光罩（Mask）的系統(tǒng)性講解

老虎說芯|Tiger Chip|

2024-12-09 10:36:11 813

光罩（Mask），也稱為掩膜版，是集成電路（IC）制造過程中核心且關(guān)鍵的元件之一。作為光刻技術(shù)的核心工具，光罩將設(shè)計(jì)好的電路圖案轉(zhuǎn)移到晶圓表面，其質(zhì)量直接決定了芯片制造的精度和性能。

1. 光罩的基本結(jié)構(gòu)

光罩是一種特殊的“模版”，由兩部分組成：

基底材料：石英。石英具有高透明度和低熱膨脹系數(shù)的特性，是光罩的主體。其透明性使得光源可以穿透，而低熱膨脹系數(shù)確保其在加工和使用中形狀穩(wěn)定，不會因溫度變化而發(fā)生變形。

遮光材料：鉻。鉻是一種高穩(wěn)定性、耐腐蝕的金屬材料，鍍在石英表面形成遮光圖案。設(shè)計(jì)的電路圖形就是通過對鉻進(jìn)行精確的圖形化處理實(shí)現(xiàn)的。

類比：可以將光罩比喻為印刷中的“印版”，石英就像一張優(yōu)質(zhì)的透明底紙，而鉻圖案是我們設(shè)計(jì)好的文字或圖案，用來投影到“印刷紙”（晶圓）上。

2. 光罩的制造工藝

光罩的核心在于如何將設(shè)計(jì)的圖案精確地“刻”到鉻層上。這一過程需要經(jīng)過多步工藝，核心步驟包括以下幾點(diǎn)：

2.1 鍍膜

將一層均勻的鉻薄膜沉積在石英基底上，這是光罩制作的起點(diǎn)。此過程通常采用物理氣相沉積（PVD）技術(shù)，確保鉻層的厚度均勻。

2.2 涂膠

在鉻層表面均勻涂上一層感光膠。這層感光膠能夠?qū)﹄娮邮a(chǎn)生敏感響應(yīng)，是電子束曝光的關(guān)鍵材料。

2.3 曝光（電子束曝光）

采用電子束曝光機(jī)對光罩進(jìn)行圖形化處理。電子束通過掃描的方式在感光膠上寫入設(shè)計(jì)的電路圖案。由于電子束的波長極短，可以實(shí)現(xiàn)納米級分辨率。

2.4 顯影

曝光后，將光罩置于顯影液中處理，去除被電子束曝光的部分感光膠，從而形成圖案。

2.5 刻蝕

通過化學(xué)刻蝕或等離子刻蝕技術(shù)，將顯影后裸露出來的鉻層去除，僅保留未被電子束照射的部分。*終，鉻圖案成為電路設(shè)計(jì)的真實(shí)體現(xiàn)。

2.6 清洗和檢驗(yàn)

完成圖案刻蝕后，需要徹底清洗光罩以去除殘余物質(zhì)，隨后進(jìn)行嚴(yán)格的光學(xué)與電子顯微檢查，以確保圖案的尺寸、形狀和對準(zhǔn)精度達(dá)到要求。

類比：可以將整個(gè)過程看作“雕刻”。石英是底板，鉻是覆蓋的金屬層，電子束就像雕刻刀，用高精度的方法將設(shè)計(jì)圖案“雕”到鉻層上。

3. 光罩在光刻中的作用

在光刻工藝中，光罩扮演著“投影模版”的角色。其作用是將設(shè)計(jì)的電路圖案通過光刻機(jī)的光源轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的晶圓表面。具體過程如下：

曝光：光源（如248nm的KrF或193nm的ArF激光）通過光罩的透明區(qū)域，將光罩上的圖案投影到晶圓表面。

顯影：晶圓表面涂布的光刻膠發(fā)生化學(xué)變化，顯影后形成與光罩一致的圖案。

刻蝕：顯影后的圖案通過刻蝕工藝轉(zhuǎn)移到晶圓上的特定材料層。

值得注意的是，光罩上的圖案一般是電路設(shè)計(jì)圖的4倍大?。ǚ糯蟊壤秊?:1），通過光刻機(jī)的投影系統(tǒng)，將其縮小到1/4后投影到晶圓上。這種縮小不僅提高了分辨率，還降低了制造誤差。

