光掩膜的变化和挑战

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来源：内容编译自semiengineering。

日前，半导体工程杂志 (Semiconductor Engineering) 与 HJL Lithography 首席光刻师 Harry Levinson、 D2S首席执行官 Aki Fujimura、美光公司掩模技术高级总监 Ezequiel Russell 以及 Photronics 执行副总裁兼首席技术官 Christopher Progler 就掩模制造的现状和未来发展方向进行了探讨。

以下是对话节选。

SE：非 EUV 节点（例如 193i 浸没式技术）仍在不断发展。哪些关键创新能够保持这项技术的可行性并延长其使用寿命？

Progler：最大的创新在于曲线掩模版的使用——更复杂的掩模版形状，充分利用了当今刻写技术的优势。借助多光束掩模刻写技术，现在可以在掩模版上制作出以前无法实现的复杂形状。这无疑是一个真正的推动力。其次，在掩模设计流程中更广泛地使用计算工具。如今，诸如掩模工艺校正 (MPC) 和高级仿真等工具可以更有效地预测结果。这减少了对昂贵实验的需求，并有助于突破技术极限。

Levinson：曲线确实有优势，我们在两个领域看到了它。首先，在前沿技术——尤其是在逆向光刻技术——曲线特征正在将浸没式光刻技术推向令人难以置信的极致。其次，人们对将曲线特征应用于不太先进的节点非常感兴趣。你可以使用较旧的图案化技术来构建性能良好且成本较低的芯片。如果将曲线特征嵌入到设计中，则可以显著提升器件性能。事实上，即使是从未计划安装浸没式光刻机的200毫米晶圆厂，也可以仅通过使用曲线掩模版来有效地推进节点。这为无需新的曝光设备即可实现改进打开了大门。

Fujimura：曲线是关键。从可变形状光束 (VSB：variable shape beam) 写入技术到多光束写入技术的演进，使得曲线掩模形状变得切实可行。现在，您可以写入曲线图案，而无需增加写入时间或成本。重要的是要记住，从制造角度来看，曲线形状实际上更简单。具有 90 度角的曼哈顿形状在现实世界中不可能完全复制。您总是在近似。但有了曲线形状，您可以设计出真正可制造的图案。这意味着您现在可以使用 ILT 输出所需的掩模形状，并期望这些形状与您在掩模上获得的形状完全一致。由于 ILT 计算掩模形状是为了在晶圆上创建最佳工艺窗口，因此，如果您在物理掩模上没有获得所需的掩模形状，则 ILT 执行的晶圆模拟是不准确的。由于ILT输出可制造的曲线形状作为目标掩模形状，现在可以预期物理掩模形状与目标掩模形状相匹配，并且制造出的掩模在工艺过程中的差异更小。这在曼哈顿几何结构中是无法实现的。

Russell：整个掩模流程——数据准备、OPC、源掩模优化和仿真——都在不断改进。现代算法可以让你探索不同的场景，并非常积极地推动照明设置。你可以针对非常具体的图案微调照明，从而提高印刷适性和裕度。我们的建模也得到了改进。我们现在甚至使用机器学习来捕捉那些我们无法用纯物理模型建模的工艺部分，例如某些蚀刻效应。在某些情况下，你还可以应用混合OPC策略，仅在最重要的局部区域使用曲线形状，而在其他地方使用更简单的图案。这让你无需承担全部计算负荷即可获得优势。总而言之，这些计算和制造方面的进步确实延长了浸没式光刻技术的寿命。

Progler：包括机器学习在内的前端计算工具如今非常强大。我们现在可以比几年前更准确地预测光刻结果。这对 193i 来说是一个巨大的推动力。这些工具让我们能够制作出更好的掩模版，并改进晶圆图案，而无需触及硬件。

SE：我们知道曲线掩模代表着未来，但掩模厂还面临哪些应用障碍？高数值孔径会不会进一步增加对曲线掩模的需求？

Levinson：仍有大量基础设施需要开发。当所有东西都用矩形来描述时，复杂性相对较低。矩形有长宽，定义和调整都很容易。如果要将矩形的临界尺寸改变5%，只需调整宽度即可。但对于曲线形状，并没有直观意义上的“临界尺寸”。你处理的是样条曲线或贝塞尔曲线，改变形状意味着调整多个参数。这种复杂性渗透到所有方面——掩模版图、工艺校正、规则检查——所有这些都建立在曼哈顿几何的假设之上。所有这些都需要重新思考。不过，我还没看到任何突破性的进展。我们行业里有很多聪明人，他们会找到解决办法的。但这需要时间。此外，我们还没有一个清晰的路线图，用于在逻辑上实现具有曲线特征的多重图案化。高NA可以通过实现单一图案曲线布局来帮助实现这一点，否则这将非常困难。

Fujimura：这些挑战都是可以解决的，但目前曲线工艺仍被视为例外，而非常态。这改变了经济和基础设施。例如，基于 GPU 的计算才是曲线工艺真正需要的。但大多数掩模厂仍然依赖基于 CPU 的工作流程。在 GPU 资源能够定期使用之前，曲线工艺仍将是一种特殊情况。计量是另一个问题。使用曼哈顿功能，通常需要测量一维宽度和间距。使用曲线工艺，必须分析整个形状并比较边缘，因此计量工具和算法需要改进。这一切都将会发生，但这是一个过渡。正如 Harry 所说，从头开始重建一个行业的基础设施需要时间。

