光刻芯片用的掩模长什么样？

科技 2023-12-16 20:13 德国

光刻是芯片制造中的关键步骤之一。

把要制造的电路图形做成掩模（photomask，又称光罩）上的遮光图案。光线照射掩模，由光学系统把图像缩小（一般缩放4倍），投影到涂覆了光刻胶的晶圆上，使光刻胶曝光，从而把掩模上的图案转印成晶圆上的光刻胶图案。

随后，以光刻胶图案为模版，利用刻蚀、离子注入等方法，在晶圆上构筑出实体的电路。

显然，掩模在芯片制造中起到“底片”的作用，是一类不可或缺的晶圆制造材料，在芯片封装（构筑芯片的外壳和与外部的连接）、平板显示（TFT-LCD液晶屏和OLED屏）、印刷电路板、微机电器件等用到光刻技术的领域也都能见到各种掩模的身影。

在世界上最大的科技博物馆之一——德意志博物馆的光刻技术展台上，展出了这样一块掩模：

它的大小是6英寸×6英寸（152mm×152mm），是芯片制造中常见的掩模尺寸。

看标注文字，“CoG”是“Chrome on Glass”的缩写，即玻璃上镀铬。这是半导体工业中最经典的掩模类型——二元掩模。

要实现掩模板的功能，最直观的构想就是用透光和不透光区域的组合来构筑图形。这便是二元掩模的原理，即用铬在透明玻璃基板上构筑不透光的图形。

玻璃基板材质一般为合成石英玻璃，即以高纯四氯化硅（SiCl₄）等硅化合物为原料在氢氧焰或等离子体焰中水解、热解得到的高纯二氧化硅。与普通玻璃相比，合成石英玻璃具有透明度高（尤其是在紫外波段）、热膨胀系数小、稳定性好等优点。

在玻璃基板上镀上一层100纳米左右厚度的铬膜，再涂上光刻胶，制造掩模板图形的方法同样是光刻。这岂不是陷入“先有蛋还是先有鸡”的困境了？

这里用的是电子束或者激光直写光刻，即不用掩模板，直接用电子束或激光扫描光刻胶做出图案。电子束直写光刻利用了电子的波粒二象性，加速电压越高，电子的波长越短，因此能够做到纳米级分辨率，但其逐点扫描的加工效率远低于光刻机的区域投影曝光，无法用于芯片的大规模生产，无需掩模的加工灵活性倒正好应用于掩模的制造中。洗掉没有固化的光刻胶之后进行刻蚀，未被光刻胶覆盖的铬层被刻蚀掉，露出玻璃基板，残留铬的区域则构成不透光的图形。

1999年，当时的先进工艺制程来到180纳米（0.18微米），使用的光源是248纳米波长的氟化氪（KrF）准分子激光。随着掩模版上的图案尺寸缩小到接近光源波长的尺度，光在图案边缘会发生衍射而横向扩展，使得投影出来的图案不再明暗清晰，设计上理应被铬层遮挡的细小特征（比如细线）也会被来自两侧的光照亮，降低光刻的分辨率。

解决之道是使用相移掩模（Phase shift mask，PSM）。在常规二元掩模的基础上，通过使用硅化钼（MoSi₂）作为光吸收层和相移层，或把铬层开口处的玻璃基板也刻蚀掉一部分，改变透射光的相位（光在不同介质中的光速不同而频率保持不变，所以波长会发生变化，通过调控介质的厚度就可以改变透射光的相位），使得不需要的光发生相消干涉而减弱，从而提升光刻的分辨率。

另外，要使用光学邻近效应修正技术（OPC）微调掩模上的图形，以补偿光的干涉和衍射造成的图像失真。

这些技术被称为掩模分辨率增强技术，再加上浸没式光刻（在物镜和晶圆之间加入一层高折射率的水膜以提高数值孔径）、多重曝光技术等，把使用193纳米波长的氟化氩（ArF）准分子激光的深紫外（DUV）光刻技术一直推进到7纳米制程（厂商标称值，并非芯片内的实际尺寸），直至被13.5纳米波长的极紫外（EUV）光刻技术接棒。

即便如此，最“落后”的二元掩模并没有被淘汰，仍然凭借其成本优势成为使用最广泛的掩模类型。一方面，许多芯片应用场合并不需要特别先进的制程，成熟制程仍然有很大的市场空间（比如180/150纳米制程是中芯国际的主要营收来源之一），而光学邻近效应修正等技术也在把二元模板的适用范围向前推进；另一方面，在较为先进的制程中，也并不是由最尖端的光刻技术包打天下，在最早引入相移掩模的180纳米制程中，只有最关键的一两层用到了相移掩模，其他层仍然用二元掩模来光刻，又比如下图展示的台积电3纳米工艺（N3E）金属互连层的截面图，最底下直接与晶体管连接的M0层的最小金属布线间距是23纳米，由EUV操刀，而越往上层的金属布线越宽大，并不都需要使用特别昂贵而复杂的光刻技术。

既然说到了EUV光刻，那就给德意志博物馆的展品标注挑个错：

“CoG photo maskfor EUV”？

刚才说到，CoG掩模的工作原理是用不透明的铬层遮挡透射的光线，可用于DUV光刻，但EUV的穿透能力极弱，非常容易被材料吸收殆尽，只能使用反射式光路。如果说DUV光刻的掩模好比在窗户上贴窗花，那么EUV光刻的掩模就是在镜子上贴窗花。

