增加

专家会议:半导体工程公司坐下来讨论光学和EUV掩模问题，以及掩模业务面临的挑战，DNP研究员Naoya Hayashi;Peter Buck, MPC和掩模缺陷管理总监西门子数字工业软件；Hoya技术战略高级总监Bryan Kasprowicz;的首席执行官藤村昭d2．以下是那次谈话的节选。

从左至右:DNP研究员Naoya Hayashi;Hoya技术战略高级总监Bryan Kasprowicz;Peter Buck，西门子数字工业软件MPC和掩模缺陷管理总监;以及D2S首席执行官藤村昭。

SE:多年来，芯片制造商使用基于光学的光刻扫描仪来制作最先进的芯片。在扫描仪中，芯片制造商使用了光学掩模，它由玻璃基板上的不透明铬层组成。为什么口罩很重要?

Kasprowicz:它将数字设计带入物理世界。这是用来制造芯片的光刻工艺。每一层至少需要一个掩模，然后在制造过程中，这些掩模相互叠加，最终形成芯片。那个面具代表你想要的设计。它仍然是来自数字空间的一系列0和1，但现在它在物理空间。每个节点都使用了光掩码。然而，在高级节点上使用的较少极端的紫外线介绍了(EUV)光刻技术。

SE:芯片制造商能够将193nm波长光刻技术扩展到16nm/14nm和10nm/7nm节点。在这些节点上，光学掩模变得更加复杂，对吧?

Hayashi:在光刻技术中，光学掩模缩放基本上是由波长较短的光源驱动的。但如你所知，我们目前使用的是193nm波长光刻技术。这是光刻光源的末端波长。所以我们需要更多的技术光学接近校正(OPC),反光刻技术(ILT)，或相移掩模，以提高印刷适印性和图案保真度，以及缩放器件特征。在这种情况下，模式是非常复杂的。因此，在掩模制作过程中，数据准备、掩模编写和检查过程变得非常重要，也带来了一些挑战。

巴克:当我们达到光学光刻的分辨率极限时，我们正努力改善晶圆光刻的工艺窗口或可制造性。要做到这一点，我们必须增加掩模的复杂性，要么通过额外的特征来纠正非线性，要么使用相移等方法来光刻过程。在相移掩模中，你可以利用干涉成像的工程技术。通过180度光相位差，可以改善图像边缘的斜率，从而改善处理窗口。这增加了口罩的复杂性，增加了制造口罩的挑战。

》:需要OPC或更复杂的图案操作的原因之一是向下一个技术节点的迁移，例如从65nm到45nm再到28nm。如何在不改变光刻波长的情况下，在可接受的工艺窗口内提高分辨率?有许多不同的分辨率增强技术，统称为分辨率增强技术(RET)。多重模式就是一个例子。相移是另一个。源掩码优化(SMO)也是如此。其中一个技巧是操纵蒙版上的形状。因此，当光线投射到晶圆上时，你可以在晶圆上得到更多你想要的东西，并且更频繁地得到它。它被称为过程窗口。你想在晶圆制造中更可靠，你可以通过操纵形状来提高对制造技术变化的弹性。 The more curvilinear the shapes are on the mask, the better you can do in achieving the best wafer quality with better process windows. But the mask-making process becomes more complex. That’s why there is a tendency for mask complexity to increase for advanced nodes. It’s better for the overall semiconductor industry if the mask industry can do more complex curvilinear mask shapes reliably.

Kasprowicz:所有的面具都变得越来越复杂。随着光刻机不断寻求扩展单模制程或停留在双模制程光学上的方法，并提高制程性能，需要先进的OPC和其他RET策略。在某种程度上，切换到EUV可能更具成本效益。

图1:各种掩模的示意图:(A)常规(二进制)掩模;(b)交替相移掩模;(c)衰减相移掩模。资料来源:维基百科

SE:如今193nm波长的光刻技术已经扩展到了7nm。在5nm的高度上，用光刻技术制作最先进的芯片太过复杂。因此，在7nm/5nm及以上，EUV光刻是必需的。但EUV掩模与光学掩模不同。这里有什么挑战，下一步是什么?

