光刻掩膜技术介绍

光刻掩膜简介

光刻掩膜（Photomask）又称光罩、光掩膜、光刻掩膜版等，通常简称“mask”，是半导体制造过程中用于图案转移的关键工具，对于光刻工艺的重要性不弱于光刻机、光刻胶。

掩膜版对下游行业生产线的作用主要体现为，利用掩膜版上已设计好的图案，通过透光与非透光的方式进行图像（电路图形）复制，将电路图案精确地转移到硅片上的光刻胶层。随后，经过蚀刻、掺杂等步骤，在硅片上形成所需的电路结构，从而实现批量生产。作为光刻复制图形的基准和蓝本，掩膜版是连接工业设计和工艺制造的关键，掩膜版的精度和质量水平会直接影响最终下游制品的良率。

光掩膜制造

光掩膜的制造与晶片制造基本相同。不同之处在于抗蚀剂的曝光是通过电子束（光掩膜）或光学照射（晶片）完成的。

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用电子束（或激光）对抗蚀剂进行曝光。使用无掩模光刻机读取版图文件，对带胶的空白掩膜版进行非接触式曝光（曝光波长405nm），照射掩膜版上所需图形区域，使该区域的光刻胶（通常为正胶）发生光化学反应。

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抗蚀剂显影以形成图案。经过显影、定影后，曝光区域的光刻胶溶解脱落，暴露出下面的铬层。

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抗蚀剂起到遮蔽作用，通过蚀刻工艺将图案转移到镀铬层中。使用铬刻蚀液进行湿法刻蚀，将暴露出的铬层刻蚀掉形成透光区域，而受光刻胶保护的铬层不会被刻蚀，形成不透光区域。这样便在掩膜版上形成透光率不同的平面图形结构。

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移除抗蚀剂，在有必要的情况下，使用湿法或干法方式去除掩膜版上的光刻胶层，并对掩膜版进行清洗。

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在上面覆盖一层薄层，以防止玻璃/铬污染。

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光掩膜类型

除了传统的玻璃镀铬掩膜（chrome on glass mask，COG）外，还有各种类型的光掩膜可以提高结构的光学分辨率。COG掩膜的核心问题是光在边缘的衍射。因此，光线不仅会在垂直方向上产生影响，还会偏转到不能曝光的区域。

图：COG 掩膜的光谱强度

通过下文所述的不同方法，可以降低衍射光的强度。

衰减相移掩膜

Attenuated Phase Shift Mask，AttPSM

衰减相移掩膜（也称半色调掩膜）使用硅化钼（MoSi）图案层来表示电路结构。硅化钼的厚度可使透射光发生180°的相位偏移。因此，相移光和透过玻璃的辐射只会产生破坏性干扰。此外，硅化钼的密度很高（6%或18%@ 193 纳米波长）。一方面，光线被衰减，另一方面，相位相反的光波几乎完全相互消除，从而产生更高的对比度。可以在不使用曝光的区域添加铬层，以遮盖未使用的区域。这种光掩膜被命名为三色调掩膜tritone masks。

图：衰减相移掩模的光谱强度

图：光通过硅化钼的相移

交替相移掩膜

Alternating Phase Shift Mask，AltPSM

在具有一定周期性的铬掩模版中，透光图形之间相间地制备一层光的位相器（即交替的在掩模版透明区域增加或减少一层透明膜，光透过移相器后会产生180度相移）。

在曝光时，该掩模版中所有相邻的透明图形之间的相位差均为180度，由于光的相干性，因相邻透光区相位相反，互相抵消产生一个光强为零的暗区，在有移相器图形与无移相器图形交界处的不透光的间隙上光的衍射效应被抑制，使原来不可分辨的图形变成可分辨，从而提高了曝光的分辨率。

图：交替相移掩膜的频谱强度

然而，有些区域的相移是不确定的，会导致相位冲突：需要相移的地方没有相移，不需要相移的地方有相移。第一种情况是，当相位分配出现奇数包络时，会导致关键特征上没有相移。这种"未移位 "特征将无法正确打印。第二种类型也称为终止问题，因为它通常发生在行的末尾。在行的两侧交替分配相位会导致这两个相位在行的末端相遇。每当两个相反的相位相遇时，就会产生一条暗干扰线，导致打印出不需要的抗蚀线。一般情况下，需要用不同的掩膜进行两次曝光。一个掩膜包含沿x方向的结构，而第二个掩膜包含沿y方向的图案。

图：晶圆上的预期结构与掩膜上的冲突

光刻掩膜技术展望

未来光刻必定会进行彻底的转换，这意味着必须更换传统的光刻工具和光掩模。下一代光刻技术预计将使用极紫外光线（EUV，波长 13.5 nm），该光线可在正常大气和玻璃中吸收。因此，EUV过程必须在真空下进行，并且必须使用反射镜而不是光学透镜进行聚焦。光掩模将具有反射表面，而不是半透明玻璃。

主要参考文章：

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

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