掩模版介绍

在光刻设备中，人们通过掩模版将设计好的图形转移到衬底上。作为光刻复制图形的基准和蓝本，掩模版是连接工业设计和工艺制造的关键，其精度和质量水平会直接影响下游制品的良率。

掩模版的分类见图1。

二元掩模又称双极性掩膜，是一种传统的光刻掩膜，它主要由透明基板（如石英）和不透明遮光层（如铬）组成。光刻过程中，紫外光（UV）透过透明区域照射到光刻胶上，引发光刻胶发生光化学反应，而被遮光层覆盖的区域则阻挡了光线，使得该区域的光刻胶不发生反应。

移相掩模除了透光和不透光区域外，还存在能使透过的光相位发生变化的相移材料区域。移相掩模同时利用光强和相位来成像，克服了二元掩模在高分辨率光刻中的局限性。通常，人们会设计相邻透光区域的光波之间产生一定的相位差，当光通过这些区域照射到光刻胶上时，由于光的干涉作用（发生相消干涉，从而减小暗场的光强，增大亮区的光强），可以有效地抑制光的衍射，进而提高局域光强差，即成像对比度，改善分辨率。

EUV光刻采用极紫外光作为曝光光源，这种极短波长的光能够实现更高的光刻分辨率。但是，极紫外光在通过任何材料时都会被强烈吸收，所以没有合适的透明材料能够有效地传输EUV光。因此，传统的投射式掩模并不能应用于EUV光刻工艺中。现有的反射式掩模版一般包括衬底、位于衬底上的多层反射层以及位于多层反射层上的吸收层，利用布拉格反射原理反射EUV光。多层反射膜用于高效地反射极紫外光，顶部图案化的吸收层定义了掩模版图形。

图2是EUV掩模的结构组成示意图。抗反射涂层的作用是减少掩模版表面反射，提高光吸收效率；吸收层是光刻图案的实际形成层，一般吸收层材料为Ta、TaN、TaBN 等。钌覆盖层(Ru capping)的作用是保护多层膜结构，防止其氧化和损坏。钼/硅多层反射镜即在 LTEM基板顶部沉积了40-50层交替的硅和钼层，作为布拉格反射层，可最大限度地反射 13.5 nm 波长的EUV光。低热膨胀材料是掩模基板材料，其热稳定性高，在温度剧烈变化时尺寸变化极小。导电背面涂层通常由氮化铬组成，以减少静电积聚。  根据布拉格反射原理，当光在钼和硅这两种具有不同折射率的材料层中传播时，在特定条件下会发生相长干涉，从而实现高效的反射。钼和硅的交替层结构能够满足 EUV 光的反射要求，将携带电路图案信息的EUV光反射出去。反射出去的EUV光携带着掩模上的图案信息，通过光刻机的光学系统，将图案成像到涂有光刻胶的晶圆上，实现了电路图案从掩模到晶圆的转移。

灰度掩模通过对局部透光率连续调制从而实现光刻胶三维微结构的加工。其核心原理是利用半透明材料(如 CrO, 薄膜或亚波长光栅)形成5%~95%透光率梯度，结合光刻胶的剂量响应特性，仅通过单次曝光，就能够制造出微透镜、斜坡沟槽等复杂形貌(精度可达±50 nm)。相较于传统二元掩模，灰度掩模避免了多步套刻的复杂度，在微光学（如手机摄像头透镜）、MEMS 传感器（悬臂梁结构）及生物芯片（微流道亲疏水调控）等领域展现出独特优势，但其透射率均匀性仅能达到±3%，且所使用材料的紫外稳定性欠佳，如CrOx容易出现氧化漂移的情况。

明场掩模版上大部分区域是透光的，在光刻过中，大部分区域的光可以透过掩模版照射至光刻胶层，而图案部分的光线则无法透过。

暗场掩模版与明场掩模版相反，其绝大多数区域是不透光的，只有图案区域是透光的。在曝光过程中，这些少量的透光区域能够让紫外光等曝光光源照射到光刻胶上，使被光照射的光刻胶发生化学变化，而其余大部分区域则保持未曝光状态。

掩模版的结构组成见图4。

基板作为核心载体分为树脂基板和玻璃基板两类，其中玻璃基板根据性能差异进一步分为石英基板和苏打基板。石英基板凭借优异的光学透过性、极低的热膨胀系数，以及高平整度和耐磨性，能够长期保持图形稳定性，因此成为高精度光刻工艺的首选材料。而苏打基板虽然也具备较高的透光能力，但其热膨胀效应更明显，表面平整度和耐用性相对较弱，通常用于对精度要求较低的中端或普通光刻场景。

遮光膜材料主要包括金属铬、硅、氧化铬、氧化铁、硅化钼等，遮光膜材料的选择主要取决于产品的图形精度、透过率、耐化学品性能等因素。其中，铬是最常用的遮光膜材料。根据不同层数，铬可以应用于接触曝光机用光掩模、LSI用光掩模、FPD用光掩模等领域。

基础掩模版很容易受环境污染，以投影光刻机为例，如果有颗粒落在图形区，曝光时会对局部光强产生很大干扰，影响曝光效果。如图5所示，落在图形侧的颗粒会在晶圆上产生阴影，进而可能在光刻胶上留下不应有的图形。

带有保护膜的掩模版，以铝合金做框架支撑保护膜。所有曝光区域都在保护膜的覆盖之下。保护膜的作用是防止灰尘掉落在掩模有图形的一侧。保护膜距离基板的距离约为6mm，与基板厚度相近，因此黏附在保护膜上的颗粒距离掩模图形区也大约在6mm。由于投影光刻机的聚焦深度远远小于6mm，所以附着在保护膜上的颗粒污染在曝光时只会在晶圆表面形成一个非常模糊的像，对局部光强的影响很小。如图6所示，颗粒的像不会在晶圆表面聚焦。

按照掩模版按照污染程度可以分为：轻度污染、中度污染、重度残胶污染。

轻度污染的光刻板的清洗流程为：先放入丙酮溶液中浸泡，溶解有机油污，接着用异丙醇清洗，防止丙酮清洗后残留水印，去离子水漂洗后用高纯N₂吹干，整个过程不宜超声，以免铬层脱落和划伤。

中度污染的光刻版采用RCA清洗，SC1、SC2溶液浸泡，大量去离子水清洗后N₂吹干。

重度胶残留的掩模版可以用SPM食人鱼洗液加热浸泡，但这种方法放热剧烈，不宜长时间浸泡，之后用去离子水漂洗，去除残留的硫酸。

本文从掩模版分类、结构组成以及清洗工艺三个维度对光刻掩膜版进行介绍。不同类型的掩模版适配差异化光刻场景，其多层薄膜结构是实现图形转移的基础；而规范可控的清洗工艺，能够去除颗粒、残胶等污染，同时保护铬层图形不受损伤。三者相辅相成，掩模版的质量能够保障掩膜的图形精度，降低缺陷，稳定微纳光刻、MEMS器件制备的工艺良率，为光刻工艺提供高质量的掩膜载体。

主要参考文章：

1.《简明光刻手册》 王云翔著 哈尔滨工程大学出版社