類比：光罩就像是投影儀的“幻燈片”，通過光的投射，將圖案映射到屏幕（晶圓）上。

4. 光罩技術(shù)的挑戰(zhàn)與優(yōu)化

隨著芯片制程的推進(jìn)，光罩制造和使用面臨越來越多的挑戰(zhàn)。為了解決高精度光刻的需求，人們在光罩技術(shù)中引入了多種先進(jìn)優(yōu)化措施：

4.1 光學(xué)鄰近修正（OPC）

由于光的衍射效應(yīng)，光罩上的某些圖案可能在晶圓上轉(zhuǎn)移時(shí)發(fā)生形狀偏差。OPC技術(shù)通過對光罩圖案進(jìn)行精確調(diào)整（如添加輔助圖形），補(bǔ)償可能的衍射誤差。

比喻：就像在畫畫時(shí)考慮光影效果提前調(diào)整顏色濃淡，以確保*終作品更接近真實(shí)。

4.2 相移光罩（Phase-Shift Mask, PSM）

相移光罩通過在某些區(qū)域引入相位差（如在石英上刻凹槽或使用特殊材料），增強(qiáng)圖案的對比度，提升分辨率。這種方法特別適用于極小特征尺寸的轉(zhuǎn)印。

4.3 EUV光罩的特殊性

EUV（極紫外光，13.5nm）光刻機(jī)是先進(jìn)制程的關(guān)鍵，但EUV光源的高能量對光罩材料提出了更嚴(yán)苛的要求。傳統(tǒng)的石英基底和鉻圖案已經(jīng)無法滿足需求，需使用多層膜和更復(fù)雜的反射結(jié)構(gòu)。

4.4 防塵與保護(hù)：Pellicle的應(yīng)用

由于光罩極其敏感，任何灰塵或顆粒都會影響*終芯片的圖案質(zhì)量。為此，光罩表面覆蓋一層透明保護(hù)膜（Pellicle），即便有灰塵落在保護(hù)膜上，也不會影響實(shí)際的曝光效果，因?yàn)榛覊m并未處于焦平面。

比喻：Pellicle就像是手機(jī)屏幕上的貼膜，既能保護(hù)屏幕又不會影響顯示效果。

5. 光罩制造對產(chǎn)業(yè)的意義

光罩的制造是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中不可或缺的一環(huán)。其復(fù)雜性和精度要求極高，直接關(guān)系到芯片生產(chǎn)的成敗。然而，目前全球高端光罩制造設(shè)備和材料嚴(yán)重依賴少數(shù)*和企業(yè)，中國在這一領(lǐng)域仍存在明顯的短板。

5.1 技術(shù)壁壘

設(shè)備：先進(jìn)電子束曝光機(jī)由國際巨頭壟斷，制造成本極高。

材料：高純度石英和特殊涂層材料長期依賴進(jìn)口。

經(jīng)驗(yàn)積累：光罩的設(shè)計(jì)和制造需要豐富的工藝經(jīng)驗(yàn)和長期的技術(shù)研發(fā)。

5.2 自主研發(fā)的重要性

國產(chǎn)化光罩的突破將極大提升中國芯片制造的自主能力。因此，無論是從光罩材料、設(shè)備，還是工藝技術(shù)方面，都需要投入大量資源進(jìn)行研發(fā)。

總結(jié)。光罩是連接芯片設(shè)計(jì)與制造的橋梁，其精度和質(zhì)量直接決定了芯片的性能與良率。同時(shí)，隨著先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)的推進(jìn)，光罩的技術(shù)門檻和復(fù)雜性不斷提高，對材料、設(shè)備、工藝等提出了全新的挑戰(zhàn)。

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