光刻技术的三大流派

据介绍，其新光刻系统（在芯片上印刷图案必不可少）是专为大规模生产而打造的系统。全自动精密图案化技术将用于快速成型、先进封装、高混合生产、芯片 ID、复合半导体和其他应用。Multibeam表示，公司刚发布的平台将以新的生产力优势彻底改变了电子束光刻 (EBL)，同时实现了高分辨率、精细特征、宽视野和大景深。

但其实，Multibeam的这个技术，似乎已经被行业放弃？让我们来看一下他们又想翻起怎样的浪花。

纵观当前的芯片生产，主要有三个流派选择，分别是现在被广泛应用的ASML的EUV类型设备、纳米压印和多光束直写。

其中，EUV类光刻技术我们在之前已经有很广泛的介绍，就不对其进行深入科普。但我们需要明白的是，随着芯片工艺的微缩，给光刻机的开发、生产成本，甚至光罩和光刻胶也会成为光刻技术继续前进的拦路虎，但在过去几十年的研发和推进下，这成为主流的生产方式。

纳米压印（nanoimprint lithography：NIL）则是一种在设备上创建微小特征的先进压印工艺。

自 1990 年代以来，NIL 一直处于类似于冲压工艺的研发阶段。最初，电子束系统根据预定义的设计在模板上形成图案。然后，在单独的基板上涂上抗蚀剂。将图案化的模板压在基板上，在基板上形成图案，特征尺寸低至 5nm 甚至更小。在应用上，NIL 分为两大阵营：内存和其他。其中，佳能在过去的一段时间以来一直在开发专为生产 NAND 闪存和其他类型内存而设计的 NIL 系统。

但对NIL而言，其面临着overlay,、缺陷率和良率等挑战，这阻碍了 NIL 成为主流技术。“压印光刻是一种接触式图案化方法。压印光刻用于对缺陷有容忍度的应用。”分析人士强调。

多光束直写则是另一个选择。和纳米压印一样，这其实也并不是什么新技术。

早在20 世纪 80 年代，IBM就开发出了这种直写光刻技术。从原理上看，多光束直写利用加速电子束在涂有电子束敏感光刻胶的基板上刻画出小于 10 纳米的特征。暴露在电子束下会改变光刻胶的溶解度，从而能够通过将光刻胶浸入显影剂中来选择性地去除光刻胶的暴露或未暴露区域。

因为不需要昂贵的光掩模，直写技术很有吸引力。但单光束电子束光刻的吞吐量太慢，对于批量 IC 生产来说成本太高。分析人士也直言，直写真正的问题是吞吐量。直接写入光刻技术，即使有数十万甚至一百万个光束，但对于晶圆光刻来说也太慢了。

因此，单光束直写工具只能用于复合半导体和光子学等小众应用。包括KLA，Mapper在内的早期参与者，退出的退出，被收购的被收购。

但Multibeam依然信心满满。他们希望凭借MEBL技术，复兴这项已有几十年历史的技术。Multibeam 的创始人表示，这就像拥有印刷机或 3D 打印机的速度，但又具有铅笔的定制灵活性和适应性。

Multibeam 首席执行官兼董事长 David K. Lam 在接受采访时表示，Multibeam 可以使芯片制造的某些部分的生产效率比现有系统高出 100 倍。

在Multibeam 看来，这是一款改变了游戏规则的设备。据介绍，为了解决生产过程中的吞吐量问题，Multibeam 采用了多个微型柱，这些柱可以单独和并行运行，并配有先进的控制系统。

据介绍，公司团队从一开始就设计了该平台以实现批量生产，并且有 40 多项专利保护着这些创新。除了可提高生产力、准确性和速度的多列矢量写入架构之外，该平台还提供从晶圆盒到系统中的曝光过程的自动晶圆装载和对准。

