掩模製作技術

掩模製作技術，半導體工藝技術中製作光刻工藝用的光複印掩蔽模版的技術，亦稱製版技術。

製版技術

掩模製作技術是半導體工藝技術中製作光刻工藝用的光複印掩蔽模版的技術，亦稱製版技術。

光掩模版

半導體積體電路製作過程通常需要經過多次光刻工藝，在半導體晶體表面的介質層上開鑿各種摻雜視窗、電極接觸孔或在導電層上刻蝕金屬互連圖形。光刻工藝需要一整套（幾塊多至十幾塊）相互間能精確套準的、具有特定幾何圖形的光複印掩蔽模版，簡稱光掩模版。

光掩模版是光刻工藝中複印光致抗蝕掩蔽層的“印相底片”。隨著大規模積體電路工藝技術的迅速發展，對光掩模版的質量，包括各種掩模精度、缺陷密度和掩模版的耐用性能等都提出了極高的要求。以64千位MOS存儲器光掩模版為例,每個晶片單元有效面積 0.22～0.28厘米2內含約15萬個元件、器件；最細的線寬約2～3微米;套刻精度約±0.5～±1微米;掩模版的分步重複精度、定位精度等都必須控制在±0.1～±0.25微米範圍以內。

此外，光掩模版的隨機缺陷密度對晶片成品率的影響，將滿足博塞-愛因斯坦分布,即晶片成品率隨著單元有效面積的增大或隨機缺陷密度的增大而按負指數關係急劇下降。據推算，若要達到95%以上的成品率，掩模版的缺陷密度必須控制在每平方厘米0.175 個以下。如果缺陷密度增大到每平方厘米1.25個，則成品率因缺陷的直接影響會下降到65%以下。因此，光掩模版質量的優劣直接影響光刻工藝的質量，從而影響半導體器件或積體電路的電學性能、可靠性和晶片成品率。

技術系統

光掩模製作技術大體上可分為傳統的刻圖縮微製版技術系統、計算機輔助設計、光學圖形發生器自動製版技術系統和以電子束掃描成像為代表的各種短波長射線成像曝光技術系統。

刻圖縮微製版技術系統

最初是從印刷工業中的印刷製版技術移植到微電子工藝技術中來的。製作一套光掩模版需要經過複雜的過程。首先需要根據半導體器件或積體電路電學參數的要求、工藝條件和精度的要求確定適當的放大倍率來繪製掩模原圖。然後利用縮微照相技術或圖形發生系統製作掩模原版，亦稱中間掩模版。為了能在同一個矽片上同時製作多個電路晶片而且又便於切割成單個晶片，中間掩模版的圖形還要用具有分步重複功能的精密縮小照相機進一步縮小到實際晶片尺寸。同時，讓同一圖形在縱橫兩個方向按一定的間距重複曝光，製成含有晶片圖形陣列的母掩模版。最後複印出供給生產上光刻工藝使用的工作掩模版。

計算機輔助設計光學圖形發生器自動製版技術系統　

隨著半導體器件、積體電路、大規模積體電路製作技術的發展，晶片集成度越來越高,電路圖形越來越複雜,加工尺寸越來越精細，遂研製成功計算機輔助製版系統和由它控制的自動製圖機、光學圖形發生器等高精度自動製版設備，以及雷射圖形發生器、電子束圖形發生器等新的製版設備，形成了半導體工藝技術中所特有的高精度光掩模製作技術體系。尤其是電子束圖形發生器，具有很高的解析度和高速掃描成像系統，不但可用於製作中間掩模版，而且還能取代分步重複設備直接製作出含有晶片陣列圖形的母掩模版或工作掩模版。然後，再利用各種光刻設備把光掩模圖形轉移到矽片表面的光致抗蝕層上。這種技術在大規模和超大規模積體電路製作工藝中起著越來越重要的作用。到80年代初，採用這些技術已製作出最細加工線寬為1.3～2.5微米的 256千位動態隨機存儲器晶片，這已接近光掩模加工技術和光掩模圖形轉移技術的極限。

短波長射線成像曝光技術系統

為保證大規模積體電路的晶片成品率，並進一步提高集成度（如最小加工尺寸達亞微米級的百萬位存儲器晶片），已採用電子束、離子束或 X射線等直接在矽片上掃描成像的加工新技術，取代傳統的光掩模圖形轉移技術。

