掩模场利用率MFU简介

1.What is a scanner

       扫描仪(scanner)是一种在wafer上创建die images的机器。它首先通过刻线（有时称为掩模）将光照射到涂有保护性光刻胶的wafer上，以刻上刻线图案的图像。照射到wafer上的光会导致一些光致抗蚀剂被去除，因此当wafer经过化学浴时，不再具有光致抗抗蚀剂涂层的硅会被蚀刻掉，从而形成电路层。然后，在清洁wafer并用另一种光致抗蚀剂重新涂覆之后，扫描仪通过重复这一过程，一次一个掩模层，创建其余的电路层，这被称为光刻。

2.Mask Field Utilization(MFU)

       掩模场利用率(MFU)是指芯片图像（die image）所占的掩模面积（mask area）与最大扫描仪场尺寸（maximum scanner field size）之比，即26mm乘33mm（如下图）。MFU影响扫描仪创建单个掩模层的裸片图像(die images)的速度，也显著影响光刻。

MFU = (multiple die area + scribe_line)/(scanner maximum field area)

       扫描仪的有效性主要由die image实际扫描之前（称为预扫描pre-scan）和扫描完成之后（过扫描over-scan）的持续时间决定（如下图）。

      因此，掩模版的面积被die image占据的百分比更大，也就是说，具有高MFU的掩模版布局意味着每次拍摄时更少的预扫描和过扫描时间，因为它需要更少的整体拍摄来在整个wafer上步进die image图像。

       在单个die的尺寸小于最大扫描器场尺寸的50%的情况下，一个以上的die可以适应掩模版场，并且在某些情况下，调节die方向和纵横比（即die的X和Y尺寸）将改变die的MFU。此外，对于某些die尺寸（在两个布局图案的边界上的die尺寸，例如在2x2和2x3布局图案之间），die的纵横比的相对较小的变化可能对MFU产生非常大的影响。台积电提供工具来确定长宽比，从而为指定的芯片尺寸产生最佳的MFU结果。

3.MFU Tools

       MFU的重要性在制造过程中最为明显。然而，考虑MFU的最有效阶段是芯片级产品定义阶段和设计规划过程的早期（在floorplan之前和期间），此时设计师可以更容易地调整die纵横比并创建具有良好MFU的die。例如，在下图中，左侧的die（X=18mm，Y=17.43mm）的MFU较低，为36%。如果我们保持相同的die面积，但将尺寸更改为X=19.6和Y=16，则MFU将提高到73%，因为两个die现在可以放入掩模版场。

       台积电提供两种软件工具来帮助客户创建具有良好MFU的die，其中每一种工具都应在产品定义和floorplan阶段使用（如下图）。

4.When To Consider MFU

用户可以在设计过程中以下三个阶段使用台积电的MFU工具：

在产品定义阶段，当设计者最初考虑芯片功能、芯片尺寸、封装和引脚输出要求时。从各个方面来看，这一阶段都是最重要的，因为它为设计师和营销团队提供了最大的灵活性来调整die的X/Y尺寸，以最大限度地提高MFU。然后，可以将优化的X/Y尺寸设置为高级芯片规范，通过floorplan、place和route以及tapeout，在整个设计实现流程中传播。设计者还应使用在线MFU和GDPW计算器来计算每晶圆的总裸片数（Gross Die per Wafer）。

在芯片实现阶段（RTL、物理设计等），芯片尺寸通常会因为各种原因而改变，例如新的市场需求、IP尺寸，或者出于时序和电源关闭的考虑。随着芯片尺寸的变化，继续使用MFU Advisor为所需的MFU选择适当的纵横比，并使用在线MFU和GDPW计算器计算每晶圆的总裸片数对于新芯片尺寸和/或新X/Y尺寸。

tapeout后，台积电将确定设计所需的实际划线宽度（scribe line width）和密封圈（seal ring），以计算最终MFU数量。

5.Design Guidelines for Higher MFU

在设计之前

（1）优选方形数字块和IP；

（2）对于矩形IP，提供相同IP的两种方向类型，并保持core PO gate在垂直方向上。例如，左/右类型IO和顶部/底部类型IO或水平和垂直类型IP形状；

（3）在floorplan设计阶段使用“快速MFU计算”；

（4）避免芯片尺寸处于MFU较低的边界处，强烈建议调整芯片尺寸以获得较高的MFU。

在floorplan阶段

（1）Core limited design：可能需要IP和block大小以及floorplan调整;

  (2)  I/O limited design：可能需要调整I/O和接口IP.

注：低MFU意味着整个光刻层的扫描仪生产率低。尽可能地改进MFU是很重要的。强烈建议MFU > 80%。

审核编辑：刘清