Kasprowicz:在传统的光学光刻中，掩模使用折光光学，这意味着光可以穿过掩模。这是一块玻璃，上面有某种阻挡光的东西，主要是铬。所以光穿过玻璃到达晶圆。照射在铬上的光被挡住了。相比之下，EUV光刻使用13.5nm波长。EUV掩模具有反射性。还需要像光学一样的挡光器。对于EUV，钽一直是主要材料。现在，光线从镜子反射到晶圆上。进入吸收器的光被挡住了。 For EUV masks, there were a lot of the challenges early on, and even today, with the main one still being defects. The goal is to get to zero defects but we are not there yet. Here, defects in the multi-layer EUV mask are more important, because you start having some phase transitions in the light at that point. And they are nearly uncorrectable. People are working on a few things to compensate for those at the post-pattern stage, but they’re very hard to compensate. So that requires the end-user to employ some mitigation strategies to avoid those defects. Then, as you move up into the absorber in the EUV mask, those are traditional defects that you would see, like in an optical mask. Those are repairable, so there is a solution for those. Going forward, we are starting to look at new films. Phase-shift masks for EUV are coming into play. The concept for phase-shift masks in EUV is the same as optical. Except again, it’s still reflective as opposed to transmissive. Phase-shift masks for EUV are in the infancy stages of being developed. They are being looked at by a number of different customers that are pushing the limits on today’s litho systems. Instead of pushing EUV double patterning right away, the more cost-effective solution is using an RET. So we have a lot of learning with RETs with optical. All of those strategies are being re-deployed now for EUV. And phase-shift masks for EUV is the one next in line.

Hayashi:EUV掩模具有反射性。所以我们需要某种类型的检查系统。基于光学的掩模检测系统已经存在，具有反射模式。所以我们可以检查EUV掩模。但EUV掩模需要质量保证。所以当前检查系统的解决方案和能力是其中一个问题。此外，电子束掩模检测系统正在以更高的分辨率发挥作用。理论上，EUV掩模检测的最佳情况是光化检测。它使用EUV光源来检查相位缺陷。这个系统也在现场。 All of those new systems are being used for mask inspection. In addition, we need a tool like a metrology system to measure things like reflectance of EUV light on the mask. We also need printability simulation. We call this AIMS. Today, AIMS for EUV is used to guarantee the printability of the EUV mask. Still in the metrology/inspection area, there are some challenges here to cover all those aspects with a reasonable cost.

巴克:它还增加了数据处理领域的复杂性。EUV具有光刻所没有的一些长程效应。它也有一些方向和组成效果。OPC必须在全掩码布局中完成，这种情况很可能也很常见。所以你不能再假设你可以有多模布局，在一个实例上做OPC，然后把它放在掩模上。这意味着OPC的成本更高，掩模工艺校正或MPC的成本和复杂性也更高。你不能再依赖一个在整个面具中重复的骰子了。它必须被复制到数据中，所以你的数据量也会增加。

》:现在，全世界都在考虑从今天的0.33数值孔径EUV到高na EUV。但我们还需要一段时间才能到达那里。与此同时，你们如何将分辨率提高到现在的5nm，然后是3nm，最终是2nm ?没有高na我们怎么做?我们通过应用业界已经知道如何为193i工作的已知RET技术的组合来做到这一点，包括改变掩模上的形状。这就是你如何得到OPC，子分辨率辅助功能，甚至曲线ILT。不同的技术在加工的复杂性、数据处理的复杂性、掩模制作的复杂性、掩模检测和修复的复杂性之间有不同的权衡。

图2:EUV掩模的横截面。资料来源:Luong, V.， Philipsen, V.， Hendrickx, E.， Opsomer, K.， Detavernier, C.， Laubis, C.， Scholze, F.， Heyns, M.，“Ni-Al合金作为替代EUV掩膜吸收剂，”应用。科学。(8)， 521(2018)。(Imec，鲁汶大学，根特大学，PTB)

SE:在掩模制作流程中，掩模毛坯供应商制作掩模毛坯。然后，空白被运送到掩模供应商，在那里制造掩模。为了在传统光学掩模上绘制特征图案，掩模制造商使用基于可变形状光束(VSB)技术的单束电子束工具。然而，对于EUV掩模，业界已经开发了多波束掩模写入器。为什么EUV掩模需要多波束掩模写入器?

