skip to main content

光掩膜

光掩模包含集成电路图形。随着晶体管越来越小,光掩模也越来越复杂,以确保将图形精确转印到硅晶圆上。相应地,光掩模的制作过程日趋先进,即便光掩模存在细微的缺陷,也可能影响硅器件的性能。确保光掩模图形准确且无缺陷至关重要,对高收益芯片更是如此。

 光掩模 采用熔融石英(石英)板材料,通常为 6 英寸 (~152mm) 见方,上面覆盖由不透明、透明和相移区域组成的图形。在光刻工艺中,图形被投射到晶圆上,以形成一层集成电路的布局。光掩模的大小与晶圆大小无关,在曝光 300mm 或 200mm 晶圆的光刻 工具中通常使用 6 英寸的光掩模。

在晶圆制造厂,光掩模装载到光刻工具后,让光线穿过光掩模,以将图形投射到晶圆表面上。在后续的图形化步骤(点击 此处 可详细了解图形化)中,这些图形用于引导在晶圆上沉积或去除材料。对于器件的每一层,在光掩模图形未覆盖的区域沉积或去除材料,每个连续层使用不同的光掩膜。在整个芯片制造过程中,这些图形化工艺在硅晶圆上会进行多次,以生成多层电路,并将数以亿计的晶体管互联。

图形化工艺中使用的光掩模主要有以下几种类型:

  • 二元光掩模 – 将电路设计图形化到光吸收薄膜中(如铬 (Cr))的光掩模。 在晶圆光刻工具中使用时,通过光掩模传输的光图形在硅晶圆的 光刻胶 薄膜上成像。

  • 相移掩模 (PSM) – 与二元掩模类似,但光掩膜上有可传递小部分光且能改变光相位的吸收薄膜(如硅化钼)。这增加了光掩模的复杂性,但也改善了晶圆光刻的工艺窗口。

制造光掩模是半导体制造过程的第一个环节,芯片设计实际上是在这个实体物件上完成的。以下步骤总结了光掩模制造过程,注明了哪些步骤由坯件制造商完成,哪些步骤由掩模制作商完成。

由坯件制造商完成

  1. 制作石英基片。先进光掩模的坯件基片通常为 6 英寸见方、0.25 英寸厚。它由纯熔融石英制成,通常简称为石英。基片的表面必须极其平坦且无缺陷。  

  2. 沉积吸收层。基片上有一薄层吸收剂,在晶圆光刻工具中可阻挡曝光光线透过。对于二元光掩模,铬是最常用的吸收剂。对于 PSM(相移掩膜),会使用特殊的转移材料(如硅化钼)作为吸收剂,然后在其上涂覆由铬制成的图形转印薄膜。 

由坯件制造商完成

或由掩模制作商完成

  1. 光刻胶沉积层。在吸收层之上有一薄层供掩模写入机(如 ALTA®)曝光的光刻胶。对于二元光掩模,由坯件制造商或掩模制作商涂布光刻胶。对于 PSM 的第二层,掩模制作商在完成第一层掩模工艺后涂布光刻胶。

由掩模制作商完成

  1. 写入。涂好薄膜的坯件以及电路图形数据被装载到掩模写入机中。掩模写入机使用激光束或电子束将图形数据曝光到光刻胶上。 

  2. 烘焙。以严格的控制方式烘焙曝光后的光刻胶,使整个光刻胶层上的每个点的烘焙温度高度均匀,并准确控制曝光时长。

  3. 显影。为形成所需图形,使用水基显影液对光刻胶中的图像进行显影,然后将显影液冲洗掉并干燥,确保没有任何残留物。光刻胶图形在刻蚀过程中充当掩模,因此显影步骤至关重要,显影有任何不均匀都会造成最终图形尺寸的不均匀。

  4. 刻蚀。经过显影的光掩模随后被装载到刻蚀工具中,利用等离子精确刻蚀掉通过写入和显影步骤所显露出的吸收材料。通过干燥过程,在光掩模表面的最终图形中可形成非常直的侧壁。 

  5. 剥除和清洗。经过刻蚀的光掩模随后被载入清洗工具中,通过等离子体(干法)或化学溶剂(湿法)剥除光刻胶。然后,通过几个清洗步骤来去除光掩膜上的任何残余材料或微粒。

  6. 测量。为验证特征的均匀性和位置,需要对 关键尺寸 (CD) 和图形位置精度进行测量,以确保满足客户的规格要求。

  7. 检测。为验证图形精度,将光掩模装载到检测工具中。如果发现缺陷,则对缺陷分类,光掩模可能需要进行修复。根据工艺流程要求,光掩膜在装箱运往晶圆制造厂前,可能还要进行最终的清洗和检测。  

在整个光掩模显影过程中,对清洁度的要求非常严格,因为光掩膜上的图形将被复制数千次。任何微粒或缺陷都可能会毁掉或损坏印刷芯片。此外,烘焙、显影或刻蚀过程中有任何不均匀,都会造成光掩模图形尺寸变化,最终影响芯片性能。 

