面包芯语

LAM和电子束光刻

金捷幡 2021-01-01 00:00
汽车智能照明背后的“黑科技”传感器，你知道吗？ GaN电机驱动设计“避坑”指南


好久没发半导体故事了。这篇是老早写的，有点价值观有问题所以一直没敢发。

转眼到了2021年，改了改作为新年开篇励志:-)

一、

我们在《光刻机之战》中讨论跨越193nm时，曾提到尼康和IBM押宝EBDW(E-beam Direct Write，电子束直写；或叫EPL，电子束投射)。

100KeV电子束的波长只有0.004nm，分辨率对比EUV优势太大了。而且电子束可以用成熟的磁透镜，不像EUV那样得用反射镜。

然而，因为电子之间的库伦效应会引起电子束偏移，而且会有下图这种散射雾化效应，电子束光刻难以做到简单加大电流来提高效率。


尼康的第一代EPL生产60nm晶圆才7-10wph。根据Tennant的5次方定律，生产15nm的效率将降低到只有0.1%，一天出一片晶圆就不错了。

EUV虽然也功率宝贵，但一次扫描一片光场，比电子束一个像素一个像素写的效率还是高太多了。

电子束因为低效只适用于Mask等小批量产品上，以及晶圆的检测和修复之类的应用。

多电子束(Multi-Beam，千百支电子枪形成阵列)似乎理论上效率高，但技术难度也大大增加了，而且像素越小整块晶圆就需要越多的电子束，成本变成无底洞。

不过，多电子束的一些优点说服了Dr. David K. Lam(林杰屏)，传奇的泛林集团(Lam Research)的唯一创始人。


二、

Lam Research曾被翻译成拉姆研究，这就像Toyota被翻译成“拖油塔”一样好玩。Lam是“林”姓的广东拼音，这种翻译遍及东南亚。

林先生出生在中国，70年代曾在德州仪器和惠普工作。当年大厂都自己做半导体设备，所以林先生敏锐捕捉到了当时自研蚀刻设备的瓶颈。

因为湿法蚀刻难以继续降低分辨率，林先生创建了用自己名字命名的泛林公司，主攻等离子蚀刻。

林先生曾深入一线，所以思路非常接地气。他设计的设备核心出发点就是适合量产，充分考虑到产线可能碰到的污染和效率等核心问题。

林非常有前瞻性地把数字技术用于设备控制，以避免操作员的失误。他也是第一个把内嵌Modem的远程诊断加进设备的人。

结果，林先生只靠一款离子蚀刻机就打了天下，随即公司上市。那也是在神奇的1984年，他成为第一位创建纳斯达克上市公司的亚裔移民。

林先生说这款设备比当时市面上的竞争对手贵了好几倍，但他认为好产品应该按给客户带来的价值定价，而不是成本定价。这种理念和ASML、AMAT异曲同工。

自此，泛林蚀刻近三十年一直笑傲江湖，而东京电子也是通过代理及与泛林合资后来成为蚀刻双雄之一。

三、

林先生在泛林上市后逐步淡出公司，追寻更多的挑战。

也许有人觉得，林先生如果一直呆在泛林到今天，百亿美金营业额的光环加上百亿身家岂不是更靓丽。

然而人生的追求又何止日复一日的重复。

林先生后来参与的公司包括两家IPO(ITex和Caliper)，被蔡司收购的XRadia，被Synopsis收购的FabCentric，被Dell收购的Link， 被ASMI收购的NuTool，被Veeco收购的SSEC等等。

林先生最近十年的奋斗就是做多电子束的Multibeam公司。

电子束光刻的突出优点是不需要昂贵的Mask。

但最让人绝望的是，基本上所有在电子束努力过的巨头，都在晶圆大批量生产(HVM)上放弃了。

林先生也一样很不顺利。

四、

早期业界认为多电子束可以成为DUV光刻的补充，比如打孔和切割什么的。这种思路的赞同者甚至曾包括浸入光刻大佬林本坚。

然而，随着蚀刻黑科技的飞速发展，使得FinFET和NAND等3D技术成熟度超乎想象的高，多电子束作为DUV补充的需求几乎不再存在。

从某种意义上说，林先生创建的泛林在这十年打败了自己的HVM电子束梦想。

林先生倒不那么容易承认失败，他找到了电子束的一个Niche应用：用自己的机器在光刻后给每颗芯片再刻一个的Unique ID。

传统光刻无法给每个芯片打不同的ID或者密钥，因为Mask是一样的。

这个ID有什么用呢？芯片级唯一的ID和不可访问的私钥是关键应用的最底层信用源，这超出了PCB级的TPM。

美国国防部购买了此技术，理论上为黑客遥控军方无人机和导弹设置了最高障碍。

林先生认为核电站和银行等也应该采用带光刻密钥的主芯片，但说实话实用性似乎仍旧有限，因为系统漏洞的短板通常在人身上。

五、

EUV苦战20多年，最终和智能手机厂商产生的惊天需求胜利会师。

到了明年，ASML的High NA设备EXE:5000将点亮奔向1nm的道路。按摩尔第二定律，这台最新光刻机单价将是2.5亿美元。


多电子束也是EUV Mask制作的重要革新，然而再往后的埃米时代呢？

从IBM开始研究到现在50年仍不放弃的电子束，也许能成为新技术的小基石。

林先生本科学习的是工程物理，但到读研的时候，核能已经不吃香了。他艰难转系到化工，离子成为连接两段知识的桥梁，也带给他第一个伟大成就：

挂着“林”这个名字的机器造出的芯片躺在我们每个人的手机里。

今天，年近8旬的林先生仍然走在半导体业一条看不到尽头的艰难路上。这给了此文一点勇气踩一踩“成功”的那个庸俗定义，来致敬Dr. Lam。
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