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众所周知，ASML的光刻机独步天下，无论是精度和分辨率，照样产出率和稳固性，都是其他厂商瞠乎厥后的。然则回望光刻机跨越半个世纪的历史，无论是接触式光刻机照样步进扫描式光刻机，无一不需要用到光罩。

许多人将光刻机比喻为照相机，光罩就是胶片，而晶圆则是被冲印出来的照片。确实，光刻机和照相机确实有相似的地方，例如曾经全球着名的柯达胶卷也是著名的光刻胶供应商，上世纪九十年月风靡天下的乐凯胶卷现在也涉足光刻胶的营业。说到这里问题就来了，那光刻性能不能像照相机一样，酿成数码相机，扔掉胶卷呢？谜底是YES！虽然路漫漫其修远，然则耐久以来业界确实一直在研究无光罩光刻(maskless)。

传统的光刻通过差异波长的光将光罩上的图形投影至晶圆之上，以是也被称为光学投影光刻。而由于无需光罩，以是无光罩(无掩模)光刻又被称为直写光刻(DW, direct write)，无光罩或直写光刻机则被成为writer。

光罩诚可“贵”

只管从靠近/接触式光刻机最先，光罩就随同着投影光刻机生长的历史一起走来，形影相随，而一个“贵”字便归纳综合了千言万语需要maskless的理由。在今天，哪怕是靠近/接触式光刻所使用的国产光罩价钱也会到达上千人民币，随着工艺手艺节点的深入，光罩的价钱会进一步上涨，而且计价单元也会随之变为美元。当手艺节点到达一定局限后，便会需要导入EUV光罩，同时所需要的光罩层数也会大幅上升，从下图可以看到，从28nm到14nm所需的光罩数目增添了近1/4，进入10nm后甚至到达了倍增，这个时刻钱袋子所遭受的压力自然也是呈比例增进的。

Source: 2020 Mask Maker Survey, ebeam Initiative

正由于光罩昂贵的价钱劝退了财力和预算左支右绌的高校和研究所，因此当这些机构在举行研发和小批量试产的时刻，maskless就体现出它特有的价值！

Source: Handbook of Photomask Manufacturing Technology, Syed Rizvi, 2005, Chap.1

犹如前文所述，再先进的光学投影光刻机都需要一片零缺陷的光罩，而光罩上的图形则很难通过传统光学投影光刻工艺制作上去，否则便进入了无限的鸡生蛋蛋生鸡的循环。早期的光罩尚能学习上图中的样子举行手工制版，靠“人肉光刻机”刻绘图形，而大规模集成电路时代的到来，就要求我们必须借助先进的工具来解放双手了。以是无光罩最主要的应用场景反而是在光罩制作上。

“光”与“电”之间见方寸

Writer通常有光学和非光学两种原理，无论哪一种都是通过直接读取芯片的电路疆土设计(layout)后通过writer直接转印到晶圆上。

光学原理通常是使用激光通过DMD镜面列阵来控制激光输出的图形，从而使晶圆上被曝光的图形相符layout的原始设计，称为laser writer。从现在公然的信息可知，大多数laser writer的光源为波长在300～400nm之间的紫外光，分辨率可到达为500nm至数微米之间，高分辨率条件下也会牺牲相当的产能。

Source: Heidelberg Instrument海德堡仪器官网

EVG的Lithoscale，海德堡仪器的MLA系列等，是海内外主流的用作晶圆曝光的laser writer。应用质料Applied Materials的ALTA系列和迈康尼Mycronics的SLX系列是光罩厂中用作光罩制作的laser writer。

Source: Handbook of Photomask Manufacturing Technology, Syed Rizvi, 2005, Chap.4

现在，摩尔定律已经走到10nm以下，光学maskless的分辨率似乎已经不够看了。那么这个时刻非光学就该登场了，首当其冲即是电子束光刻机，也被称为ebeam writer。无论是Raith照样JEOL都可以实现10nm以下的直写分辨率。ebeam writer的生长履历了高斯束，可变束(VSB)和多电子束(MEB)的生长，依托先进的电磁手段来准确控制电子束的束斑巨细和扫描路径，在提升装备分辨率的同时，也改善了装备的产出性能。

