芯耀
1.7万
在半导体光刻技术中，光掩模（Photo mask）是芯片制造的核心工具之一，其作用类似于传统照相的底片，通过控制光线透射或阻挡，将电路图案转移到硅片上。随着芯片制程不断微缩至纳米级，掩模技术也在持续演进。其中，Binary Mask（二元掩模）和Phase Shift Mask（相移掩模，PSM）是两类关键的光掩模技术。本文中介绍两者在结构、成像原理和应用场景上存在显著差异。
先聊聊光刻机曝光光源，经历了436nm （G-line）、356nm（I-line）、248nm（KrF）和193nm（ArF） 的发展过程，分辨率从1μm发展到今天的65nm，其 产率从每小时20片（100mm硅片）发展到每小时100 片（300mm硅片）， 为了延展光学光刻的生命周期， 掩模制造技术也采用OPC（光学邻近校正）和PSM （相移技术），以满足在集成电路制造中光学光刻对掩模的要求，并能实现图形在圆片上的再现和批量生产。
一、Binary Mask：传统光刻的基础工具
1. 结构与原理
Binary Mask是最早应用于光刻技术的掩模类型，其结构相对简单。它由透明基板（通常为熔融石英）和不透光的遮光层（Cr膜）组成。遮光层通过蚀刻形成特定的电路图案，光线只能通过未被遮挡的区域照射到光刻胶上。其工作原理基于“二元性”：透光区域（允许光线通过）和不透光区域（完全阻挡光线），形成高对比度的光强分布。
2. 成像特点
Binary Mask的成像依赖于光的衍射效应。当光线通过掩模开口时，由于波长的限制，在光刻胶表面会形成一定程度的衍射模糊（Airy斑），导致图案边缘分辨率下降。随着特征尺寸接近光波长（例如使用193nm ArF光源的深紫外光刻），这种衍射效应会显著限制最小可分辨线宽，进而影响芯片的集成密度。
二、Phase Shift Mask：突破衍射极限的创新
1. 核心设计思想
相移掩模技术是IBM公司研究实验室Marc D. LevenSon 等人于1982年提出来的一种新型掩模技术。其基本原理是利用通过不带相移层区的光线和通过带相移层区（移相器、光线相位产生180°的移 动）光线之间因相位不同产生相消干涉，从而改变了空间的光强分布，实现了同一光学系统下的倍增分率的提高，提高的幅度近一倍。原理下图所示。
2. 结构与类型
PSM在结构上比Binary Mask复杂。除了遮光层外，部分透明区域被设计为相移层（例如蚀刻石英基板或覆盖相移材料）。常见的PSM类型包括：
交替型PSM（Alt-PSM）：相邻透光区域相位相反，通过相消干涉增强对比度。
衰减型PSM（Att-PSM）：部分透光区域兼具相位调制和光强衰减功能，适用于更复杂的图形。
无铬PSM（Chromeless PSM）：完全依赖相位差成像，无需遮光层。
3. 成像优势
通过相位调制，PSM能够在光刻胶表面生成更陡峭的光强分布。例如，在交替型PSM中，相邻区域的180度相位差会导致光波相互抵消，从而减少边缘模糊（如图1所示）。这一特性使PSM在制造高密度电路（如存储器的重复线条结构）时具有显著优势。
PSM mask制造流程:
相移掩模（PSM）技术是在一层版上生长两种材料涂上胶，第一次曝光后对第一层材料进行显影、 腐蚀、检验、清洗后再涂胶进行第二次曝光，然后对第二层材料进行显影、腐蚀、检验、清洗。
三、Binary Mask与PSM的核心差异
| 对比维度 | Binary Mask | Phase Shift Mask |
|---|---|---|
| 结构复杂度 | 简单（仅透光/不透光） | 复杂（需相位调制层） |
| 成像机制 | 依赖光强对比度 | 利用相位干涉增强分辨率 |
| 最小分辨率 | 受限于波长与数值孔径 | 可突破瑞利衍射极限 |
| 制造成本 | 低（工艺成熟） | 高（需精密相位控制与多次曝光） |
| 适用场景 | 常规线宽（≥90nm节点） | 先进制程（≤55nm节点及以下） |
| 设计自由度 | 高（适用于任意图案） | 受限（需满足相位交替等约束） |
四、技术挑战与应用场景
1. Binary Mask的局限性
在28nm及以上制程中，Binary Mask凭借低成本和高设计灵活性仍被广泛使用。然而，当线宽逼近光波长时，其分辨率不足的问题凸显，需通过多重曝光（Multi-Patterning）补偿，但会增加工艺复杂性和成本。
2. PSM的技术突破
PSM在10nm以下先进制程中成为关键技术。例如，在EUV光刻（极紫外光，13.5nm波长）中，PSM与分辨率增强技术（RET）结合，可进一步推动摩尔定律的延续。但PSM的制造需要精确控制相位误差（通常要求±5度以内），且设计规则复杂，导致掩模成本高达数百万美元。
3. 混合应用趋势
在实际生产中，Binary Mask与PSM常结合使用：PSM用于关键层（如晶体管栅极），而Binary Mask用于非关键层（如金属连线）。此外，随着计算光刻（Computational Lithography）的发展，基于PSM的逆光刻技术（ILT）能够优化掩模设计，进一步提升成像质量。
五、总结与展望
Binary Mask和Phase Shift Mask代表了光刻掩模技术的不同发展阶段。前者以简单可靠著称，而后者通过相位调制突破了物理极限，成为先进制程的必备技术。未来，随着芯片微缩进入埃米时代（如Intel 20A制程），PSM将与EUV光刻、自对准多重图案化（SAQP）等技术深度融合。与此同时，新型掩模技术（如电子束直写掩模、可编程掩模）的兴起，也可能重新定义光刻领域的竞争格局。
The END欢迎大家交流，每日坚持分享芯片制造干货，您的关注+点赞+在看 是我持续创作高质量文章的动力，谢谢！