Russell：我想强调的是，曲线的采用并非非此即彼。在美光科技，我们多年来一直在光罩上使用曲线，甚至在多光束刻写机出现之前就已如此。这并非二元开关。您可以选择性地在最有利的位置应用曲线特征。例如，您可以仅将它们用作辅助特征，而将主要特征保持矩形，这样其余的流程（检测、计量和维修）就可以更简化。您还可以将曲线形状定位到遇到 OPC 收敛问题或违反光罩规则约束的区域。在这些情况下，小的分段线性校正无需全场曲线光罩即可获得“类似曲线”的结果。但端到端基础设施仍然存在差距。我们现在有描述曲线形状的标准文件格式，但并非所有 EDA 工具都原生支持它。许多工具会将文件转换为内部格式，进行处理，然后再次输出——这在每个步骤中都可能引入错误。

Progler：计量技术可能是目前最大的障碍之一。你不再只是测量宽度和间距，而是测量完整的二维轮廓。这需要更高的分辨率、更多的数据点和更快的测量工具。构建用于优化算法的精确仿真模型，全都依赖于良好的计量技术。但如今，我们很难生成所需的形状数据量和密度——仅仅建立一个像样的模型就需要数十万个点。事实上，我们在掩模版上绘制曲线图案的能力远远超过了我们测量和验证这些图案的能力。这与几年前的情况截然相反，这给计量技术带来了压力。此外，曲线工作流程需要更快。如果我们希望这项技术能够被广泛的客户群体所使用——而不仅仅是在高产量、前沿领域——我们就需要缩短周转时间并提高良率。这意味着更快的计算速度、更快的测量速度，以及整个从设计到掩模版的流程中更紧密的集成。

SE：让我们更深入地探讨一下防护膜（pellicles）。EUV防护膜的性能目前如何？如何才能提高其耐用性和实用性？

Fujimura：对于 193i 掩模版来说，防护膜完全可以接受。它们耐用、坚固，而且是标准流程的一部分。但对于 EUV 来说，情况就不同了。掩模版具有反射性，因此能量在穿过防护膜时会损失两次——一次进入，一次出来。这对于每小时的晶圆产量来说是一个巨大的损失。另一个问题是耐用性。EUV 防护膜的使用寿命远不及 193i 掩模版。你必须定期更换它们——有时每周都要更换。每次更换都会增加成本和复杂性，因为需要再次检查掩模版以确保没有损坏。所以这是一个非常昂贵且耗时的流程。但即使存在这些问题，由于 EUV 带来的好处，业界仍然认为这是值得的。

Russell：对于内存应用来说，设计中通常会包含一些冗余，因此使用防护膜的成本大于收益。如果出现缺陷且可以修复，那么最好跳过防护膜，避免吞吐量损失。这就是我们在美光公司不使用防护膜的原因。最终，防护膜的性能可能会提升到对某些层有意义的程度。例如，某些逻辑层（例如 GPU 或高端处理器）具有较大的芯片尺寸，对致命缺陷更为敏感。在这些情况下，单个缺陷就可能毁掉整个芯片，而这会带来非常高昂的成本。因此，经济效益有所不同。扫描仪的改进也改变了这一平衡。随着扫描仪缺陷增加率的不断提高，使用防护膜的优势变得更加不明显。如果光罩保持清洁，那么添加会损害吞吐量的防护膜又有什么意义呢？

SE：防护膜会影响光罩本身的寿命吗？

Russell：是的，当然。如果没有防护膜，就必须更频繁地清洁掩模版。而且每次清洁都会稍微降低掩模版上的吸收层。多年来，我们投入了大量的工程精力来优化清洁化学和工艺，使其既有效又不损害掩模版。但随着时间的推移，这些清洁确实会缩短掩模版的使用寿命。这需要在最大限度地减少停机时间和延长掩模版寿命之间做出权衡。

Progler：我们目前知道，EUV 屏蔽率与光学屏蔽率不相上下，因此在这方面仍有工作要做。先进的涂层可以与 EUV 防护膜材料集成，以延长其使用寿命，而提高透射率通常可以减少热损伤。EUV 防护膜的操作和维护无疑可以改进。但还有另一种看待这个问题的方式。由于 EUV 波长的特性，EUV 防护膜的材料和寿命始终是人们关注的问题。因此，我们最好能够以经济高效且快速的方式更换它们，并在掩模成本模型中考虑为高运行设备提供多个掩模循环的需求，以便更换防护膜的过程不会中断生产。

Levinson：这真的是一个平衡的过程。一方面，防护膜供应商正在努力提高透射率和耐用性。另一方面，ASML 正在降低光刻机的污染风险，这有助于减少对防护膜的需求。是否使用防护膜完全取决于你的用例。几年前，ASML 的 Mike Lercel 写了一篇很棒的论文，概述了这一点。如果你生产的是大型、高价值的逻辑芯片——比如 800mm² 的 GPU——你可能想要使用防护膜。但对于较小的存储设备，尤其是那些内置冗余的设备，不使用防护膜也是合理的。如果防护膜能够达到非常高的透射率，并解决深紫外反射率问题，我们可能会看到它被更广泛的应用。

Russell：目前，多晶硅薄膜会将深紫外光反射回扫描仪，因此需要一种名为DGL膜的滤光片来阻挡。这会导致在正常损耗的基础上再增加20%的吞吐量损失。这是一个相当严重的问题。但研究人员正在研究替代方案，例如碳纳米管薄膜。这些薄膜不存在深紫外反射率问题，并且具有更高的基线透射率。它们可以完全取代DGL膜。但目前，它们仍然存在一些问题。例如，它们通常只能持续进行不到10,000次晶圆曝光。而且，如果它们失效，不仅仅是性能下降，还会在扫描仪内部碎裂成小碎片。这将导致严重的停机。据我所知，目前还没有人在大批量生产中使用它们，但该领域有很多活跃的研究。

https://semiengineering.com/photomask-changes-and-challenges-at-mature-and-advanced-nodes/

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