材料製備

早期光掩模版材料使用印刷術中的濕版，後來又沿用普通照相術中的鹵化銀乳劑乾版（亦稱史羅甸乾版）。後漸採用具有極高解析度的超微粒乳膠乾版和具有良好耐磨性能的硬質鉻版，以及能掩蔽紫外光而在可見光下呈半透明特性的“彩色版”等掩模材料。這些掩模材料的襯底基片，都採用精選的高平整度製版玻璃。對於玻璃的缺陷密度、紫外光透過率和溫度膨脹係數等都有一定的要求。半導體工藝技術中所需的掩模材料如表。

版圖設計

根據半導體器件和積體電路電學功能和製造工藝的要求，按照積體電路版圖設計規則在方格坐標紙上把電路圖形化，設計並繪製出原始的布局布線總圖。但是，隨著集成度與電路複雜程度的不斷提高，靠人工設計版圖已十分困難，必須藉助計算機輔助設計進行版圖設計和自動布局布線。

中間掩模版製作

精縮分步重複照相或縮小分步重複投影光刻。首先根據設計原始總圖（視製版精度要求，通常總圖要比實際晶片尺寸約大100～1000倍）,利用刻圖機按照光刻不同層次將所需的圖形分別刻在若干張可剝離的聚酯紅膜片上,並揭去不需要的部分,即製成一套掩模原圖。然後，通過大型初縮機照相縮小成中間掩模版。通常，這種中間掩模版比實際晶片尺寸大10倍。隨著集成度的提高，人工製圖和刻圖已不能滿足要求，因而轉向計算機輔助製版技術。利用計算機輔助製版的軟體系統能實現計算機控制自動製版。由坐標數位化儀根據設計圖紙讀取坐標數據，也可以根據設計草圖所提供的數據，按照製版語言的規則書寫源程式。再經過製版軟體處理，編譯成自動製圖機、各種圖形發生器系統和顯示器等所能接受的數據格式，並製成數據帶。甚至還可完全依靠計算機，採用標準單元版圖資料庫與人機互動圖形編輯軟體，通過光筆顯示器進行布局布線，形成版圖數據帶；再由這些數據帶控制自動繪圖機、自動刻圖機和各種圖形發生系統，實現自動製版或自動掃描成像。

工作掩模版製作

工作掩模版是實際用於光刻工藝的光掩模版。通常是由中間掩模版經過精縮機進一步縮小到晶片實際尺寸的圖形。同時，進行分步重複製成含有晶片圖形陣列的母掩模版；再經過一次或多次掩模複印工序，最終製成用於生產的工作掩模版。有時，為了避免複印工序引進缺陷和使尺寸精度發生變化，而直接將母掩模版作為工作掩模版使用。此外，還採用一種精縮機圖形合成技術，利用拼接圖形辭彙庫的各種圖形辭彙直接按設計圖紙的要求，由精縮機進行圖形拼接，合成製作各種厘米級長度、微米級精度的大面積微細結構掩模版。也可以把整個版圖分割成若干區域，先製作區域掩模原版模組，再以精縮機拼接合成的方式，製作各種超過精縮機有效像場的大面積、高精度掩模版。隨著超大規模積體電路技術的發展，電路幾何圖形結構的加工尺寸接近微米或亞微米級，以往的光學光刻技術已難以適應,需要採用電子束曝光、X射線曝光等短波長曝光複印技術來提高加工精度。而這些短波長曝光專用掩模的製作，需要更複雜的複製工藝技術。

掩模檢測

光掩模版的質量是影響積體電路功能和晶片成品率的重要因素之一。為保證光掩模版的質量，必須進行嚴格的控制:①掩模缺陷密度的控制,包括各種隨機圖形缺陷和掩模清潔度的控制；②掩模版精度的控制，包括掩模對準定位精度、機械重複精度、圖形幾何尺寸精度、圖形坐標位置精度和套合精度等的控制；③圖形質量的控制，包括幾何圖形完整性、圖形邊緣清晰度、反差、光密度、均勻性的控制。在掩模版製作過程中，每道工序都需要採用人工或自動掩模檢測系統進行嚴格檢查、測量、修改和修補，以保證掩模版的質量。