當前，受全球缺芯潮持續蔓延的影響，晶片問題廣受關注，身為晶片製造業核心設備的光刻機可謂是行業關注的焦點。
在晶片製造中，光刻是至關重要的一個環節。光刻技術是指在光照作用下，藉助光刻膠將掩膜版（Mask，也叫光罩）上的圖形轉移到晶圓上的技術。這有點類似於膠片相機中的膠捲曝光後，利用底片進行洗制照片的過程，只是這個過程要比洗照片複雜繁瑣太多。
由於光刻的工藝水平直接決定晶片的製程水平和性能水平，光刻成為晶片製造中最複雜、最關鍵的工藝步驟。業內有著「集成電路是信息時代的皇冠，而光刻技術則是皇冠上的明珠」的說法。
可以說，光刻技術是現代半導體、微電子、信息產業的基礎，光刻技術直接決定了這些技術的發展水平。自1959年集成電路成功發明至今的近60年中，其圖形線寬縮小了約四個數量級，電路集成性提高了六個數量級以上。這些技術的飛速進步離不開光刻技術的功勞。
掩膜價格「水漲船高」
光刻工藝是製造流程中最關鍵的一步，光刻確定了晶片的關鍵尺寸，在整個晶片的製造過程中約占據了整體製造成本的35%。
一般來說，一個晶片生產線，所需要的大致設備、材料都是類似的，只是隨著晶片製程工藝的不斷提升，所需要的設備精密度越高，而材料純度也是越高，這些都會導致生產成本的不斷提升，不過，上升最快的則是光刻掩膜版所帶來的成本。
掩膜版又稱光罩、光掩膜等，是微電子製造過程中的圖形轉移工具或母版，其功能類似於傳統照相機的「底片」，根據客戶所需要的圖形，通過光刻製版工藝，將微米級和納米級的精細圖案刻制於掩膜版基板上，是承載圖形設計和工藝技術等內容的載體。
在晶片製造過程中，並不是一次曝光就可以完成的，在製造過程中要經歷多次曝光，這也就意味著，在晶片製作過程中要進行多次對準操作（每一次曝光都要更換不同的掩膜，掩膜與矽晶圓之間每次都要對準操作）。隨著光刻掩膜版層數增加，成本自然是隨之增加，同時也帶動了光刻膠、光刻、刻蝕等附帶工藝材料的成本增加。
在當前工藝階段，採用光刻掩模已成為各種光刻技術方法中一項可決定其應用前景的關鍵技術，但同時，掩模成本在整個光刻成本中可占份額也不斷攀升。據IBS數據顯示，在16/14nm製程中，所用掩膜成本在500萬美元左右，到7nm製程時，掩膜成本迅速升至1500萬美元。
7nm製程中，掩膜成本大概為1500萬美元
（圖源：IBS）
據IMEC的模擬研究表明，隨著工藝製程的逐漸提升，EUV以及高NA EUV光刻機的出現，對於掩膜帶來了新的挑戰。掩模缺陷的影響將越來越大，這表明掩模設計規則需要變得更加嚴格。
另外，光刻過程中的精準定位問題也非常難以控制，那麼多的掩膜版如何定位？技術難度越高，成本越難以控制，這也是導致成本上升的一大問題。
綜合來看，掩模板製作複雜、周期長、費用昂貴，一旦完成無法修改，掩膜在助力行業快速演進的同時，這些缺陷也嚴重限制了行業的發展。
中國科學院大學向宇瑭指出，利用傳統光刻的方法加工微透鏡陣列需要藉助灰度掩膜的方法，但是灰度掩膜的成本相對比較高，而且由於掩膜與加工的微透鏡之間往往存在「一一對應」的關係，這也導致了加工微透鏡陣列的靈活性嚴重不足。
因此，為了實現更加靈活的光刻過程，業界開始研究用其他的東西取代物理掩膜，甚至乾脆不使用掩膜進行加工，這樣的方法稱為「無掩膜光刻」。
什麼是「無掩膜光刻」？
在泛半導體領域，根據是否使用掩膜版，光刻技術主要分為掩膜光刻與直寫光刻。
直寫光刻、掩膜光刻示意圖
直寫光刻也稱無掩膜光刻，是指計算機控制的高精度光束聚焦投影至塗覆有感光材料的基材表面上，無需掩膜直接進行掃描曝光。
直寫光刻根據輻射源的不同大致可進一步分為兩大主要類型：一種是基於帶電粒子的直寫光刻（CPML），包括電子束直寫、離子束直寫等；另一種是基於光學的直寫光刻（OML），包括干涉光刻、雷射直寫光刻，以及基於空間光調節器的光刻技術等。
