掩模制作技术(卷名：电子学与计算机)
mask making technique
半导体工艺技术中制作光刻工艺用的光复印掩蔽模版的技术，亦称制版技术。
掩模制作 半导体集成电路制作过程通常需要经过多次光刻工艺，在半导体晶体表面的介质层上开凿各种掺杂窗口、电极接触孔或在导电层上刻蚀金属互连图形（见光刻技术）。光刻工艺需要一整套（几块多至十几块）相互间能精确套准的、具有特定几何图形的光复印掩蔽模版，简称光掩模版。光掩模版是光刻工艺中复印光致抗蚀掩蔽层的“印相底片”。随着大规模集成电路工艺技术的迅速发展，对光掩模版的质量，包括各种掩模精度、缺陷密度和掩模版的耐用性能等都提出了极高的要求。以64千位MOS存储器光掩模版为例，每个芯片单元有效面积 0.22～0.28厘米2内含约15万个元件、器件；最细的线宽约2～3微米;套刻精度约±0.5～±1微米;掩模版的分步重复精度、定位精度等都必须控制在±0.1～±0.25微米范围以内。此外，光掩模版的随机缺陷密度对芯片成品率的影响，将满足博塞-爱因斯坦分布，即芯片成品率随着单元有效面积的增大或随机缺陷密度的增大而按负指数关系急剧下降。据推算，若要达到95％以上的成品率，掩模版的缺陷密度必须控制在每平方厘米0.175 个以下。如果缺陷密度增大到每平方厘米1.25个，则成品率因缺陷的直接影响会下降到65％以下。因此，光掩模版质量的优劣直接影响光刻工艺的质量，从而影响半导体器件或集成电路的电学性能、可靠性和芯片成品率。光掩模制作技术大体上可分为传统的刻图缩微制版技术系统、计算机辅助设计、光学图形发生器自动制版技术系统和以电子束扫描成像为代表的各种短波长射线成像曝光技术系统。
①刻图缩微制版技术：最初是从印刷工业中的印刷制版技术移植到微电子工艺技术中来的。制作一套光掩模版需要经过复杂的过程。首先需要根据半导体器件或集成电路电学参数的要求、工艺条件和精度的要求确定适当的放大倍率来绘制掩模原图。然后利用缩微照相技术或图形发生系统制作掩模原版，亦称中间掩模版。为了能在同一个硅片上同时制作多个电路芯片而且又便于切割成单个芯片，中间掩模版的图形还要用具有分步重复功能的精密缩小照相机进一步缩小到实际芯片尺寸。同时，让同一图形在纵横两个方向按一定的间距重复曝光，制成含有芯片图形阵列的母掩模版。最后复印出供给生产上光刻工艺使用的工作掩模版。
②计算机辅助设计光学图形发生器制版技术系统：随着半导体器件、集成电路、大规模集成电路制作技术的发展，芯片集成度越来越高，电路图形越来越复杂，加工尺寸越来越精细，遂研制成功计算机辅助制版系统和由它控制的自动制图机、光学图形发生器等高精度自动制版设备，以及激光图形发生器、电子束图形发生器等新的制版设备，形成了半导体工艺技术中所特有的高精度光掩模制作技术体系。尤其是电子束图形发生器，具有很高的分辨率和高速扫描成像系统，不但可用于制作中间掩模版，而且还能取代分步重复设备直接制作出含有芯片阵列图形的母掩模版或工作掩模版。然后，再利用各种光刻设备把光掩模图形转移到硅片表面的光致抗蚀层上。这种技术在大规模和超大规模集成电路制作工艺中起着越来越重要的作用。到80年代初，采用这些技术已制作出最细加工线宽为1.3～2.5微米的 256千位动态随机存储器芯片，这已接近光掩模加工技术和光掩模图形转移技术的极限。
③短波长射线成像曝光技术系统：为保证大规模集成电路的芯片成品率，并进一步提高集成度（如最小加工尺寸达亚微米级的百万位存储器芯片），已采用电子束、离子束或 X射线等直接在硅片上扫描成像的加工新技术，取代传统的光掩模图形转移技术（见图）。