此外，自动真空恢复系统以及快速柱更换过程和校准技术可优化正常运行时间。先进的自动化功能可降低操作员要求，并进一步提高系统拥有成本优势。

作为无掩模光刻解决方案，该平台还具有其他优势。开发光学掩模可能需要数周时间，而使用 MB 平台只需数小时即可完成设计。这为制造商提供了更大的 IC 设计自由度，同时降低了成本并加快了上市时间。

为了进一步提高设计灵活性，该平台利用 EDA 领导者Synopsys的技术来生成写入配方，让客户能够实现最复杂的图案。借助与 Synopsys 联合开发的强大内置数据准备系统，该系统无需掩模即可将芯片布局直接写入晶圆上。

“我们基本上重新发明了电子束光刻技术，”Lam 说道。“我们很清楚，几十年来它一直被人们忽视。人们认为它太慢了。如果我没有被人嘲笑，那我就很幸运了。然而，值得称赞的是，这个团队确实在各个方面都付出了巨大的努力，开发出了（竞争对手的）光学技术无法实现的功能。”

Multibeam 总裁 Ken MacWilliams表示，专用硅片可帮助芯片设计师更快地将产品推向市场。通过封装创新，Nvidia 等芯片设计公司可以将两块芯片放在同一个封装内，让它们像一块芯片一样协同工作。这有助于提高性能。

最后，由于占地面积小，该系统的功耗要求较低，需要的晶圆厂空间也较少。它采用模块化设计，可以根据新应用或更高产量的需要轻松添加模块。此外，它完全独立，不需要特殊环境，从而进一步降低了成本。该系统有 150 毫米、200 毫米和 300 毫米配置可供选择。

目前，Multibeam 尚未透露其能够实现的最高分辨率物理定义，也未透露在 MB 平台中可以独立运行多少条光束。不过他们表示，其单个光束以 5kV 运行。该公司还声称，其 MB 平台比光学激光定义高出 10 倍，在焦深和视场方面比光学光刻高出 100 倍。

“我们很高兴推出 MB 平台，并很自豪地将我们的首个生产系统发送给 SkyWater，”Lam 说道。“半导体行业的增长继续受到令人兴奋的新应用的推动，先进的光刻技术推动了无尽的创新。与此同时，人工智能和边缘计算等市场正在飞速增长，这些市场的推动因素包括专用硅片和先进封装，制造商的首要任务是快速学习周期和经济高效、无缝过渡到生产，以加快上市时间。对于这些新兴市场，MB 平台提供了互补的光刻解决方案，并扩大了 IC 领导者可用的光刻选项范围。”Lam接着说。

尽管 EBL 因其图案化能力而受到重视，但低产量限制了其将新兴应用从研发转化为生产的能力。随着 MB 平台的发展，新的应用不断涌现，它们对技术、经济和上市时间提出了要求，而这些要求可以通过非基于掩模的光刻解决方案来解决。

MacWilliams 表示：“这一动态坚定了我们的信念，即经过重新设计以提高生产率的 EBL 系统可以首次实现先进节点的应用。”“在先进封装中，性能优势尤其引人注目，我们的系统可以改善芯片间功率以及带宽和延迟。这有助于推动业界开始称之为‘先进集成’的新技术转折点——新的芯片间互连可以实现与片上互连相当的性能。”

MacWilliams 补充道：“我们很自豪能够通过经过生产验证的光刻解决方案实现这一转变，并相信我们的系统将帮助芯片制造商抓住有利可图的新市场机会。”他进一步指出，专用硅片可帮助芯片设计师更快地将产品推向市场。通过封装创新，Nvidia 等芯片设计公司可以将两块芯片放在同一个封装内，让它们像一块芯片一样协同工作。这有助于提高性能。

“我们得承认，摩尔定律已经结束了，”Lam 说道。“ASML 的路线图显示，在未来 12 到 14 年内，晶体管密度最多只能提高 0.7 倍。因此，真正能获得收益的唯一途径就是将更多的芯片拼接在一起。因此，这给先进封装带来了巨大压力。我们有一张有趣的图表，值得称赞的是，摩尔定律在过去 20 年内将晶体管密度提高了 500 倍。而先进封装只提高了 15 倍。”