近日，中國科學院大學微電子學院在《集成電路先進光刻技術與版圖設計優化》研討課中，牛諭將、吳浩文、向宇瑭等幾位同學圍繞光刻工藝進行了深入調研，介紹了無掩膜光刻技術的特點和分類。
電子束直寫光刻技術：利用電子束在塗有電子束膠的樣品上繪製圖形的技術。
電子束光柱體結構圖
該技術優點是電子束中高能量電子的波長極短，所以解析度高，可加工納米級別的微細結構。同時，其使用直寫的工作方式進行圖形的曝光，加工方式非常靈活。
而缺點在於：在立體光中，刻蝕深度與工藝中的多種因素有關，很難精確控制刻蝕的深度；電子束髮射器等設備結構複雜，價格昂貴；該技術採用單點直寫的方式，需要長時間累計高能電子進行深度方向的曝光，因此不適合進行批量、大面積生產。
離子束直寫光刻技術：由於離子的質量較大，經加速聚集後可以對材料和器件進行刻蝕、沉積、離子注入等微納加工，稱為聚集離子束直寫技術。
在離子束直寫加工系統中，來自液態金屬離子源的離子束經過加速、質量分析、整形等處理後，聚集在樣品表面。將高能離子束聚集在樣品表面逐點轟擊，可通過計算機控制束掃描器和消隱組建來加工特定的圖案，不需要掩膜版。
相較之下，離子比電子的質量大很多，能很大程度克服電子束在抗蝕劑中的散射問題。但場離子質量大，導致其在光刻膠中的穿透深度小；場離子形成的離子束能量比較分散，焦深不大，導致解析度較低；此外，離子束光刻的設備複雜，導致生產成本很高，發展潛力不足。
干涉光刻：雷射干涉光刻技術是指利用光的干涉和衍射特性，通過特定的光束組合方式，來調控干涉場內的光強度分布，並用感光材料記錄下來，從而產生光刻圖形。
雷射干涉光刻技術按參與干涉的光束數目可分為雙光束、三光束、四光束和五光束等干涉光刻。
干涉光刻工藝簡單、成本低廉，可以很容易地進行大面積較高解析度的曝光。不足之處在於只能用於周期性圖形的曝光，周期圖形是由有限個正弦級數綜合而來，只是個近似結果，因而解析度的繼續提升有限。
基於空間光調節器光刻技術（SLM無掩膜光刻技術）：使用可編程控制的SLM器件直接對照明光束進行調製，形成不同的圖形直接投影在襯底上完成曝光，相當於將實體的掩膜版數字化，稱為基於SLM的數字光刻技術。
SLM是一種能將光的空間分布進行調製的微型器件，由很多微小單元呈線型或方陣排列而成。這些單元通過計算機編程控制，便捷的將圖形掩膜數字化，通過編程靈活性的改變掩膜形狀，替代了傳統光刻使用的「物理掩膜版」，從而避免了傳統光刻系統掩膜版製造複雜昂貴、靈活性差等問題。
在泛半導體的產業化生產中，直寫光刻與掩膜光刻應用的細分市場所要求的光刻精度（最小線寬）具有明顯差別。
據了解，在具有襯底翹曲、基片變形的光刻應用領域，直寫光刻的自適應調整能力，使之具有成品率高、一致性好的優點，還具有投影光刻所不具有的高靈活性、低成本以及縮短工藝流程等技術特點，主要應用於掩膜版製造、IC後道封裝、低世代FPD製造、部分低端IC前道製造。
直寫光刻和掩膜光刻技術在泛半導體不同細分市場的應用對比
但直寫光刻技術也受限於生產效率與光刻精度等方面因素，目前還無法滿足泛半導體產業大規模製造的需求。一方面是因為帶電粒子直寫光刻技術的生產效率較低，且在大規模生產中會產生較為嚴重的鄰近效應，嚴重影響圖形的解析度及精度；另一方面，雷射直寫光刻技術受限於雷射波長，在光刻精度上不如電子束、離子束等帶電粒子直寫光刻技術，還無法滿足高端半導體器件製造的需求。
目前業界對無掩模光刻技術的普遍看法是：這是降低光掩模不斷飛升的一個潛在解決方案，是一種有前途的候選光刻技術。但其還處於一個發展早期的階段，有待解決的技術問題還很多。近期內可能只是一個細分的光刻技術，不能替代主流的DUV和EUV光刻技術，但其較低的成本將使其在未來繼續受到關注。
無掩膜光刻技術「嶄露頭角」