应用材料公司的技术实力

从激光写入和光刻胶处理,到 CD 一致性和检测,凭借三十年的光掩模生产工艺经验,我们的光掩模、光学器件和系统设计专家可帮助您:

  • 设计和整合高度复杂的工艺设备

  • 了解工具性能如何影响质量和良率

  • 掌握在生产环境中优化系统性能所需的知识

随着我们现有产品的需求增加,当前产品线的扩张,光掩模成为应用材料公司不断增长的业务领域。受同样因素影响,一方面 200mm 设备销量回升,另一方面对大容量应用(如手机、汽车和物联网)的光掩模制造能力有更大的需求。此外,先进技术节点应用中越来越多使用 PSM 光掩模图形化技术,ALTA 掩模写入机尤其适合这类应用。

为满足这一增长的需求,应用材料公司为光掩模制造流程的大部分环节提供解决方案:

  • 写入 – ALTA® 4700 Plus 掩模写入机
    可经济高效地完成二元掩模和相移掩模 (PSM) 的图形化

  • 涂胶 – 应用材料公司的 Sigmameltec™ CTS 掩模涂胶系列设备
    可生成具有可重复特性与超低缺陷水平的高品质光刻胶层

  • 清洗 – 应用材料公司的 Sigmameltec™ MRC 掩模清洗系列设备
    可满足 193i 与极紫外光 (EUV) 掩模独特的光刻胶剥除与清洗要求

  • 烘焙 – 应用材料公司的 Sigmameltec™ SFB 掩模烘焙系列设备
    可在掩模上的每个点实现可重复的热曝光,不仅考虑稳定状态的温度均匀性,还考虑整个掩模的温度-时间曲线的一致性

  • 显影 – 应用材料公司的 Sigmameltec™ SFD 掩模显影系列设备
    可将曝光后的光掩模图形精确转印到光刻胶形貌上

  • 刻蚀 – Centura® Tetra™ EUV 先进倍缩光掩模刻蚀与 Tetra™ Z 光掩模刻蚀系列产品
    能够刻蚀极紫外光 (EUV) 掩模及用于 10nm 及以下逻辑与存储器件的光刻光掩模所使用的新材料和复杂薄膜叠层

  • 测量 – Holon CD-SEM 掩模与 DR-SEM 缺陷检查设备
    可提供准确、锐利的图像(包括对绝缘基片),并符合 10nm 掩模生产与 7nm 掩模显影所要求的 CD 测量可重复性

  • 检测 – Aera4™ 掩模检测
    掩膜检测灵敏度极高,可满足双重和四重图形化光刻技术的检测要求

 

写入

应用材料公司的 ALTA 掩模写入机长期以来一直是在 PSM 上写入对准层的公认行业标准。消费类器件(包括用于汽车、移动设备、传感器和物联网的芯片)使用的大多数二元光掩模也可用 ALTA 写入。它是市面上唯一的深紫外线 (DUV) 激光写入机,能够以高良率实现快速生产。ALTA 通过激光曝光,不需要导电的外涂层,从而降低了工艺复杂度,并提高了良率。

光刻胶处理与清洗

应用材料公司的全系列 Sigmameltec 掩模光刻胶处理与清洗产品用于前沿光掩模生产,可满足特征尺寸控制以及成熟光掩模市场(周期时间与拥有成本是关键因素)的严苛要求。Sigmameltec 工具采用模块化设计,有多种工艺模块和材料可选,轻松适应客户的要求。

缺陷检查与测量

2016 年,应用材料公司成为 Holon 的 CD-SEM 掩模与 DR-SEM 缺陷检查产品在北美与欧洲的独家经销商。Holon 最新的 CD-SEM 工具可提供准确、锐利的图像(包括对绝缘基片),并符合 10nm 掩模生产与 7nm 掩模显影所要求的 CD 测量可重复性。

刻蚀

我们的光掩模产品组合还包括用于制作光学掩模和 EUV 掩模的 Centura Tetra 干法刻蚀系统。Tetra Z 系统性能一流,可满足逻辑与存储器件的光刻光掩模的刻蚀需求,其无与伦比的 CD 性能,将浸没式光刻的应用扩展到四重图形化领域。Tetra EUV 系统能够刻蚀 EUV 光掩模使用的新材料与复杂薄膜叠层,在反射模式下运行时,可满足实现高光刻良率所需的严格图形精度、表面光洁度与缺陷规格要求。

检测

Aera4 掩模检测系统即可用于标准高分辨率应用,也可用于空间检测,因而成为使用光刻技术的 1x nm 技术节点以及早期生产阶段的 EUV 掩模检测的首选工具。该系统的掩膜检测灵敏度极高,可满足双重和四重图形化光刻技术的要求,同时保持极低的误报率。