汪炼成 2021/08/19    首发于《材料深一度》 微信公众号

   To be or not to be?

   就此销声匿迹，还是涅磐重生？

   收购Mapper的光刻巨人ASML至少为MP EBL保留了希望的火种。

                                                                                                                                               ——汪炼成

一、从单束EBL到大规模并行EBL

    光刻是推动集成电路产业迄今仍沿摩尔定律前进的最核心技术。

    从汞灯I 线365nm，G线436nm，到深紫外（DUV）KrF 248nm，到 ArF dry 193nm，ArF ImmDP (Immersion double patterning)，然后到目前炙手可热的EUV 13.5nm。

   集成电路产业的光刻有两个特点：一是始终没有脱离光，二是始终没有脱离掩模版（Mask）。

   与此相对，实验室的图案化技术却不限于光，也不限于Mask。

   Mask Aligner，激光直写（Laser direct writing, LDW），激光干涉曝光(Laser Interference Lithography, LIL)，纳米压印(Nano-imprinting)，电子束直写 (Electron beam Lithography, EBL)，几乎是各学校科研院所微纳加工实验室的常规配选。

   在这之中，Mask Aligner和EBL最受欢迎，使用频率最高：前者负责5微米及以上，后者则负责数百nm以下特征尺寸的器件制造。

   作为几乎惟一能实现百nm以下精度任意图案直写的EBL设备，真可谓实验室的“宝贝疙瘩”，很多都是日夜运转，供不应求，用于原型量子器件、高精生物传感器件等制备。

   电子束相对光子的优点是：根据德布罗意定理，电子束的波长很短，可以获得较高“光刻”精度，且可通过施加不同的加速电压获得不同能量及波长的电子束。

   电子束相对光子的缺点是：电子带电荷，电子和电子之间具有库伦作用力（单电子束不可能太大电流），电子积累在晶圆上有Charging effect。

   实验室用EBL将电子束斑在表面逐点扫描，每个像素点上停留一定时间，这限制了曝光速度，从而限制了产能，这是影响其走向产业发挥作用的最大障碍。目前在IC产业上几乎没有EBL设备的身影。

   为此，MAPPER，KLA-Tencor等设备厂商开发了大规模并行电子束直写(Massively Parallel E-Beam Lithography, MP EBL)。

   简单来说，它们和实验室用常规EBL的区别就是：MP EBL具有很多电子束，可以在表面同时逐点扫描，从而提高速度和效率。

   MP EBL能在ArF ImmDP和EUV的夹击中杀出一条路，在产业上分一杯羹吗？

二、MP EBL的结构和应用分析

n  MP EBL设备的结构

   目前有MAPPER，KLA-Tencor和IMS PML公司开发了MP EBL。MAPPER开发的MP EBL结构上包括电子枪（Electron Source），准直透镜（Collimator Lens），光阑阵列（Aperture array），聚焦透镜阵列（Condensor lens array），电子束阻断阵列（Beam blanker array）等部分，电子束阻断阵列（Beam blanker array）包括Beam stop array, Beam deflection array和Projection lens array，如图1所示。

   其工作原理为：经5kV电压加速的总电流为150μA的单一电子束准直后被阵列光阑分裂成多达13,000束高斯电子束，总面积为26mm*33mm。每束电子束的电流为12nA，可以通过光纤单独控制其开关，数据流达7.6G/s 每束。在“light off”状态，带电极带电压，电子束被deflect，到达Beam stop array而被阻挡。在“light on”状态，PIN光电二极管被光激发产生电压，抵消电极电压，电子束不被deflect，到达样品表面。

Mapper公司对其MP EBL的具体设计原理和过程可以参考文献（(2008, April). MAPPER: high throughput maskless lithography. In Emerging Lithographic Technologies XII (Vol. 6921, p. 69211P). International Society for Optics and Photonics. ）

