包含相移区域（带或不带能量吸收区域）的掩模是 PSM。它可以是 BPM、BCM 或 MCM，如上文第 5.3 节中定义。这里讨论了 PSM 的类型及其配置。第 4.5.2.11 节简要介绍了成像性能及其比较。第 6 章将介绍 PSM 应用和其他成像性能信息，其中还包括它们的制造、检查和维修方面。我早在 1990 年就写了一篇概述文章，当时许多不同类型的 PSM 开始蓬勃发展。
工作原理
相移掩模利用相干或部分相干成像系统中的干涉效应来降低给定物体的空间频率，增强其边缘对比度，或同时实现两者，从而实现更高的分辨率、更大的曝光宽容度和 DOF 的组合。通过在掩模上添加额外的图案化透射材料层来实现相位偏移，如图 5.17 所示。当光传播通过基板和额外层时，其波长会比空气中的波长短，短程为基板和额外层的折射率。比较通过额外材料和没有额外材料的光路，存在 (n – 1)a 的差异，其中 n 是额外层的折射率，a 是其厚度。相位差 θ 为
通常，π 的相移是理想的。其中一个原因是，根据 π 偏移，±1 的电场幅度范围是可以产生的最大幅度范围。第二个原因是，当由于移相器厚度公差而发生任何相位变化时，相位变化率相对于移相器厚度的变化最小。换句话说，∂cosθ/∂θ 在 θ = π 时最小。在公式 (5.3) 中取 θ = π 可得出
这是引起 π 偏移所需的厚度。由于常用的移相器 SiO2 的折射率约为 1.5，因此 a 现在约等于光化波长。请注意，相移可以是 π 的任何奇数，例如 (2m + 1)π，其中 m = 0、1、2、...，并且相移是相对的。相移是相对的，这意味着移相掩模中的高折射率材料或低折射率空气路径可以被视为移相器。为简化讨论，除非另有明确定义，否则额外的层通常称为移相器。
5.3.4.2 非平面 BIM 不是 PSM
PSM 技术的新手经常会问，为什么平面度变化大于或接近 λ/2 的 BIM 不是 PSM。只有当照明基本相干时，相移才有效。当 σ > 0.5 时，它开始无效。相移有效的区域与照明的相干长度数量级相当。通常最多只有几微米，而 BIM 上的平面度变化是渐进的。0.5 到 2 微米的厚度变化以毫米数量级分布在掩模的不同区域。PSM 如何改善光学图像将在下文第 5.3.4.3 节中针对每种类型的 PSM 进行解释。
5.3.4.3 PSM 类型和成像改进机制
PSM 通常以移相器的位置或类型命名，而不是像第 5.3 节开头那样使用通用名称。以下是主要的 PSM 类型。
交替移相掩模 (AltPSM) — 该 BCM 系统的特点是将密集阵列中的每个其他透明元件移相。20 AltPSM 方法如图 5.18(b) 所示，与 BIM 如图 5.18(a) 所示。先前的电场振幅在掩膜上的偏移区域现在为 -1。这个负振幅有效地降低了电场的空间频率，使其不受透镜传递函数的抑制，并在晶圆平面上形成更高对比度的振幅图像。当光刻胶记录该电场时，只能记录与电场振幅平方成比例的强度。因此，降低的空间频率会加倍回到原始频率，但图像的对比度会高得多。除了降低空间频率外，电场还必须穿过 0 到 -1 才能确保晶圆上的强度为零；因此，它有助于提高边缘对比度。因此，AltPSM 系统受益于空间频率的降低以及边缘对比度的增强。前面的说明将照明视为完全相干。在实际曝光系统中，照明的 σ 不是 0，而是在 0.3 和 0.4 之间。
如果失去相干性，AltPSM 就会变成 BIM。图 5.19 表明，在非相干照明下，电场的相位随机波动，图 5.18(b) 所示的空间倍频效应不可能出现。将这些相加为强度只会产生与图 5.18(a) 相同的强度图像。
图 5.20 显示了 λ = 365 nm 时 0.35 μm 线空间对的 DOF 变化，该变化与 σ 的关系。当 σ = 0.5 时，DOF 比 σ = 0.3 时的值下降了 60%。当 σ = 0.55 及以上时，图像在给定的 CD 公差 ±10% 和曝光宽容度 20% 下不支持任何 DOF。
亚分辨率辅助相移掩模 (SA PSM) — AltPSM 通过展示其潜力为相移技术打开了大门。然而，AltPSM 需要紧密堆积的图案才能有效。在实际电路布局中，在许多情况下，关键尺寸与任何相邻图案的距离都足够远，以提供相移。为了为孤立开口（例如接触孔和线路开口）提供相移，另一种形式的 BCM 使用孤立开口附近的亚分辨率移相器，21 如图 5.21(a) 所示。这些移相器小于光学成像系统的分辨率极限；因此，它们无法打印。它们的唯一功能是增强感兴趣图案的边缘对比度。