掩模材料制备 早期光掩模版材料使用印刷术中的湿版，后来又沿用普通照相术中的卤化银乳剂干版（亦称史罗甸干版）。后渐采用具有极高分辨率的超微粒乳胶干版和具有良好耐磨性能的硬质铬版，以及能掩蔽紫外光而在可见光下呈半透明特性的“彩色版”等掩模材料。这些掩模材料的衬底基片，都采用精选的高平整度制版玻璃。对于玻璃的缺陷密度、紫外光透过率和温度膨胀系数等都有一定的要求。半导体工艺技术中所需的掩模材料如表。
掩模版图设计 根据半导体器件和集成电路电学功能和制造工艺的要求，按照集成电路版图设计规则在方格坐标纸上把电路图形化，设计并绘制出原始的布局布线总图。但是，随着集成度与电路复杂程度的不断提高，靠人工设计版图已十分困难，必须借助计算机辅助设计进行版图设计和自动布局布线。
中间掩模版制作 精缩分步重复照相或缩小分步重复投影光刻。首先根据设计原始总图（视制版精度要求，通常总图要比实际芯片尺寸约大100～1000倍），利用刻图机按照光刻不同层次将所需的图形分别刻在若干张可剥离的聚酯红膜片上，并揭去不需要的部分，即制成一套掩模原图。然后，通过大型初缩机照相缩小成中间掩模版。通常，这种中间掩模版比实际芯片尺寸大10倍。随着集成度的提高，人工制图和刻图已不能满足要求，因而转向计算机辅助制版技术。利用计算机辅助制版的软件系统能实现计算机控制自动制版。由坐标数字化仪根据设计图纸读取坐标数据，也可以根据设计草图所提供的数据，按照制版语言的规则书写源程序。再经过制版软件处理，编译成自动制图机、各种图形发生器系统和显示器等所能接受的数据格式，并制成数据带。甚至还可完全依靠计算机，采用标准单元版图数据库与人机交互图形编辑软件，通过光笔显示器进行布局布线，形成版图数据带；再由这些数据带控制自动绘图机、自动刻图机和各种图形发生系统，实现自动制版或自动扫描成像。
工作掩模版制作 工作掩模版是实际用于光刻工艺的光掩模版。通常是由中间掩模版经过精缩机进一步缩小到芯片实际尺寸的图形。同时，进行分步重复制成含有芯片图形阵列的母掩模版；再经过一次或多次掩模复印工序，最终制成用于生产的工作掩模版。有时，为了避免复印工序引进缺陷和使尺寸精度发生变化，而直接将母掩模版作为工作掩模版使用。此外，还采用一种精缩机图形合成技术，利用拼接图形词汇库的各种图形词汇直接按设计图纸的要求，由精缩机进行图形拼接，合成制作各种厘米级长度、微米级精度的大面积微细结构掩模版。也可以把整个版图分割成若干区域，先制作区域掩模原版模块，再以精缩机拼接合成的方式，制作各种超过精缩机有效像场的大面积、高精度掩模版。随着超大规模集成电路技术的发展，电路几何图形结构的加工尺寸接近微米或亚微米级，以往的光学光刻技术已难以适应，需要采用电子束曝光、X射线曝光等短波长曝光复印技术来提高加工精度。而这些短波长曝光专用掩模的制作，需要更复杂的复制工艺技术。
掩模检测 光掩模版的质量是影响集成电路功能和芯片成品率的重要因素之一。为保证光掩模版的质量，必须进行严格的控制:①掩模缺陷密度的控制，包括各种随机图形缺陷和掩模清洁度的控制；②掩模版精度的控制，包括掩模对准定位精度、机械重复精度、图形几何尺寸精度、图形坐标位置精度和套合精度等的控制；③图形质量的控制，包括几何图形完整性、图形边缘清晰度、反差、光密度、均匀性的控制。在掩模版制作过程中，每道工序都需要采用人工或自动掩模检测系统进行严格检查、测量、修改和修补，以保证掩模版的质量。
参考书目
洪先龙等编著：《大规模集成电路计算机辅助制版软件系统》，国防工业出版社，北京，1981。
乔冠儒编：《半导体工艺化学原理》，江苏科学技术出版社，南京，1979。
厦门大学物理系半导体物理教研室编：《半导体器件工艺原理》，人民教育出版社，北京，1977。