EUV反射镜是在玻璃基底上交替地镀纳米厚度（1/4波长）的钼/硅（Mo/Si）薄膜，可达80-100层，利用周期性结构对EUV的衍射实现70%的反射率。

在一片玻璃表面镀上反光的金属薄膜，从可见光波段的视觉效果上看，可不就是一面镜子么。

在钼/硅多层膜上，还有一层金属钌（Ru）制成的覆盖层，起到保护作用。覆盖层之上是构筑图形的吸收层，由60-70纳米厚的钽（Ta）基材料制成，如氮硼化钽（TaBN）。

吸收层被去除的区域暴露出反射膜，具有高反射率，构成明亮的图形；保留吸收层的区域，EUV光被吸收，形成暗影。

最后，简单聊聊掩模的市场情况。

生产掩模的工厂可以分为晶圆厂自建的掩模厂和独立的第三方掩模厂两大类。在较为先进的制程中，掩模与晶圆生产工艺紧密相关，涉及到技术秘密，晶圆厂往往选择自建掩模厂（如台积电、三星、英特尔、中芯国际、华润微电子等），占掩模市场的65%；剩下的35%份额则属于第三方掩模厂，国际三巨头是美国Photronics（福尼克斯）、日本TOPPAN（日本凸版印刷）和日本DNP（大日本印刷），除了代工成熟制程掩模，他们也掌握了14纳米乃至5纳米先进制程的掩模。我国大陆地区有清溢光电、路维光电、中微掩模等第三方掩模厂，但只能提供成熟制程、芯片封装和平板显示用的掩模。我国半导体行业所用的掩模仍然高度依赖进口，亟需提高国产化率以解决受制于人的问题。

AMTC（Advance Mask Technology Center）是日本TOPPAN与美国Global Foundries（格罗方德）于德国德累斯顿（Dresden）合资成立的掩模企业。格罗方德原为美国AMD公司的晶圆生产部门，2009年拆分独立，现为台积电和三星之后的世界第三大代工厂，但它已经放弃了7纳米制程的研发。

掩模的制造离不开原材料和设备的支撑。

掩模主要由玻璃基板与遮光膜两部分组成，其中玻璃基板成本占整体材料成本的90％。合成石英玻璃基板厂商主要有日本东曹（Tosoh）、信越化学（Shin-Etsu Chemical）、尼康等，国内仅有湖北菲利华石英玻璃股份有限公司、江苏太平洋石英股份有限公司和中国建筑材料科学研究总院等少数几家企业具有生产掩模石英基板初级产品能力，但并不具备高端掩模版的完整国产化能力（根据2021年的信息），仍需在日、韩精加工（精磨、镀膜）后，才能返回国内掩模板厂商进行图案的光刻。

在直写光刻设备方面，瑞典Mycronic和德国Heidelberg占据主导地位。掩模在制造和使用过程中难免会出现外来颗粒沾污、图形异常等缺陷，需要进行检测和修复。掩模的检测是靠光学成像来识别图像的异常，美国KLA-Tencor（科磊）、日本Lasertec、美国Applied Materials（应用材料公司）占据了掩模检测设备85%的市场份额，其中日本Lasertec是首家实现用EUV光源检测EUV掩模的企业；一些显微分析设备（如电子显微镜、原子力显微镜）也被用于缺陷检测，这同样是外商主导的市场。缺陷的修复主要使用电子束、激光束或聚焦离子束技术，刻蚀掉掩模上的多余材料（上图）或沉积材料填补孔洞，德国Carl Zeiss（蔡司）、德国Bruker（布鲁克）和日本日立高新是掩模缺陷修复设备的主要厂商。我国的掩模制造、检测、修复设备大量依赖进口，国产化任重道远。

要建立完全独立自主的先进半导体产业，除了光刻机这个“明星”，还有众多关键设备和原材料的难关需要攻克。掩模就是一个典型的例子，它是金额占比排在硅片之后的第二大半导体制造原材料，涉及到合成石英玻璃基板、镀膜材料和设备、掩模设计软件、电子束直写光刻机和光刻胶、检测和修复设备等诸多方面。我们已经取得一定的进展，但要突破发达国家的半导体技术体系，我们所面临的仍是一场战线漫长的持久战。我相信，我们终将把红旗插在最高峰。

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参考资料和素材来源：

蔡司半导体制造技术网站.

https://www.zeiss.com/semiconductor-manufacturing-technology/inspiring-technology/euv-lithography.html

Semiconductor Technology from A to Z.

https://www.halbleiter.org/en/photolithography/photomasks/

IMEC. High-NA EUV lithography: the next major step forward.

https://www.imec-int.com/en/articles/high-na-euvl-next-major-step-lithography

SEMATECH. Overview of EUV Mask Metrology.

https://www.nist.gov/system/files/documents/pml/div683/conference/Rice_2011.pdf

掩膜版行业深度报告：光刻工艺“底片”，国产替代步伐加快.

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1669542949576277211&wfr=spider&for=pc

掩膜版行业研究报告：光刻蓝本亟待突破，国产替代大有可为.

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1781774916670723063&wfr=spider&for=pc

华卫群,周家万,尤春. 集成电路掩模分辨率增强技术. 电子与封装,2020,20(11):64-67.

刘志海. 我国光掩模玻璃基板的发展现状及趋势. 玻璃,2021,48(1):1-6.

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU2NTU5NDAyNg==&mid=2247489900&idx=1&sn=1b02291d8acf6747633e23db7e0b6e8a

材闻窗外事

材料小博士，其实不打铁。虽无球差校正眼，但怀扫描透射心。尝试从一闪而过的荧屏画面中解读材料科学密码，见证中国科技进步。

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