   KLA-Tencor开发的MP EBL是反射式结构，包括Electron gun, dynamic pattern generator (DPG)等部分，如图1 (b)所示。DPG为此系统最重要的部件，为CMOS结构，表面的金属层可以反射入射的电子束（为负电压）使其经过电子束光路曝光样品，或者吸收入射的电子束（为正电压）。   KLA-Tencor设备电子束束斑直径为10cm，加速电压为50kV -100kV。

   IMS PML的MP EBL同KLA-Tencor类似，只是由反射式变成了透射式。

   Mapper系统中的光阑阵列（Aperture array）和电子束阻断阵列，   KLA-Tencor 的DPG是实现Massively Parallel电子束的关键。

   MAPPER的MP EBL让人联想到原来打过交道的Thomaswan CCS喷淋头式的MOCVD设备，KLA-Tencor的则联想到激光投影设备？

     图1（a）Mapper公司和（b）KLA-Tencor公司开发的MP EBL系统。

n  MP EBL在集成电路产业中应用

用于Mask的制作。

   Mask原来一般用单电子束EBL制备，耗时较长。随着特征尺寸降低，一块Mask制作将耗时数天。MP EBL可以将Mask制作时间大幅度降低。

   但还需考虑Mask制备精度。

   对于20nm hole阵列晶圆目标图案，Mask上CD（Critical Dimension）制备容差为: 20*60%*10%/4/2=0.15 nm，其中mask error enhancement factor (MEEF)和writing error enhancement factor (WEEF)分别为4和2。在稍宽裕情况下，Mask上CD也达0.45nm。

提高MP EBL直写速度，同时维持如此之高的精度是个很大的挑战，且花销不菲。厂商因此不如用MP EBL直接晶圆曝光直写更合算，而不是制作Mask，再将图案转移到晶圆上这样曲线救国了。

用于原型器件开发或小批量器件验证。

无需制作Mask，MP EBL用于原型器件开发或小批量器件验证生产。原型器件版图工艺等均不确认，为开发原型器件制作大量的验证型Mask肯定是不现实和不经济的。考虑到Mask的价格，在不具备一定量情况下，使用MP EBL小批量器件验证生产也更划算。TSMC的Burn J. Lin对MP EBL，ImmDP，EUV100（100 wph）及EUV20（20 wph）的成本进行了估计。在小批量生产时，MP EBL成本更低，随着产量增加，MP EBL成本相对成本逐渐增加而超过后者。对EUV100和 ImmDP，MP EBL的成本临界点分别为5048片和18,718片晶圆（Lin, B. J. (2012). Future of multiple-e-beam direct-write systems. Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS, 11(3), 033011）。

以上结论是在如下价格情况下估计：EUV100，50M欧元；ImmDP两块Mask，2万美元；EUV Mask，1.3万美元。Burn J. Lin基于成本分析，甚至给出了MP EBL（20 wph）的价格最高为13.33 M欧元。但实际的MP EBL售价远远低于上述价格。

即使MP EBL具有无可争议的价格优势，即使TSMC的如此大体量，原型器件开发或小批量器件验证方面对于MP EBL设备的需求也是非常有限的。

如开发验证成功，从MP EBL切换到ImmDP或EUV量产也存在较大切换成本，即使它们尽量使用相同的光刻胶等材料和工艺参数。

用于关键核心层的制作。

MP EBL用于芯片关键核心结构的制作。散粒噪声导致 CD 变化、线边缘或线宽粗糙度 (LER/LWR)，以及对准误差和电子束斑位置测量误差等。考虑散粒噪声极限，TSMC的Burn J. Lin 团队研究表明MP EBL直写CD 变化、LWR、对准误差和电子束斑位置误差等参数均可以满足要求。

用于晶圆所有结构的制作。

MP EBL用于所有晶圆所有结构的制作，全面取代EUV和ImmDP等现有光刻技术。这应该是MP EBL的终极目标。

   在关键层上，MP EBL相对EUV和ImmDP具有成本优势。而在芯片非关键层上，对MP EBL直写的CD等容忍度更大，于是可以更快的直写速度，即使采用更少的column，也可以更高的产量，从而最终更小的成本。针对晶圆芯片具有不同特征尺寸的结构，针对性优化MP EBL设备和工艺参数，以及配套设施（如数据传输控制系统等），从而可以使成本最小。

   Burn J. Lin 团队研究表明，对12英寸晶圆，MP EBL直写具有全面的成本优势：

   对于6%密度hole图案，14nm节点MP EBL成本为同节点EUV的35%，10nm节点MP EBL成本为14nm节点EUV的72%；

   对于20%密度 line/space图案，14nm节点MP EBL成本为同节点EUV的79%；

   180nm-65nm节点MP EBL成本为同节点ArF Dry的30-40%。

三、MP EBL：To be or not to be?

