近日，有報道指出，Multicolumn電子束光刻技術（MEBL）領域的領導者Multibeam Corporation早前確認已開始一項雄心勃勃的項目，無需使用任何光罩(又叫“光掩模”，mask)，就能進行芯片生產(chǎn)。這聽起來似乎天方夜譚，我們都知道，光罩在芯片生產(chǎn)過程中非常重要。

昂貴的光罩

一般來說，芯片制造主要是這樣一個流程，上游的IC設計公司依客戶的需求設計出電路圖，硅晶圓制造公司則以多晶硅為原料制造出硅晶圓。中游的IC制造公司主要的任務就是把IC設計公司設計好的電路圖移植到硅晶圓制造公司制造好的晶圓上。完成后的晶圓再送往下游的IC封測廠實施封裝與測試，就完成了整個制造過程。 光罩產(chǎn)業(yè)位于芯片制造的上游，具體來說，先把IC設計工程師完成的邏輯設計圖轉(zhuǎn)化成電路圖，電路完成后，再把電路制作成光罩就大功告成了。之后IC制造的流程較復雜，但其實IC制造就只做一件事而已：把光罩上的電路圖轉(zhuǎn)移到晶圓上。 光罩代表了實現(xiàn)半導體器件高良率的關鍵要素，在IC制造過程中，光罩就是用在半導體曝光制程上的母版，這種從光罩母版的圖形轉(zhuǎn)換到晶圓上的過程，就像印鈔機工作一樣。若掩模版缺陷或圖案放置錯誤，這一結(jié)果將在后續(xù)生產(chǎn)晶圓上的許多芯片中復制。 為了制造一款芯片需要幾百道工序，光罩當然也不只一張，在28nm的時候，設計的時候需要用到40層光罩，而到了14nm以及10nm，光罩的需求量則上升到50層甚至是80層。 時任三星的晶圓制造資深主管Kelvin Low曾指出：“如果沒有EUV，只是靠ArFi浸沒式光刻去實現(xiàn)三倍甚至四倍pattern，那么我們認為在7nm的時候，光罩數(shù)量會上升80+層”。

用于邏輯芯片生產(chǎn)的光罩資料來源:Photronics 光罩層數(shù)的增加，也就代表著成本的水漲船高。在一則2017年臺媒的報道中，曾指出聯(lián)發(fā)科2018年將暫緩7nm制程進度的主要原因就是為了降低成本。該報道中明確提到：“業(yè)界傳出，聯(lián)發(fā)科為節(jié)省先進制程高昂的光罩費用，明年新芯片都將以16納米為主要投產(chǎn)制程，借此降低成本，擠出更多潛在獲利，也符合共同執(zhí)行長蔡力行過去習換降低成本減少研發(fā)支出的作風。” 對于晶圓代工廠來說，光罩的高昂費用同樣成為他們競逐先進制程的巨大阻礙。資料顯示，隨著眾晶圓代工廠的制程辛苦走到7nm節(jié)點，采用多重曝光技術僅能做單一方向微縮，無法做2個方向的微縮，影響單位面積下所能容納的晶體管數(shù)量，加以所需光罩數(shù)與制程數(shù)大幅增加，以往隨著制程微縮，每芯片成本隨之下降情況已不復見。此前有報道指出，臺積電5nm全光罩流片費用大概要3億人民幣，而且費用還不包含IP授權，這其中光罩在其中占了大頭。為此，聯(lián)電止于12nm制程研發(fā)，格芯（GlobalFoundries）也宣告無限期停止7nm及以下先進制程發(fā)展。

