光刻掩膜簡(jiǎn)介

光刻掩膜（Photomask）又稱光罩、光掩膜、光刻掩膜版等，通常簡(jiǎn)稱“mask”，是半導(dǎo)體制造過程中用于圖案轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵工具，對(duì)于光刻工藝的重要性不弱于光刻機(jī)、光刻膠。

掩膜版對(duì)下游行業(yè)生產(chǎn)線的作用主要體現(xiàn)為，利用掩膜版上已設(shè)計(jì)好的圖案，通過透光與非透光的方式進(jìn)行圖像（電路圖形）復(fù)制，將電路圖案精確地轉(zhuǎn)移到硅片上的光刻膠層。隨后，經(jīng)過蝕刻、摻雜等步驟，在硅片上形成所需的電路結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。作為光刻復(fù)制圖形的基準(zhǔn)和藍(lán)本，掩膜版是連接工業(yè)設(shè)計(jì)和工藝制造的關(guān)鍵，掩膜版的精度和質(zhì)量水平會(huì)直接影響最終下游制品的良率。

光掩膜制造

光掩膜的制造與晶片制造基本相同。不同之處在于抗蝕劑的曝光是通過電子束（光掩膜）或光學(xué)照射（晶片）完成的。

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用電子束（或激光）對(duì)抗蝕劑進(jìn)行曝光。使用無掩模光刻機(jī)讀取版圖文件，對(duì)帶膠的空白掩膜版進(jìn)行非接觸式曝光（曝光波長(zhǎng)405nm），照射掩膜版上所需圖形區(qū)域，使該區(qū)域的光刻膠（通常為正膠）發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。

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抗蝕劑顯影以形成圖案。經(jīng)過顯影、定影后，曝光區(qū)域的光刻膠溶解脫落，暴露出下面的鉻層。

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抗蝕劑起到遮蔽作用，通過蝕刻工藝將圖案轉(zhuǎn)移到鍍鉻層中。使用鉻刻蝕液進(jìn)行濕法刻蝕，將暴露出的鉻層刻蝕掉形成透光區(qū)域，而受光刻膠保護(hù)的鉻層不會(huì)被刻蝕，形成不透光區(qū)域。這樣便在掩膜版上形成透光率不同的平面圖形結(jié)構(gòu)。

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移除抗蝕劑，在有必要的情況下，使用濕法或干法方式去除掩膜版上的光刻膠層，并對(duì)掩膜版進(jìn)行清洗。

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在上面覆蓋一層薄層，以防止玻璃/鉻污染。

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光掩膜類型

除了傳統(tǒng)的玻璃鍍鉻掩膜（chrome on glass mask，COG）外，還有各種類型的光掩膜可以提高結(jié)構(gòu)的光學(xué)分辨率。COG掩膜的核心問題是光在邊緣的衍射。因此，光線不僅會(huì)在垂直方向上產(chǎn)生影響，還會(huì)偏轉(zhuǎn)到不能曝光的區(qū)域。

圖：COG 掩膜的光譜強(qiáng)度

通過下文所述的不同方法，可以降低衍射光的強(qiáng)度。

衰減相移掩膜

Attenuated Phase Shift Mask，AttPSM

衰減相移掩膜（也稱半色調(diào)掩膜）使用硅化鉬（MoSi）圖案層來表示電路結(jié)構(gòu)。硅化鉬的厚度可使透射光發(fā)生180°的相位偏移。因此，相移光和透過玻璃的輻射只會(huì)產(chǎn)生破壞性干擾。此外，硅化鉬的密度很高（6%或18%@ 193 納米波長(zhǎng)）。一方面，光線被衰減，另一方面，相位相反的光波幾乎完全相互消除，從而產(chǎn)生更高的對(duì)比度。可以在不使用曝光的區(qū)域添加鉻層，以遮蓋未使用的區(qū)域。這種光掩膜被命名為三色調(diào)掩膜tritone masks。

圖：衰減相移掩模的光譜強(qiáng)度

圖：光通過硅化鉬的相移

交替相移掩膜

Alternating Phase Shift Mask，AltPSM

在具有一定周期性的鉻掩模版中，透光圖形之間相間地制備一層光的位相器（即交替的在掩模版透明區(qū)域增加或減少一層透明膜，光透過移相器后會(huì)產(chǎn)生180度相移）。

在曝光時(shí)，該掩模版中所有相鄰的透明圖形之間的相位差均為180度，由于光的相干性，因相鄰?fù)腹鈪^(qū)相位相反，互相抵消產(chǎn)生一個(gè)光強(qiáng)為零的暗區(qū)，在有移相器圖形與無移相器圖形交界處的不透光的間隙上光的衍射效應(yīng)被抑制，使原來不可分辨的圖形變成可分辨，從而提高了曝光的分辨率。

圖：交替相移掩膜的頻譜強(qiáng)度

然而，有些區(qū)域的相移是不確定的，會(huì)導(dǎo)致相位沖突：需要相移的地方?jīng)]有相移，不需要相移的地方有相移。第一種情況是，當(dāng)相位分配出現(xiàn)奇數(shù)包絡(luò)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵特征上沒有相移。這種"未移位 "特征將無法正確打印。第二種類型也稱為終止問題，因?yàn)樗ǔ０l(fā)生在行的末尾。在行的兩側(cè)交替分配相位會(huì)導(dǎo)致這兩個(gè)相位在行的末端相遇。每當(dāng)兩個(gè)相反的相位相遇時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一條暗干擾線，導(dǎo)致打印出不需要的抗蝕線。一般情況下，需要用不同的掩膜進(jìn)行兩次曝光。一個(gè)掩膜包含沿x方向的結(jié)構(gòu)，而第二個(gè)掩膜包含沿y方向的圖案。

圖：晶圓上的預(yù)期結(jié)構(gòu)與掩膜上的沖突

光刻掩膜技術(shù)展望

未來光刻必定會(huì)進(jìn)行徹底的轉(zhuǎn)換，這意味著必須更換傳統(tǒng)的光刻工具和光掩模。下一代光刻技術(shù)預(yù)計(jì)將使用極紫外光線（EUV，波長(zhǎng) 13.5 nm），該光線可在正常大氣和玻璃中吸收。因此，EUV過程必須在真空下進(jìn)行，并且必須使用反射鏡而不是光學(xué)透鏡進(jìn)行聚焦。光掩模將具有反射表面，而不是半透明玻璃。

主要參考文章：

[1] www.halbleiter.org/en/photolithography/photomasks/

[2] C. A. Mack, Field Guide to Optical Lithography, SPIE Press, Bellingham, WA (2006).