光刻掩膜簡介

光刻掩膜（Photomask）又稱光罩、光掩膜、光刻掩膜版等，通常簡稱“mask”，是半導體制造過程中用于圖案轉移的關鍵工具，對于光刻工藝的重要性不弱于光刻機、光刻膠。

掩膜版對下游行業生產線的作用主要體現為，利用掩膜版上已設計好的圖案，通過透光與非透光的方式進行圖像（電路圖形）復制，將電路圖案精確地轉移到硅片上的光刻膠層。隨后，經過蝕刻、摻雜等步驟，在硅片上形成所需的電路結構，從而實現批量生產。作為光刻復制圖形的基準和藍本，掩膜版是連接工業設計和工藝制造的關鍵，掩膜版的精度和質量水平會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）或光學照射（晶片）完成的。

01

用電子束（或激光）對抗蝕劑進行曝光。使用無掩模光刻機讀取版圖文件，對帶膠的空白掩膜版進行非接觸式曝光（曝光波長405nm），照射掩膜版上所需圖形區域，使該區域的光刻膠（通常為正膠）發生光化學反應。

01

02

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

02

03

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

03

04

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，并對掩膜版進行清洗。

04

05

在上面覆蓋一層薄層，以防止玻璃/鉻污染。

05

光掩膜類型

除了傳統的玻璃鍍鉻掩膜（chrome on glass mask，COG）外，還有各種類型的光掩膜可以提高結構的光學分辨率。COG掩膜的核心問題是光在邊緣的衍射。因此，光線不僅會在垂直方向上產生影響，還會偏轉到不能曝光的區域。

圖：COG 掩膜的光譜強度

通過下文所述的不同方法，可以降低衍射光的強度。

衰減相移掩膜

Attenuated Phase Shift Mask，AttPSM

衰減相移掩膜（也稱半色調掩膜）使用硅化鉬（MoSi）圖案層來表示電路結構。硅化鉬的厚度可使透射光發生180°的相位偏移。因此，相移光和透過玻璃的輻射只會產生破壞性干擾。此外，硅化鉬的密度很高（6%或18%@ 193 納米波長）。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，從而產生更高的對比度。可以在不使用曝光的區域添加鉻層，以遮蓋未使用的區域。這種光掩膜被命名為三色調掩膜tritone masks。

圖：衰減相移掩模的光譜強度

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域增加或減少一層透明膜，光透過移相器后會產生180度相移）。

在曝光時，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，因相鄰透光區相位相反，互相抵消產生一個光強為零的暗區，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度

然而，有些區域的相移是不確定的，會導致相位沖突：需要相移的地方沒有相移，不需要相移的地方有相移。第一種情況是，當相位分配出現奇數包絡時，會導致關鍵特征上沒有相移。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，因為它通常發生在行的末尾。在行的兩側交替分配相位會導致這兩個相位在行的末端相遇。每當兩個相反的相位相遇時，就會產生一條暗干擾線，導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行兩次曝光。一個掩膜包含沿x方向的結構，而第二個掩膜包含沿y方向的圖案。

圖：晶圓上的預期結構與掩膜上的沖突

光刻掩膜技術展望

未來光刻必定會進行徹底的轉換，這意味著必須更換傳統的光刻工具和光掩模。下一代光刻技術預計將使用極紫外光線（EUV，波長 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行，并且必須使用反射鏡而不是光學透鏡進行聚焦。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).