拋棄光罩

光罩造價如此高昂，使得無掩膜光刻引起了人們的廣泛關注。無掩模光刻技術相比傳統(tǒng)的有掩模光刻技術，不僅省去了掩模板的制作，降低了生產(chǎn)成本，而且還能根據(jù)需求快速制作數(shù)字掩模圖像，該技術更加靈活方便。 多電子束光刻技術（Muti-Electron Beam Lithography）就是其中的一種，該技術使用聚焦電子束在晶圓表面進行掃描并在光刻膠中形成預定義電路圖形的技術，即在保持電子束光刻高分辨率特點基礎上，多電子束光刻技術通過獨立控制多束聚焦電子束實現(xiàn)并行寫入，從而提高寫入速度和光刻效率。 Multibeam Corporation顯然是該技術的積極倡導者。Multibeam Corporation總部位于加利福尼亞州圣克拉拉，是領先的Multicolumn電子束光刻技術（MEBL）開發(fā)商。Multibeam開發(fā)了微型全靜電柱，用于電子束光刻。電子束柱陣列同時并行工作，可以提高晶圓加工速度。 Multibeam Corporation認為，MEBL可以在小批量生產(chǎn)ASIC以及多項目晶圓MPW計劃中大展宏圖。Multibeam董事長兼首席執(zhí)行官David K. Lam博士表示：“隨著IC的激增，PC和手機等傳奇性的‘殺手級應用’正被眾多物聯(lián)網(wǎng)應用（數(shù)字和模擬）所取代。” IoT芯片通常是小型，簡單的SoC，可以執(zhí)行特定任務，并且在Internet上無處不在。此類芯片因大多數(shù)政府，商業(yè)，工業(yè)和消費產(chǎn)品中IC含量的急劇增加而得到認可。總體而言，物聯(lián)網(wǎng)芯片制造商是大批量生產(chǎn)商。但是它們的單一產(chǎn)品批量相對較小，因為物聯(lián)網(wǎng)應用程序多種多樣且物聯(lián)網(wǎng)市場分散。在這個對成本敏感的市場中競爭是一個真正的挑戰(zhàn)。 小批量，采用成熟工藝節(jié)點的物聯(lián)網(wǎng)芯片制造商得不到光學光刻設備領導者的支持。導致自2007年光學分辨率達到極限以來，DUV（193nm ArF干法或浸沒式）光刻系統(tǒng)的進展一直很少。 因此，Multibeam Corporation認為這一領域是巨大的機會,通過創(chuàng)新的多功能MEBL平臺支持這些服務水平不高但快速增長的市場。公司宣布的全晶圓全無掩模構(gòu)圖計劃以及已經(jīng)開始的安全芯片ID嵌入將引領這一潮流。 對此，Multibeam項目是這樣進行的：將其創(chuàng)新的MEBL用于在45nm及先進工藝節(jié)點上對整個晶圓進行圖形化，無需使用任何掩模，就可以用于后段金屬連線層生產(chǎn)（ BEOL）處理。 其專有的MEBL技術的核心是一個小型化的電子束柱（6英寸高；1英寸直徑）。柱的緊湊尺寸得益于創(chuàng)新的全靜電設計，消除了傳統(tǒng)電子束柱所需的大磁線圈。 Multibeam在緊湊的模塊中以陣列的形式排列其微型柱。陣列中的每一個小列產(chǎn)生一束電子束，控制其形狀和軌跡，并將其聚焦到晶圓上以寫入電路圖案。陣列中的所有列都獨立并行寫入，以在生產(chǎn)環(huán)境中實現(xiàn)前所未有的電子束寫入速度。 MEBL的快速，可擴展的寫作是由一個專有的數(shù)據(jù)準備系統(tǒng)。由于MEBL是無掩模的，DPS將行業(yè)標準GDSII或Oasis格式的數(shù)據(jù)庫（其中存儲了每層和所有層的IC布局數(shù)據(jù)）連接到所有MEBL列控制器。每一個MEBL列控制器分別指導其電子束在晶圓上書寫圖案，所有這些都是同時進行的。 每個模塊包括多列陣列、精密晶圓臺和高精度反饋控制，這些高精度反饋控制與高精度光刻所需的其他傳感器和子系統(tǒng)無縫集成。小型MEBL設備模組占地面積（約2英尺×2.5英尺）約為等離子蝕刻設備模組的大小，使其與商用晶圓處理大型機臺兼容，并簡化了多個模組的集成。