前不久，俄羅斯在無掩膜光刻方面也曝出新規劃。
俄羅斯莫斯科電子技術學院（MIET）日前宣布，將開展製造光刻機，而且號稱這款新型光刻機的工藝可以和EUV媲美。
據了解，俄羅斯的技術方向與ASML生產的EUV完全不同，ASML採用的是極紫外光EUV，波長13.5nm，可以用於製造7nm及以下的先進工藝。而俄羅斯研發的則是基於同步輻射加速器和等離子體源的X射線光刻機，使用的是X射線，波長介於0.01nm到10nm之間，比EUV極紫外光還要短。
同時X射線光刻機還有一個優勢就是不需要光掩模版，可以直寫光刻，此舉可以大幅降低晶片製造成本，同時在精準度方面也更高。
按照現有的常見思路，光刻機是特定波長的光透過用來放大的掩膜，再通過透鏡的縮小，將集成電路圖精確「投影」在矽片上。
為了精確「投影」，光刻機需要實現極高的曝光解析度，以及極高的重複定位精度。決定光刻機解析度的主要因素有三點，分別是常數K、光源波長和物鏡的數值孔徑，波長越短解析度越高。因此，理論上以及從光刻機歷來發展（波長變得越來越短）來看，俄羅斯採用的X射線光刻機顯然要比EUV光刻機更好更先進。
但無掩膜X射線光刻機同樣面臨上述效率低的困境。無掩膜光刻本身並不難，難就難在X射線工藝以及效率的提升上。當前全球還沒有任何一家機構能夠解決這個問題。這也是俄羅斯接下來要面對的難題和挑戰。
按照計劃，俄羅斯將完成對主要技術解決方案的驗證——基於動態掩模模型的製造和兩項控制實驗研究。最早將於今年11月開發動態掩膜的技術和模型，以及原型光刻機的技術規範和可行性研究，工藝要達到28nm及以上。
其實早在20年前，俄羅斯莫斯科電子技術學院就在無掩膜EUV領域展開了研究，2002年時就開展了一個名為「基於微聚焦X射線管列陣的軟X射線源研製，適用於10nm無掩膜光刻機」的項目研究，目前進展還算是比較順利。
因此，業界對於俄羅斯可能在此領域取得突破，抱有較大期待。
另外，無掩膜光刻技術目前還已經在科研、醫療、軍工以及特種器件等特定領域內實現了一定程度的產業化應用。
復旦大學魏大程教授課題組利用小型台式無掩膜光刻機- MicroWriter ML3開發出了新型快速超靈敏新冠病毒檢測晶片。MicroWriter ML3可以任意調整光刻圖形，幫助用戶快速實現原型晶片的開發，使用該設備製造的基於石墨烯場效應管的分子微納機電晶片在檢測離子，生物分子和新冠病毒等方面具有快速超高靈敏度等特點，從一定程度上助力生物醫學檢測領域的研究。
去年，由南昌大學材料學院博士生劉冠鵬負責的「芯像視成」項目，也在致力於MicroLED無掩膜光刻機技術研究與落地轉化，助力我國半導體和無掩膜光刻相關技術的研究與產品開發。
從市場應用和技術動態能夠看到，無掩膜光刻技術一直在不斷的演進和探索過程中。
寫在最後
綜合來看，每種光刻技術都有各自的特點和優劣，掩膜光刻技術的優勢在於其在轉移電路圖形過程中的精確性和可靠性，但隨著成本的日益高漲，無掩膜技術的大規模使用成為其未來潛在的替代風險。
但現階段無掩膜技術尚存在諸多待解決的問題，僅能滿足精度要求相對較低的行業中的光刻需求，且效率較低，無法滿足對圖形轉移精度要求高以及對生產效率有要求的行業運用。因此，掩膜光刻短期內或不存在被快速疊代的風險。
然而，世界上或許沒有一種完美的技術方案，無不是在成本、效率、性能等多方因素中反覆權衡，力求在行業的動態變幻中尋到一個最優解。
過去很長一段時間以來，掩模光刻技術是光刻工藝路線中的最佳選擇；未來，無掩膜光刻技術或將憑藉成本優勢及行業布局逐漸受到行業關注。
一切皆有可能，但一切可能皆不易。
來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）原創，作者：李晨光，謝謝。免責聲明