芯耀
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在半導體光刻技術中，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，將電路圖案轉移到硅片上。隨著芯片制程不斷微縮至納米級，掩模技術也在持續(xù)演進。其中，Binary Mask（二元掩模）和Phase Shift Mask（相移掩模，PSM）是兩類關鍵的光掩模技術。本文中介紹兩者在結構、成像原理和應用場景上存在顯著差異。
先聊聊光刻機曝光光源，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20片（100mm硅片）發(fā)展到每小時100 片（300mm硅片）， 為了延展光學光刻的生命周期， 掩模制造技術也采用OPC（光學鄰近校正）和PSM （相移技術），以滿足在集成電路制造中光學光刻對掩模的要求，并能實現(xiàn)圖形在圓片上的再現(xiàn)和批量生產(chǎn)。
一、Binary Mask：傳統(tǒng)光刻的基礎工具
1. 結構與原理
Binary Mask是最早應用于光刻技術的掩模類型，其結構相對簡單。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），形成高對比度的光強分布。
2. 成像特點
Binary Mask的成像依賴于光的衍射效應。當光線通過掩模開口時，由于波長的限制，在光刻膠表面會形成一定程度的衍射模糊（Airy斑），導致圖案邊緣分辨率下降。隨著特征尺寸接近光波長（例如使用193nm ArF光源的深紫外光刻），這種衍射效應會顯著限制最小可分辨線寬，進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. 核心設計思想
相移掩模技術是IBM公司研究實驗室Marc D. ?LevenSon 等人于1982年提出來的一種新型掩模技術。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）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分布，實現(xiàn)了同一光學系統(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. 結構與類型
PSM在結構上比Binary Mask復雜。除了遮光層外，部分透明區(qū)域被設計為相移層（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）：相鄰透光區(qū)域相位相反，通過相消干涉增強對比度。
衰減型PSM（Att-PSM）：部分透光區(qū)域兼具相位調制和光強衰減功能，適用于更復雜的圖形。
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
通過相位調制，PSM能夠在光刻膠表面生成更陡峭的光強分布。例如，在交替型PSM中，相鄰區(qū)域的180度相位差會導致光波相互抵消，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（如存儲器的重復線條結構）時具有顯著優(yōu)勢。
PSM mask制造流程:
相移掩模（PSM）技術是在一層版上生長兩種材料涂上膠，第一次曝光后對第一層材料進行顯影、 腐蝕、檢驗、清洗后再涂膠進行第二次曝光，然后對第二層材料進行顯影、腐蝕、檢驗、清洗。
三、Binary Mask與PSM的核心差異
| 對比維度 | Binary Mask | Phase Shift Mask |
|---|---|---|
| 結構復雜度 | 簡單（僅透光/不透光） | 復雜（需相位調制層） |
| 成像機制 | 依賴光強對比度 | 利用相位干涉增強分辨率 |
| 最小分辨率 | 受限于波長與數(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） |
| 適用場景 | 常規(guī)線寬（≥90nm節(jié)點） | 先進制程（≤55nm節(jié)點及以下） |
| 設計自由度 | 高（適用于任意圖案） | 受限（需滿足相位交替等約束） |
四、技術挑戰(zhàn)與應用場景
1. Binary Mask的局限性
在28nm及以上制程中，Binary Mask憑借低成本和高設計靈活性仍被廣泛使用。然而，當線寬逼近光波長時，其分辨率不足的問題凸顯，需通過多重曝光（Multi-Patterning）補償，但會增加工藝復雜性和成本。
2. PSM的技術突破
PSM在10nm以下先進制程中成為關鍵技術。例如，在EUV光刻（極紫外光，13.5nm波長）中，PSM與分辨率增強技術（RET）結合，可進一步推動摩爾定律的延續(xù)。但PSM的制造需要精確控制相位誤差（通常要求±5度以內），且設計規(guī)則復雜，導致掩模成本高達數(shù)百萬美元。
3. 混合應用趨勢
在實際生產(chǎn)中，Binary Mask與PSM常結合使用：PSM用于關鍵層（如晶體管柵極），而Binary Mask用于非關鍵層（如金屬連線）。此外，隨著計算光刻（Computational Lithography）的發(fā)展，基于PSM的逆光刻技術（ILT）能夠優(yōu)化掩模設計，進一步提升成像質量。
五、總結與展望
Binary Mask和Phase Shift Mask代表了光刻掩模技術的不同發(fā)展階段。前者以簡單可靠著稱，而后者通過相位調制突破了物理極限，成為先進制程的必備技術。未來，隨著芯片微縮進入埃米時代（如Intel 20A制程），PSM將與EUV光刻、自對準多重圖案化（SAQP）等技術深度融合。與此同時，新型掩模技術（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域的競爭格局。
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