在多模組(chamber) MEBL系統(tǒng)中，每個模組都可以針對特定的過程或應用進行優(yōu)化。或者，所有模組都可以運行相同的進程以獲得更高的吞吐量。模塊化的可擴展性使其具有非凡的靈活性，以滿足IC生產(chǎn)工廠的吞吐量和其他要求。 Multibeam還在研究如何將MEBL用于阻止IC偽造。據(jù)悉，MEBL的使用可以在常規(guī)制造過程中將獨特的ID嵌入每個IC內(nèi)部。在“芯片級”上對ID進行硬編碼，使其幾乎可以防篡改；無需昂貴的驅(qū)動電路，額外的掩膜步驟和/或特殊包裝；并且可以鏈接到安全的數(shù)據(jù)庫，以存儲單個芯片數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)銷監(jiān)管鏈記錄，這對于驗證芯片的來源至關重要。 Multibeam執(zhí)著于創(chuàng)新技術的精神與其創(chuàng)始人Lam博士脫不開關系。 Lam博士畢業(yè)于MIT，之后在Texas Instruments和Hewlett-Packard 從事等離子刻蝕研究和工程。盡管等離子蝕刻在1970年代被廣泛用于研發(fā)，但尚未在生產(chǎn)環(huán)境中證明其實用性。林發(fā)現(xiàn)蝕刻工藝制程波動變異的原因部分是技術原因，部分是人為原因。于是設想了一種新型的量產(chǎn)級等離子刻蝕機，不但可以節(jié)約人力，提高準確性，還能減少環(huán)境污染。于是，他在1980年創(chuàng)立了Lam Research Corporation，并在大約一年后展示了全自動蝕刻機。 幾年后，Lam博士創(chuàng)立Multibeam Corporation并擔任董事長，繼續(xù)發(fā)揮其大膽的創(chuàng)新精神，憑借36項專利申請，Multibeam為四大應用開發(fā)多列電子束系統(tǒng)和平臺：互補電子束光刻（CEBL）、直接電子寫入（DEW）、直接沉積/蝕刻（DDE）和電子束檢測（EBI）。

同行者們

Multibeam Corporation并不是第一家想到無掩膜生產(chǎn)芯片的廠商。在2007年，荷蘭積體電路微影設備制造業(yè)者MAPPER就展示過無掩膜大量平行電子束微影技術。 以創(chuàng)新科技為集成電路產(chǎn)業(yè)開發(fā)下一世代具成本效益的微影設備，其運用大量平行的電子數(shù)，使高解析度的電子束達到超高的晶圓生產(chǎn)量，同時不需使用光罩，可望大幅降低未來世代集成電路制造成本。 臺積電于 2008年10月宣布和MAPPER合作，以MAPPER第一臺12吋無掩膜電子束微影設備，提供臺積電進一步研究22奈米及更先進制程。 近來，日本也在進行相關的計劃。據(jù)報道，日本橫河電機將日本最早的AIST 最小晶圓廠（Mini Fab）項目投入生產(chǎn)。它使用0.5英寸的晶圓，并且不需要潔凈室即可操作。 這個由經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省主導，由140間日本企業(yè)、團體聯(lián)合開發(fā)的新世代制造系統(tǒng)，目標是透過成本與技術門檻的大幅降低，讓汽車與家電廠商能自己生產(chǎn)所需的半導體及感應器。形同推翻臺積電董事長張忠謀 30 年前所創(chuàng)的晶圓代工模式，重回早年飛利浦、Sony 等大廠都自己生產(chǎn)半導體的垂直整合時代。售賣這種生產(chǎn)系統(tǒng)的，是日本橫河電機集團旗下的橫河解決方案。每臺外型流線、美觀的制造設備，大小約與飲料自動販賣機差不多，但各自具備清洗、加熱、曝光等功能。每一臺設備，都相當于一條半導體制造的生產(chǎn)線。一條「迷你晶圓廠」產(chǎn)線，所需的最小面積是大約是兩個網(wǎng)球場的大小。也僅是一座 12 吋晶圓廠的百分之一面積。「迷你晶圓廠」能夠做到如此廉價、體積小，首先是挑戰(zhàn)業(yè)界常識的創(chuàng)新做法──不需要無塵室。另一個特點，就是不需要用到光罩，這又可大幅降低成本。

總結(jié)

在芯片制造成本越來越昂貴的今天，有些廠商開始退出先進制程舞臺，也有廠商開始另辟蹊徑，尋找降低成本的方法。無掩膜光刻技術作為一項有前途的技術，一直受到大家的關注。 在2005年International Sematech舉辦的一個會議的技術專家曾指出,現(xiàn)有的(無掩膜光刻)工具技術問世不久,總體產(chǎn)出率仍然低下。不過走到2020年，橫河電機已經(jīng)宣布將其mini fab投產(chǎn)，這對產(chǎn)業(yè)來說，將成為重要一步。 目前，無掩膜光刻技術仍然只適用于“小批量、高混合”的芯片，也就是適合細分市場，仍然不能用于替代主流方法,如ArFi浸沒式和EUV極紫外光刻技術。

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