Rim phase-shifting mask边缘相移掩模版 (rim PSM) — SA PSM 和 AltPSM 仍受限于无法为不透明图案提供相移。边缘 PSM22 是 BCM 的另一种形式，如图 5.22(a) 所示，它克服了这一问题，可应用于任意掩模版图。在这里，相移仅发生在掩模版图的边缘。图案的中心被吸收体阻挡，以防止大面积的负振幅在本应是暗的地方产生亮区。同样，亮区是由负或正场振幅产生的，因为光刻胶只能检测到与电场平方成比例的强度。请注意，边缘对比度增强现在是这些移相器唯一的图像改进功能。
Attenuated phase-shifting mask衰减相移掩模版 (AttPSM) — AttPSM是一种适用于任意掩模版图的 BCM，就像边缘 PSM 一样。它可以在透射或反射掩模上实现。可以将掩模的暗区移相为π，但幅度要减小，以防止在这些区域产生过多的光，如图 5.22(b) 所示。负幅度可实现图像边缘对比度的所需改善，而衰减可防止负幅度变得过大并随后曝光光刻胶。掩模板的边界通常必须包含规则吸收器，以阻挡曝光场边界处的光线并提供规则的光罩对准标记。因此，AttPSM 通常采用 MCM 的形式。
相移边缘（PS 边缘）——相移边缘 26 只是相移区域和非相移区域之间的边界。一般来说，它是 BPM。产生沿边界的高对比度暗线图像，如图 5.23(a) 所示。
覆盖相移边缘（CPS 边缘）——这与相移边缘类似，只是边缘不再只是边界。27 它也覆盖有吸收器，如图 5.23(b) 所示。覆盖的相移边缘可以看作是 AltPSM 中每个开口的一半。
PSM 配置
使用基本 PSM 类型，可以构建许多不同的配置：
相移边缘配置 - 可以将两个极性相反的相移边缘组合起来，形成一条未衰减的 PS 线。当边缘彼此靠近时，会形成不透明图像，如图 5.24(b) 所示。可以周期性地组合具有较大边缘分离的未衰减 PS 线，以使空间频率加倍，如图 5.24(a) 所示。这些线可以正交双重曝光，以产生孤立的不透明图像，
如图 5.25 所示。使用正性光刻胶，生成的图像是基座；使用负性光刻胶，我们会得到一个孔。请注意，光刻胶中的图像旋转了 45 度。这是由于图 5.23 中 PS 边缘强度分布的正交叠加导致 45 度和 135 度方向上的等强度线。
AltPSM 和边缘 PSM 的组合 - AltPSM 是一种强相移方案，仅适用于密集排列的图案，而边缘 PSM 是一种弱相移方案，更适用于间隔较大的图案。可以将它们组合在同一布局上，以利用它们的互补特性。
图 5.26 显示了组合布局和制造步骤。使用三级曝光来写入掩模。部分曝光的区域定义了移相器区域。未曝光的区域定义了要用铬覆盖的区域。暴露的区域成为透明的未移位区域。
AltPSM、AttPSM 和无衰减相移掩模 (UttPSM) 的组合 — AltPSM 和 AttPSM 的组合也是可能的。实际上，甚至可以在组合中添加 UttPSM。组合过程并不像 Alt/rim 组合那样简单，但 AttPSM 的成像性能优于 rim PSM，。
图 5.27 显示了同时包含 AltPSM、AttPSM 和 UttPSM 的掩模。要制作这样的掩模，需要使用包含一层衰减相移层的石英基板，其顶部有一个 π 移位器。衰减是 AttPSM 所需的典型衰减，例如 6%。衰减移相器的移相量并不重要。为了便于说明，我们画了 30 度。关键是从衰减移相器蚀刻出总共 2π 的相移，以及石英基板中的相移。第一次图案化描绘出所有相移 3π 的区域，实际上就是 π。然后用另一层抗蚀剂和图案化打开零相位和 UttPSM 区域。这些区域的总蚀刻深度为 π 或 4π。前者用于 UttPSM，后者用于零相移。
这种 AttPSM/AltPSM/UttPSM 组合后来被更简单的 AttPSM 与离轴照明组合所取代，这是从 0.18 微米节点开始的半导体制造中非常流行的组合，并且仍然用于 65 纳米节点及以下。
CPS 边缘和 BIM 的组合——金属氧化物半导体 (MOS) 器件的栅极长度非常关键，而栅极级其他地方的尺寸则更宽容。因此，可以通过双重曝光将 CPS 边缘与 BIM 相结合，以精确控制栅极长度。31 如图 5.28 所示，掩模 1 是一个由栅极级完整布局组成的 BIM，不同之处在于栅极长度故意做得更大，以便 BIM 可以支持整个布局。曝光掩模 1 后，掩模 2（包含所有关键栅极处的 CPS 边缘）在掩模 1 定义的扩大栅极区域上曝光。这种对比度更高的较窄图案在显影光刻胶图像中设置栅极长度并改善线宽控制。这种组合使拥有该专利的公司声名鹊起。除了双重曝光明显的生产力损失障碍外，还必须设置 CPS 边缘之间的最小距离，这限制了单元尺寸的减小。可以优化流行的离轴照明与 AttPSM 的组合，以提供与该组合类似的成像性能。最终，CPS 掩模的更高成本和更长的循环时间也限制了该技术的制造应用。因此，这家制造公司已不复存在。
上述示例并未穷尽可能的配置。有些组合可以提高成像性能。有些则恰恰相反。定量评估成像性能很重要，
