成熟节点的掩模/光刻问题

《半导体工程》杂志与Photronics的技术和战略总监、杰出的技术人员Bryan Kasprowicz坐下来讨论光刻和掩模问题;哈里·莱文森(Harry Levinson)， HJL Lithography的负责人;NuFlare的高级技术专家Noriaki Nakayamada;以及日本的首席执行官藤村昭(Aki Fujimura)d2．以下是那次谈话的节选。

(从左至右)中山田纪明、布莱恩·卡斯普罗维奇、藤村昭和哈里·莱文森。

SE:一段时间以来，对老式200mm晶圆厂成熟工艺节点的需求一直很强劲。一般来说，200mm的晶圆厂产能已经售罄。另外，很难为这些晶圆厂找到合适的200mm设备。成熟节点的掩模和光刻设备有哪些问题?(在一个掩模工厂制造，一个光掩模是集成电路设计的主模板。在fab中，掩模被放置在一个光刻技术扫描仪。晶圆被移动到扫描仪中。扫描仪将光通过掩模投射到晶圆上，在晶圆上形成图案。)

Kasprowicz:您正在看到成熟节点的演变。新产品不断推出，总体而言，为65nm甚至45nm及以上节点。对于这些节点，fab工具完全贬值。因此，除了在晶圆方面的适度维护外，这些工具在这一点上通常是摇钱树。这是对那些节点的不同掩码策略。65nm的掩模策略略有不同，需要更多的电子束写入。然后，晶圆光刻工具，如果它们还在工作，就是在印钞票。材料成本相对较低，资本支出有限。公司仍在用它们生产产品，而且它们肯定在赚钱。有一些挑战。 Let’s say somebody is operating a 200mm fab and they want to extend it for another node. If they are at the end of life with a 248nm lithography tool with a certain numerical aperture, and then they want to jump to the next node, it requires a lithography tool. There are not many lithography tools that are available to help them extend it for one more node. Even if they could get them, that puts them in a near-term price point bind due to the CapEx to buy the tools. So companies are still trying to stay with the older generation chip products. Still, these type of chip products are growing left and right. The demand is there.

莱文森:对于这些成熟的节点来说，仍然有一个相当不错的二手设备市场。许多这些领先的晶圆厂正在出售他们的一些旧工具。在光刻市场上，尼康、佳能和ASML已经认识到他们可以在二级市场上做很好的生意。例如，ASML有TwinScan。它一直是300毫米系统。现在，他们正在制造200mm版本的工具，因为人们需要一定的能力。一些公司希望保持200毫米晶圆尺寸是有充分理由的。

SE: ASML是极紫外线(EUV)光刻扫描仪。但是成熟节点的光刻前景是什么样子的呢?

莱文森:如果你看看KrF(氟化氪激光)或248nm光刻市场，佳能、尼康和阿斯麦都在这个行业。销售方面的竞争非常激烈。光刻市场在我们进入尖端193nm浸没和EUV市场后才变得有点垄断。但供应商之间的竞争是健康的一些干式光刻工具。因此，对于成熟的节点，我们看到i-line和KrF，以及一些193nm光刻工具正在使用。然后，在包装领域，也有一些宽带光刻工具。

SE:从eBeam Initiative的掩模制造商调查来看，目前前沿的掩模量相对较低。(图表见下图)这涉及到7nm和5nm。然后，如果你观察后缘掩模的体积，这些数字相当重要。这里的掩模有哪些问题?

》:今天，大约70%左右的面具是由激光书写工具制作的。这与130nm及以上的基本规则相关。如果你看一下eBeam Initiative的掩模制造商调查图表，你会发现130纳米以上掩模的数字确实很引人注目。在阅读这个图时要注意的一件事是，最左边的点是130nm，所有的基本规则都在此之上。它本身不是130纳米的。但它仍然指出，130nm及以上的掩模基本规则占非常高的比例。基本规则是关于掩模加工技术的。它描述了掩码车间需要能够满足特定掩码的所有掩码规格，该掩码对应于给定技术节点的关键层(意味着掩码的最严格规格)。所以当我们说130nm基本规则时，这意味着130nm节点的关键层掩模所需的掩模的基本规则。根据基本规则，口罩店的生产线上需要不同的设备、材料和工艺。 In comparison, a given wafer at the 7nm node contains many different masks — typically over 80 masks. Of all those masks, only some are critical layer masks. If the wafer fab is using 193nm immersion lithography scanners for the critical layers of that technology node, there are multiple masks for one layer on the wafer. Each wafer layer is like a gate or metal 1 or a via or contact. These typically have the smallest dimensions with the tightest specifications.