》:采用多波束掩模书写技术，20多年来首次从根本上改变了掩模的制造方式。多波束掩模写入是现有可变形状波束掩模写入技术的一种新技术。多波束写入器更适合EUV掩模写入。同时，多波束掩模写入使曲线ILT或曲线形状可以在掩模上制造，而不需要写入时间损失。VSB写入器的写入时间与镜头的数量成正比，这使得写入复杂形状的速度较慢。在多波束写入器中，无论形状如何，写入时间都是恒定的。由于EUV掩模是用多波束写入器编写的，因此它们可以具有曲线形状，但现在通常不是这样。EUV掩模要求更高的精度和较慢的抗蚀剂。因此，它需要更多的能量才能暴露电阻，这就产生了加热问题。所以你希望能够使用多光束，即使它们是简单的形状。 EUV masks are better to be written with multi-beam.

SE:从你的角度来看，你对光掩模业务或其他领域最大的担忧是什么?

》:对于任何新的节点，以及EUV和曲线掩模等新技术的采用，都存在许多担忧和担忧。但总的来说，我完全有信心，所有潜在的问题都将通过这个社区的人和公司的创新和团队合作来解决。

Hayashi:最近，半导体成为全球瞩目的焦点。我担心的是我们是否考虑到了整个生态系统。大多数公司专注于晶圆厂。但商用掩模制造商面临着一些障碍，或者可能成为实现半导体的所谓瓶颈，尤其是成熟节点。几乎没有人意识到这一点，至少现在还没有。我对此非常担心。

Kasprowicz:一切皆有可能，但代价是什么?谁愿意为此买单?瓶颈是存在的，但这可以通过更多的资金、工具和能力来解决。但看看那些口罩制造商。对他们来说，花费5000万到1亿美元并不容易。对于一家被俘虏的口罩制造商来说，这是合理的。作为掩模毛坯制造商，我们的竞争对手有限。所以归根结底是钱的问题。钱是可用的，但在某种程度上，有一个商业决策起作用。所以成本总是在等式中。 From a technology perspective, there’s a lot of smart people out there. There’s a lot of opportunity for innovation, as well. And we can find the answers. The question is, ‘Are people willing to pay for the answers?’ In the near term, as capacity becomes consumed, mask makers for the first time ever will be able to raise mask prices. So that will help them fund something maybe in the future, but that’s a short-lived situation. And it’s not the captive mask makers that have to worry about this. It’s the merchants.

SE:我们看到成熟节点上的芯片出现了巨大的繁荣。在成熟节点上，芯片需要掩模。但成熟节点的掩模设备，尤其是掩模编写工具，存在一定的不足。这里的问题是什么?

Kasprowicz:许多需求很大的关键工具已经有20年的历史了，现在已经没有了。当这些工具被购买时，它们是口罩行业的最先进技术，并要求适当的asp。今天，他们被认为是非常成熟的低asp。一些替代品开始可用，但它们需要时间才能得到客户的评估和认证。其他可能还在开发中。有些没有被考虑。这里的症结在于，口罩制造商(主要是商家)有成熟的网站可以放置这些工具。为这些设施配备成熟的工具，他们将花费大量的费用，这在多年来并不常见。在平均售价增长有限的情况下，管理好这笔费用以保持良好的利润率是很困难的。

巴克:在我的记忆中，口罩行业的成本一直是一个挑战。另一个问题是关于过时和为更成熟的节点替换旧的掩模工具的成本。但是这里的解是什么呢?口罩制造商的商业模式是否需要在某种程度上改变，以便为在中国的投资提供更好的资金?我们早就认识到这个问题，但还没有提出任何真正的解决办法。已经有了一些成本分摊的努力。在过去，我们看到像先进掩模技术中心这样的组织，在那里多家IC制造商购买掩模商店。也许有解决办法。但这似乎是一个没有技术解决方案的挑战。

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