芯耀
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在半導(dǎo)體光刻技術(shù)中，光掩模（Photo mask）是芯片制造的核心工具之一，其作用類似于傳統(tǒng)照相的底片，通過控制光線透射或阻擋，將電路圖案轉(zhuǎn)移到硅片上。隨著芯片制程不斷微縮至納米級(jí)，掩模技術(shù)也在持續(xù)演進(jìn)。其中，Binary Mask（二元掩模）和Phase Shift Mask（相移掩模，PSM）是兩類關(guān)鍵的光掩模技術(shù)。本文中介紹兩者在結(jié)構(gòu)、成像原理和應(yīng)用場(chǎng)景上存在顯著差異。
先聊聊光刻機(jī)曝光光源，經(jīng)歷了436nm （G-line）、356nm（I-line）、248nm（KrF）和193nm（ArF） 的發(fā)展過程，分辨率從1μm發(fā)展到今天的65nm，其 產(chǎn)率從每小時(shí)20片（100mm硅片）發(fā)展到每小時(shí)100 片（300mm硅片）， 為了延展光學(xué)光刻的生命周期， 掩模制造技術(shù)也采用OPC（光學(xué)鄰近校正）和PSM （相移技術(shù)），以滿足在集成電路制造中光學(xué)光刻對(duì)掩模的要求，并能實(shí)現(xiàn)圖形在圓片上的再現(xiàn)和批量生產(chǎn)。
一、Binary Mask：傳統(tǒng)光刻的基礎(chǔ)工具
1. 結(jié)構(gòu)與原理
Binary Mask是最早應(yīng)用于光刻技術(shù)的掩模類型，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。它由透明基板（通常為熔融石英）和不透光的遮光層（Cr膜）組成。遮光層通過蝕刻形成特定的電路圖案，光線只能通過未被遮擋的區(qū)域照射到光刻膠上。其工作原理基于“二元性”：透光區(qū)域（允許光線通過）和不透光區(qū)域（完全阻擋光線），形成高對(duì)比度的光強(qiáng)分布。
2. 成像特點(diǎn)
Binary Mask的成像依賴于光的衍射效應(yīng)。當(dāng)光線通過掩模開口時(shí)，由于波長(zhǎng)的限制，在光刻膠表面會(huì)形成一定程度的衍射模糊（Airy斑），導(dǎo)致圖案邊緣分辨率下降。隨著特征尺寸接近光波長(zhǎng)（例如使用193nm ArF光源的深紫外光刻），這種衍射效應(yīng)會(huì)顯著限制最小可分辨線寬，進(jìn)而影響芯片的集成密度。
二、Phase Shift Mask：突破衍射極限的創(chuàng)新
1. 核心設(shè)計(jì)思想
相移掩模技術(shù)是IBM公司研究實(shí)驗(yàn)室Marc D. ?LevenSon 等人于1982年提出來的一種新型掩模技術(shù)。其基本原理是利用通過不帶相移層區(qū)的光線和通過帶相移層區(qū)（移相器、光線相位產(chǎn)生180°的移 動(dòng)）光線之間因相位不同產(chǎn)生相消干涉，從而改變了空間的光強(qiáng)分布，實(shí)現(xiàn)了同一光學(xué)系統(tǒng)下的倍增分率的提高，提高的幅度近一倍。原理下圖所示。
2. 結(jié)構(gòu)與類型
PSM在結(jié)構(gòu)上比Binary Mask復(fù)雜。除了遮光層外，部分透明區(qū)域被設(shè)計(jì)為相移層（例如蝕刻石英基板或覆蓋相移材料）。常見的PSM類型包括：
交替型PSM（Alt-PSM）：相鄰?fù)腹鈪^(qū)域相位相反，通過相消干涉增強(qiáng)對(duì)比度。
衰減型PSM（Att-PSM）：部分透光區(qū)域兼具相位調(diào)制和光強(qiáng)衰減功能，適用于更復(fù)雜的圖形。
無鉻PSM（Chromeless PSM）：完全依賴相位差成像，無需遮光層。
3. 成像優(yōu)勢(shì)