图1:根据基本规则交付的面具。资料来源:eBeam Initiative

Kasprowicz:这当然取决于光刻策略。在大多数情况下，在成熟节点上，每个人都试图保持二进制掩码，因为它更便宜。这取决于节点和litho策略。如果您有一款新产品突破了光刻工艺的限制，您可能不得不考虑一些分辨率增强技术(ret)，如相移掩模(psm)。这推高了掩模成本。一些第一次接触这些技术的公司一开始可能会有点惊讶。除了PSM之外，我们已经看到一些公司正在寻求延长工具集的生命周期，并开始涉足minorOPC．这是一个类似的掩模制造工具集，但是您将开始看到一些简单的基于规则的OPC。这并不难。但它可能需要迁移到不同的检查系统或电子束写入工具，例如。或者，在一个非常简单的情况下，他们甚至可能使用一个简单的相移掩模，只是为了扩展一到两层的分辨率或过程窗口，他们需要创建一个新产品。因此，他们可以有效地实现半节点或四分之一节点的跳跃，无论情况如何，但他们获得了适合其产品的性能指标。

SE: 2018年，有业内人士预测，成熟节点的掩模和设备将迎来巨大热潮。当时，成熟节点的掩模设备短缺，尤其是掩模写入工具。因此，该行业开始为成熟的工艺开发新的掩模工具。掩模书写工具，在掩模上刻印特征，包括两种类型，激光和电子束。激光刻印工具对掩模中的非关键层进行刻印，而电子束刻印器则对关键层进行加工。这些工具有什么问题?我们看到对它们的需求了吗?

》:激光书写可以做到250纳米及以上的基本规则，目前最先进的激光书写可以做到130纳米及以上。

Nakayamada:我们有一个新的电子束掩模写入工具为65nm和45nm。我们希望该工具也适用于130nm。因此，我们正在为成熟的节点构建新的电子束工具，以取代总有一天会退役的工具。但需求并没有两年前一些人认为的那么高。这是因为一些电子束工具在运行了20年后仍然有效。特别是对于65nm和45nm节点，大多数工具仍在运行中。对换人的要求不是很高。但可以肯定的是，在130纳米和90纳米工艺上，这些工具将在几年内退役。NuFlare在这里没有补充或替换工具的建议。因此，激光打印机正试图将他们的领域扩大到130纳米和90纳米。 It’s hard to say whether customers are going to re-engineer a 130nm mask with a laser writer or will use these tools at the 65nm node. We have e-beams tools for 130nm. The first tools shipped in 1999. So it’s already 21 years. Some are still working, but there are no spare parts. And as soon as the spare parts are exhausted, a tool will retire. A customer may need to find a replacement tool.

Kasprowicz:激光工具面临的挑战更大。他们要老得多。目前还没有确定的解决方案。即使电子束工具在130nm、90nm和65nm区域有解决方案，这也是有问题的。当这些工具刚问世时，当时最先进的口罩价格可以支持为一个工具支付8位数的价格。现在，如果你有成熟的节点，价格已经显著下降，65nm掩模组的成本比10年前要低得多。在这个价格点上，你永远不会看到任何回报。当我们查看补充工具时，您必须在脑海中有一个成本角度。假设我们有一个新的电子束工具。为了维护三个节点或者其他节点，我们必须做一些成本评估和建模以确保我们仍然可以从中赚钱。 If you put in a mature line, this also requires a chemically amplified resist line and improved air filters. It’s a different environment than just running straight i-line lasers. Also on the laser side, everybody knows who the main players are. They are no longer making i-line laser tools for the most part for 6-inch mask manufacturing. So that’s a bigger issue, as well as the inspection tools. Those are the same tools that we’ve had for 30 years. And for spare parts, we forge them on our own.

SE:你看到成熟节点的掩码需求了吗?工具可用吗?

Kasprowicz:我们有能力支持他们。更大的担忧是，如果其中一个工具长时间离线，那将是灾难性的。你失去了那个工具。你今天没有任何东西可以出去买。一个新的800万或1200万美元的激光工具是无法解决这个问题的。当你制造四分之一微米的口罩时，口罩的成本是三到四位数，这是行不通的。经济不存在。这就是问题所在。问题是如何以合适的价格获得这些工具。如果这些工具可用，人们就会购买。 We would like to offset some of the aging tools, but they’re just not available at the moment yet.

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