半导体制造工艺（二）光刻工艺—掩模版

在上文中我们已经简单概述了光刻工艺的大致流程。接下来将会介绍在光刻工艺中所需用到的必备材料以及设备。例如掩模版、光刻胶、匀胶机、光刻机等等。由于需要保持讲述工艺的完整性以及流畅，每一个都需要涉及，所以每次仅是侧重点不同。此篇主要讲述的是掩模版及其工作原理、组成等等。

掩膜版——高精度光刻的关键

掩膜版（Photomask），又称光罩、光掩膜、光刻掩膜版等，是微电子、集成光电子制造中光刻工艺所使用的图形母版， 由不透明的遮光薄膜在透明基板上形成掩膜图形，并通过曝光将图形转印到晶圆上。其工作原理如图一。

图一 掩模版工作原理

掩模版在设计时有着明场和暗场之分，在其与之光刻胶（正、负胶）曝光时可以根据工艺时的需要来选择设计。上文已经提到正光刻胶曝光区域被溶解，负胶则相反。如图二所示。

图二 掩模版特性

掩膜版主要由基板和遮光膜两个部分组成。基板分为树脂基板和玻璃基板，玻璃基板主要包括石英基板和苏打基板，根据遮光膜种类的不同，可以分为硬质遮光膜和乳胶。

图三 掩模版分类

在如此多种类的掩模版中如何去挑选更为适合所需工艺要求的，就要简单了解它们的优缺点。首先基板衬底必须具备良好的光学透光特性、尺寸及化学稳定性，表面平整、光洁，无夹砂、半透明点及气泡等微小缺陷。具体比较如下表所示：

再者就是对不同遮光膜的介绍，这里其实可以先简单提及光刻技术的发展如图四所示：

图四 光刻技术发展

可以看到，根据掩膜曝光方式的不同，分为接触式曝光，接近式曝光和投影式曝光。90年代以来，投影式曝光光刻技术成为了光刻技术的主流。在这之后，当技术节点发展到32nm时，传统光刻的光学特点在极小尺寸下受到物理规律的限制必须采用其他的辅助技术继续提升其分辨率。其中这些辅助技术多是针对掩膜版的改进。而当最小线宽小于28nm，则需要多重曝光技术将掩模版拆分成多个，分别进行曝光。

匀胶铬版光掩膜

在接触式光刻技术时代，用超微粒乳胶干版投片，虽然乳胶版具有制作容易、成本低的优点，但是由于其胶膜面软，存在易擦伤和沾污、清洁处理困难、使用寿命短等缺点。匀胶铬版的制作工艺相对复杂、技术难度大、成本高，但它具有分辨率高、缺陷低、耐磨、易清洁处理、使用寿命长的优势，适用于制作高精度、超微细图形，现已逐渐替代接触式乳胶干版掩模，成为集成电路掩模的关键材料。目前还是一部分用的是接触式曝光，选择依旧还是铬版为主。匀胶铬版光掩模可应用的光学范围很广，覆盖了g线、i线，以及包括KrF（波长248nm）和ArF（波长193nm）的深紫外光刻工艺，曝光光源的波长极限决定了关键尺寸的技术节点。

图五 匀胶铬版曝光原理

移相光掩模

当集成电路图形的关键尺寸和间距达到曝光光源的波长极限时，传统的匀胶铬版在光学衍射作用下，相邻部分的光强将相互叠加，造成投影对比度不足而无法正确成像。为了提高曝光分辨率的极限，引入了利用光学相位差增加光强对比度的移相掩模版。此类掩模版需要利用光学相位差进行光强补偿，由于光刻机的曝光波长不同（如曝光波长为248nm的KrF深紫外光刻机，或曝光波长为193nm的ArF光刻机），需要分别使用对应248nm或193nm波长下可提供180 °相位补偿透光光强的KrF移相光掩模或ArF移相光掩模。

图六 移相掩模版曝光原理

极紫外光掩模

集成电路技术节点的不断发展，出现了以极紫外为曝光光源（光源波长为13～15nm，一般为13.5nm）的极紫外光刻（EUVL）技术。由于其曝光波长极短，这样的曝光环境下物质吸收性很强，传统的穿透式光刻掩模版不能继续使用，而要改成适应反射式光学系统多层堆叠结构的反射型掩模版，包括中间层、顶部覆盖层钌（Ru）和吸收层TaN等。其中，掩模中间层是由金属Mo和Si组成的多层膜结构，对极紫外光有较高的反射系数。由于13nm的极紫外光具有X射线光谱特性，可实现反射微影过程的图形转移和传递几乎无失真，因此掩模的图形设计和相关工艺复杂程度可以得到相应的降低。对于极紫外光掩模的制备，除了图形关键尺寸缩小带来的工艺挑战以外，在应用过程中的高热稳定性和抗辐射技术也需要重视。由于发射型掩模版进行传统的蒙版保护，所以掩模的储存、运输及操作等非常困难。在此基础上，极紫外光掩模在微影曝光端的应用，必须与光掩模检验、清洗和修补机台组合在一起，以避免使用过程中的污染或其他原因在芯片上造成的缺陷，而这将导致微影端工艺和设备的维护费用非常高，反过来又促使掩模制造方抓紧对高温耐久的掩模蒙版的研发。

以上是对于掩模版讲述，希望能对你有所帮助，下一篇是对于光刻胶的介绍。