通過相位調(diào)制，PSM能夠在光刻膠表面生成更陡峭的光強(qiáng)分布。例如，在交替型PSM中，相鄰區(qū)域的180度相位差會(huì)導(dǎo)致光波相互抵消，從而減少邊緣模糊（如圖1所示）。這一特性使PSM在制造高密度電路（如存儲(chǔ)器的重復(fù)線條結(jié)構(gòu)）時(shí)具有顯著優(yōu)勢(shì)。
PSM mask制造流程:
相移掩模（PSM）技術(shù)是在一層版上生長(zhǎng)兩種材料涂上膠，第一次曝光后對(duì)第一層材料進(jìn)行顯影、 腐蝕、檢驗(yàn)、清洗后再涂膠進(jìn)行第二次曝光，然后對(duì)第二層材料進(jìn)行顯影、腐蝕、檢驗(yàn)、清洗。
三、Binary Mask與PSM的核心差異
| 對(duì)比維度 | Binary Mask | Phase Shift Mask |
|---|---|---|
| 結(jié)構(gòu)復(fù)雜度 | 簡(jiǎn)單（僅透光/不透光） | 復(fù)雜（需相位調(diào)制層） |
| 成像機(jī)制 | 依賴光強(qiáng)對(duì)比度 | 利用相位干涉增強(qiáng)分辨率 |
| 最小分辨率 | 受限于波長(zhǎng)與數(shù)值孔徑 | 可突破瑞利衍射極限 |
| 制造成本 | 低（工藝成熟） | 高（需精密相位控制與多次曝光） |
| 適用場(chǎng)景 | 常規(guī)線寬（≥90nm節(jié)點(diǎn)） | 先進(jìn)制程（≤55nm節(jié)點(diǎn)及以下） |
| 設(shè)計(jì)自由度 | 高（適用于任意圖案） | 受限（需滿足相位交替等約束） |
四、技術(shù)挑戰(zhàn)與應(yīng)用場(chǎng)景
1. Binary Mask的局限性
在28nm及以上制程中，Binary Mask憑借低成本和高設(shè)計(jì)靈活性仍被廣泛使用。然而，當(dāng)線寬逼近光波長(zhǎng)時(shí)，其分辨率不足的問題凸顯，需通過多重曝光（Multi-Patterning）補(bǔ)償，但會(huì)增加工藝復(fù)雜性和成本。
2. PSM的技術(shù)突破
PSM在10nm以下先進(jìn)制程中成為關(guān)鍵技術(shù)。例如，在EUV光刻（極紫外光，13.5nm波長(zhǎng)）中，PSM與分辨率增強(qiáng)技術(shù)（RET）結(jié)合，可進(jìn)一步推動(dòng)摩爾定律的延續(xù)。但PSM的制造需要精確控制相位誤差（通常要求±5度以內(nèi)），且設(shè)計(jì)規(guī)則復(fù)雜，導(dǎo)致掩模成本高達(dá)數(shù)百萬美元。
3. 混合應(yīng)用趨勢(shì)
在實(shí)際生產(chǎn)中，Binary Mask與PSM常結(jié)合使用：PSM用于關(guān)鍵層（如晶體管柵極），而Binary Mask用于非關(guān)鍵層（如金屬連線）。此外，隨著計(jì)算光刻（Computational Lithography）的發(fā)展，基于PSM的逆光刻技術(shù)（ILT）能夠優(yōu)化掩模設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升成像質(zhì)量。
五、總結(jié)與展望
Binary Mask和Phase Shift Mask代表了光刻掩模技術(shù)的不同發(fā)展階段。前者以簡(jiǎn)單可靠著稱，而后者通過相位調(diào)制突破了物理極限，成為先進(jìn)制程的必備技術(shù)。未來，隨著芯片微縮進(jìn)入埃米時(shí)代（如Intel 20A制程），PSM將與EUV光刻、自對(duì)準(zhǔn)多重圖案化（SAQP）等技術(shù)深度融合。與此同時(shí)，新型掩模技術(shù)（如電子束直寫掩模、可編程掩模）的興起，也可能重新定義光刻領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)格局。
The END歡迎大家交流，每日?qǐng)?jiān)持分享芯片制造干貨，您的關(guān)注+點(diǎn)贊+在看 是我持續(xù)創(chuàng)作高質(zhì)量文章的動(dòng)力，謝謝！