现现在，Raith的ebeam writer在许多研发机构和企业有着优越的用户基础，被应用于晶圆曝光中，湖南大学还在IWAPS揭晓过基于Raith生产的ebeam writer的算法修正工具。NuFlare和IMS Microfabrication的ebeam writer则深耕光罩厂，除了可变束外，还开发了可应用于量产的最尖端的多电子束ebeam writer。

除了“光”和“电”，另有基于原子力显微镜AFM的扫描探针光刻SPL，这也是颇有远景的maskless类型，这里就不多做睁开了。

光罩的“强硬”

无论是光学投影光刻分辨率的提高，照样maskless的生长，现在依然无法改变“光罩恒久远，一片永撒播”的现状。哪怕是EUV光刻即将进入了high NA时代，图形缩放比例也从4:1等比缩放酿成4:1和8:1的非等比例缩放，依旧会需要一张贵到“变形”的光罩，可以说是异常“强硬”了。

若是说强硬一定需要理由的话，那即是产能的瓶颈。以6寸光罩为例，纵然使用速率较快的laser writer举行曝光也需要平均2.33小时的时间完成整面图形曝光，使用可变束或多电子束曝光甚至需要到达平均7.91和12.14小时每片，而使用光罩的情形下，ASML的NXT1950光刻机可以实现每小时250片12寸晶圆的曝光速率，两者之间可以说是云泥之别。产能之间的差距决议了纵然是使用光罩拆分来举行多次曝光也好，照样使用自瞄准多重图形化工艺也好，经济性依旧是远远高于直接使用writer的。以是现在的maskless手艺可以说是不具备大规模量产的能力的，至少是不适用于集成电路前道制作的。

Source: 2020 Mask Maker Survey, ebeam Initiative

另外，另有一个急需解决的问题是装备自己的数据和信息的处置能力。如之前所述，maskless需要输入芯片的layout，由装备举行剖析后通过激光或者电子束输出，将图形转印至晶圆或光罩，这个历程中所需要处置的数据量很大，装备剖析需要很长时间。照样以光罩为例，通常激光直写所需的单层数据量仅有0.0083TB，然则可变束电子束光刻则会到达平均1.1TB，极端情形下甚至有7.1TB。数据的处置和读取需要一流的硬件和算法去支持，不适当的处置会造成机台内软件卡死等情形。而对于直接从光罩上投影图形到晶圆上的光学投影光刻而言，基本不存在这样的问题。

Source: 2020 Mask Maker Survey, ebeam Initiative

艰难前行的一丘之貉

同光学投影光刻机一样，国产writer无论是光学原理照样非光学都离国际上现有的水平相距甚远。只管笔者听闻在PCB光刻领域，国产的laser writer去年另有出口至日本的案例。但PCB光刻工艺特征和分辨率与集成电路前道工艺的要求相去甚远，完全无可比性。现在，一些国产laser writer正在向晶圆级封装和光罩厂发力，逐渐向高端应用渗透中。

ebeam writer的本体和基本结构近似一台扫描电子显微镜，而国产扫描电镜在最近10年才取得较大突破，许多衍生应用另有待时日去开发。从网络新闻可知，现在国产ebeam writer主要是研究机构开发的基于高斯束原理的样机，分辨率在微米级，而可变束也只是预研，有亚微米精度的样机，*的多电子束则基本没有新闻，事实国产自用的多电子束扫描电镜也还没有公然的新闻。相比laser writer，ebeam writer的突破加倍依赖于国产高端仪器来动员，而这恰恰是我们现在所欠缺的。

总而言之，maskless要走进集成电路前道生产另有许多的路要走。然则，一套价值不菲的光罩和一座投资甚大的光罩厂，照样足以让工程师们前仆后继，醉心于此。愿有朝一日，我们能够坚定地回覆“YES！Maskless！”