光罩（Mask）的系統性講解

老虎說芯|Tiger Chip|

2024-12-09 10:37:42 1020

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

1. 光罩的基本結構

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，而低熱膨脹系數確保其在加工和使用中形狀穩定，不會因溫度變化而發生變形。

遮光材料：鉻。鉻是一種高穩定性、耐腐蝕的金屬材料，鍍在石英表面形成遮光圖案。設計的電路圖形就是通過對鉻進行精確的圖形化處理實現的。

類比：可以將光罩比喻為印刷中的“印版”，石英就像一張優質的透明底紙，而鉻圖案是我們設計好的文字或圖案，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計的圖案精確地“刻”到鉻層上。這一過程需要經過多步工藝，核心步驟包括以下幾點：

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。此過程通常采用物理氣相沉積（PVD）技術，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。這層感光膠能夠對電子束產生敏感響應，是電子束曝光的關鍵材料。

2.3 曝光（電子束曝光）

采用電子束曝光機對光罩進行圖形化處理。電子束通過掃描的方式在感光膠上寫入設計的電路圖案。由于電子束的波長極短，可以實現納米級分辨率。

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

通過化學刻蝕或等離子刻蝕技術，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。最終，鉻圖案成為電路設計的真實體現。

2.6 清洗和檢驗

完成圖案刻蝕后，需要徹底清洗光罩以去除殘余物質，隨后進行嚴格的光學與電子顯微檢查，以確保圖案的尺寸、形狀和對準精度達到要求。

類比：可以將整個過程看作“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計圖案“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。其作用是將設計的電路圖案通過光刻機的光源轉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生化學變化，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計圖的4倍大小（放大比例為4:1），通過光刻機的投影系統，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. 光罩技術的挑戰與優化

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

4.1 光學鄰近修正（OPC）

由于光的衍射效應，光罩上的某些圖案可能在晶圓上轉移時發生形狀偏差。OPC技術通過對光罩圖案進行精確調整（如添加輔助圖形），補償可能的衍射誤差。

比喻：就像在畫畫時考慮光影效果提前調整顏色濃淡，以確保最終作品更接近真實。

4.2 相移光罩（Phase-Shift Mask, PSM）

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

4.3 EUV光罩的特殊性

EUV（極紫外光，13.5nm）光刻機是先進制程的關鍵，但EUV光源的高能量對光罩材料提出了更嚴苛的要求。傳統的石英基底和鉻圖案已經無法滿足需求，需使用多層膜和更復雜的反射結構。

4.4 防塵與保護：Pellicle的應用

由于光罩極其敏感，任何灰塵或顆粒都會影響最終芯片的圖案質量。為此，光罩表面覆蓋一層透明保護膜（Pellicle），即便有灰塵落在保護膜上，也不會影響實際的曝光效果，因為灰塵并未處于焦平面。

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

5. 光罩制造對產業的意義

光罩的制造是集成電路產業鏈中不可或缺的一環。其復雜性和精度要求極高，直接關系到芯片生產的成敗。然而，目前全球高端光罩制造設備和材料嚴重依賴少數*和企業，中國在這一領域仍存在明顯的短板。

5.1 技術壁壘

設備：先進電子束曝光機由國際巨頭壟斷，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口。

經驗積累：光罩的設計和制造需要豐富的工藝經驗和長期的技術研發。

5.2 自主研發的重要性

國產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、設備，還是工藝技術方面，都需要投入大量資源進行研發。

總結。光罩是連接芯片設計與制造的橋梁，其精度和質量直接決定了芯片的性能與良率。同時，隨著先進制程節點的推進，光罩的技術門檻和復雜性不斷提高，對材料、設備、工藝等提出了全新的挑戰。

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