光罩（Mask）——集成电路制造的核心工具

光罩（Mask）——集成电路制造的核心工具

引用

网易

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https://m.163.com/dy/article/JI54OV3L05566SXC.html

什么是光罩？

光罩（Mask），又称掩膜版，是在集成电路（IC）制造过程中用于将设计好的电路图案精确转移到晶圆表面的核心工具。作为光刻技术的基础元件，光罩的质量直接决定了芯片的精度、性能和制造成本。光罩本质上是一个“投影仪”的模板，用于指导晶圆上的光刻胶如何固化，从而形成电路的物理结构。

简单来说，光罩是芯片设计与物理制造之间的桥梁。芯片设计师将电路图案设计完成后，这些图案会被以微米或纳米级精度刻制到光罩上，供光刻机使用。

光罩的基本构成

光罩通常由以下两部分组成：

• 基底（Substrate）：通常是由超平坦、超高质量的石英玻璃（fused silica）制成，具有优异的光学透明性。在深紫外（DUV）或极紫外（EUV）波长范围内的光刻中，石英玻璃基底几乎完全透光。

• 遮光层（Opaque Layer）：在基底表面沉积一层遮光材料（通常是铬，Cr），通过电子束或光刻技术，将电路图案精确刻制到遮光层上。光罩表面可能还涂有抗反射涂层（ARC），以减少反射引起的干扰。

光罩的工作原理

光罩的主要任务是通过光刻机将其上的电路图案转移到晶圆表面。其基本工作原理如下：

1. 曝光：光刻机将光源（如ArF激光，193 nm）发出的光通过光罩。光罩上的透明区域允许光通过，而遮光区域则阻止光通过。

2. 光刻胶反应：光通过光罩后，在晶圆表面的光刻胶（photoresist）上形成曝光图案。曝光后的光刻胶经过显影处理，形成与光罩对应的物理图案。

3. 图案转移：通过后续的蚀刻、沉积等工艺，将光刻胶图案转移到晶圆上，最终形成芯片的基本结构。

光罩的分类

根据芯片制造工艺的不同需求，光罩分为以下几种类型：

1. 传统光罩（Binary Mask）

• 特点：仅具有完全透明和完全不透明两种区域，光通过或被阻挡。
• 应用：用于早期的芯片制造工艺（如130 nm及以上工艺节点）。

2. 相移光罩（Phase-Shift Mask, PSM）

• 特点：在光罩上加入相位控制材料，使光的相位发生偏移，以增强图案的分辨率。
• 原理：不仅通过光的强度对图案成像，还通过光的相位干涉提高精度。
• 应用：先进的光刻技术（如90 nm、65 nm工艺节点）。

3. 透射光罩（Alternating Phase-Shift Mask, Alt-PSM）

• 特点：采用交替相移技术，让光罩的透明区域产生相位差（如180°相移），提高光的干涉效果。
• 优势：适用于极高分辨率图案的生成。

4. 吸收光罩（Attenuated Phase-Shift Mask, Att-PSM）

• 特点：在光罩的透明区域加入部分吸收材料，使光的强度和相位同时调整。
• 应用：针对复杂电路的光刻需求。

光罩制造的核心技术

1. 光罩图案生成

• 光罩上的图案主要通过电子束直写（Electron Beam Lithography, EBL）技术生成：
• 原理：使用高能电子束直接刻画出电路图案，具有亚纳米级的精度。
• 挑战：EBL效率较低，制作复杂光罩耗时长且成本高。

2. 光罩检测与修复

• 光罩制造完成后需进行精确的图案检测，确保没有缺陷。采用光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）等进行检测。对于发现的缺陷，通过激光修复、离子束修复等方法进行补救。

3. 光罩清洁与维护

• 为避免光罩污染影响光刻质量，光罩需在超洁净环境下存储。清洁技术包括超声波清洗、湿法清洗等，避免损伤光罩表面。

最前沿技术——EUV光罩

1. EUV光罩的背景

• 随着工艺节点缩小到7 nm及以下，传统的DUV光刻已接近分辨率极限。EUV（极紫外，Extreme Ultraviolet）光刻技术因其使用波长13.5 nm的极短波长光，能够满足先进节点的分辨率需求。

2. EUV光罩的特点

• 反射型设计：由于EUV光在普通材料中无法透过，EUV光罩采用多层膜（如Mo/Si）堆叠结构，通过反射完成光刻。
• 无掩膜版接触：EUV光罩使用无掩膜版接触式曝光，避免颗粒污染。
• 遮光层材料：使用钼-硅堆叠膜和碳基吸收层，以提高反射率和对比度。

3. EUV光罩的制造难点

• 多层膜质量控制：堆叠超过40层的Mo/Si膜，每层厚度仅几纳米，需精确控制。
• 极高的平整度要求：EUV光罩表面粗糙度需低于1 nm。
• 检测技术复杂：使用高精度电子显微镜（SEM）和EUV光源检测设备。

OMOG（Opaque MoSi on Glass）光罩

OMOG光罩是当前高端光罩中的一种创新技术：

• 结构特点：在石英基底上沉积钼-硅（MoSi）层，并刻蚀出电路图案。
• 优势：提供优异的分辨率和对比度，适合高精度图案转移。
• 应用：在7 nm及以下先进节点中广泛使用。

光罩未来发展趋势

1. 自适应光罩（Adaptive Mask）：通过实时调整光罩上的图案来补偿光刻中的畸变。结合AI优化和光学计算技术，提升整体制造精度。

2. 多图案化光罩（Multiple Patterning Mask）：为满足多重光刻需求，设计多种模式的光罩。在EUV和DUV技术结合下，进一步提升图案精度。

3. 纳米级检测与修复：开发更高分辨率的检测和修复工具，减少光罩缺陷对生产的影响。

结语

光罩作为集成电路制造的核心工具，从传统的二元光罩到先进的EUV光罩，体现了半导体技术不断追求更高分辨率、更低缺陷率的发展方向。