   从上述讨论来看，MP EBL在产业上可以满足性能、产能要求，且具有成本优势。Mapper等设备厂自身报道，还可以认为是有“自我拔高”嫌疑，但是上述来自行业最重要客户TSMC团队的公开报道和分析，应该会比较客观公正。

    Burn J. Lin 院士2013年还在SPIE的会议上乐观估计“Multiple-electron-beam direct-write comes of age”。

2008年，欧盟立项一个名叫“MAGIC”的为期3年的项目，目的就是开发产业化的MP EBL设备，项目成员单位包括前述MAPPER和IMS nanofabrication企业，Fujifilm等光刻胶制程材料企业，SYNOPSYS全球顶尖EDA企业，STMicroelectronics等半导体企业, Qimonda Vorarlberg University，CEA-LETI，Fraunhofer Institutes等大学和研究机构。

阵容不可谓不豪华，决心不可谓不坚决，目标不可谓不明确，经费相信也不可谓不充足。

   但似乎还是挡不住MP EBL的“无可奈何花落去”……

   新闻报道，2000年成立的Mapper公司, 已于2018年破产被ASML收购，原因是“after almost 20 years they didn't succeed in delivering a production-grade tool to the market”。

   KLA 公司则开发了利用电子束的缺陷检测系统（e-beam patterned-wafer defect inspection system），服务于EUV曝光晶圆等，当然这个很重要也不便宜。但其标志性的REBL则鲜见报道。  

   为什么满足性能、产能，且具有成本优势的MP EBL却难以在集成电路产业上发挥用武之地呢？

   VLSI Research Inc.的G. Dan Hutcheson，在Mapper破产的2018年的SPIE的会议上详细回顾了EBL发展的历史，更多从Economics, Social psychology barrier等比较详细分析EBL为什么会 left standing at the altar of new nodes。（Hutcheson, G. Dan. In Novel Patterning Technologies 2018, vol. 10584, p. 105840F. International Society for Optics and Photonics, 2018）。

    技术上，光刻“works with”摩尔定律，类似复印，而MP EBL “fights it”，类似用笔临摹。不仅仅在于临摹的速度慢，MP EBL的可靠性远远不能满足大规模Fab的需求。电子化的版图，灵活性好，缺点就是稳定性差（临摹手抖了下呢）。在EBL直写过程中，永远可能会出错，这几乎灾难性的。

   还有产业惯性或惰性原因。类似氢能源汽车和锂电池汽车之争。

   MP EBL发展过多地关注单一技术向量作为解决方案，而忽略了半导体制造经济学作为一个系统如何适应生产以及其风险状况将如何影响执行级别的决策。

   “maskless lithography would not be more than a niche technology for the foreseeable future is still valid today.”

   “ebeam direct would likely be considered the largest technology business blunder in history.”

    G. Dan Hutcheson的话说得很重。

    而又据报道，2020年，美国国防部（DoD）资助Multibeam 公司，开发 Multicolumn电子束光刻技术（MEBL）。具体细节不得而知。

   似曾相识燕归来？雄关漫道，迈步重越？

   To be or not to be?

   至少被光刻巨人ASML收购，也算是得其所归，也算为MP EBL保留了希望的火种吧。

摩尔定律接近尾声，基于掩模版的投影式光刻几乎凭一己之力完成护送历史使命。

    后摩尔时代，MP EBL以及激光干涉、纳米压印等其他图案化技术若要进一步发扬光大，确实需要找到各自核心用武之地。