交替式相移掩膜技术详解

图3-24 交替式相移掩膜的工作原理

（在交替式相移掩膜上的透光部分，部分区域石英呈凹陷状，另一部分区域没有凹陷。凹陷是对掩膜版石英衬底采用反应离子刻蚀方法形成的，一般接着还有一次湿法刻蚀。凹陷的刻蚀深度正好使穿透凹陷

交替式相移掩膜，有时也称作Levenson相移掩膜或硬相移掩膜，也许是最有效的一种分辨率增强技术^[23，24]。毫不奇怪的是，无论是从掩膜/工艺的角度看，还是考虑到它们对物理版图的严重影响，它们也是实际使用中难度最大的分辨率增强技术。顾名思义，相移掩膜（Phase-Shift Mask，PSM）这个名称就预示着在该技术中利用了光波的相位特性。考虑图3-24所描述的情况，与穿过铬膜左侧的光线来比，假定铬膜右侧掩膜的透明部分引入了180°的相移，则对位于这两个不同相位之间中间位置的图像，由于左侧和右侧光线传播的距离相同，但域之间发生了相消干涉，如图中下方所示，导致了铬膜上两个透光区域之间位置处的光强为零。应该注意的是，对暗区的产生，并不需要在两个相位区之间有一条覆盖铬膜的线条：在品圆上相位不同的两个区域边界处将会形成光刻胶线条。对节距为p的设计，产生的衍射图形的间距为1/p。但是，由于相消干涉，使偶数衍射级次被抵消了。更应该注意的是，不存在零级衍射。这样，不使用环形照明，交替式掩膜也可以实现双光束干涉的情况）区域的光线相对于无凹陷区域确的相移。这样，对于对称情况，在发生相移和未发生相移的透光区是它们彼此之间有108°的相移，这两束光线的相消干涉就在两个透明区域图像的中心位置形成了一条全暗线。没有其他方式可以在两条间距如此小的线条之间形成暗区。在两个相位相反的区域之间产生暗线是一种干涉现象，即使去除掉铬膜上位于两个相位相反区域之间的线条，暗线还是会出现，这种情况称作相位边缘成像（phase edge imaging）。这种情况下，线条宽度完全由数值孔径、光强和选择的照明模式唯一决定。对交替式相移掩膜生成的衍射图形的分析，可以更进一步地了解工艺窗口的拓展机制。基于后面详细分析的原因，假定使用的照明模式是低σ常规照明。在使用简单的玻璃铬掩膜版时，产生的衍射级次之间的间距是（1/节距）的整数倍。然而，对于交替式PSM，偶数衍射级次以及特别重要的零级衍射消失了。零级光束消失的原因很简单，因为中心图形左侧和右侧产生相移的透光线条宽度相等，而透过的光线相位相反，因此它们的光强相互抵消。这样，在仅有一级衍射穿过透镜的分辨率极限情况下，有两束干涉光，它们具有两个衍射级次并且距光轴的距离相等。前面曾经说明，在这种情况下，实现了较大的聚焦深度。与使用环形照明实现两束干涉光相比，交替式相移掩膜还具有其他优点。例如，提高衍射级次对称性的聚焦深度与节距无关，并且通过+1和-1衍射级次的干涉实现的最大调制远大于环形照明情况下的零级和其他级（如+1级次）的干涉。

交替式相移方式可以分成两类，即明场相移方式和暗场相移方式，如图3-25所示。如果采用暗场方式，则在设计线条的两侧放置宽度一定的两个移相线条。如果采用亮场方式，则在0°的透光背景中放置一个180°移相器线条。无论采用那种方法，采用移相版图均会新生成原来版图设计中所没有的图形。如果采用的是暗场方法，新生成的环形线条图形标示着0°-180°的相位转换位置。如果采用的是亮场方法，将会在设计线条的四周新出现一大片有待移除的光刻胶。这两种情况下，需要额外增加一次曝光以最终得到要求的设计图形。这个掩膜被称作修剪掩膜或屏蔽掩膜，因为它修剪掉了不要的图形，而保留了要求的图形。

采用交替式相移方式需要对光刻工艺几乎所有的元素进行调整，要求新的掩膜制造、检查和修复能力。必须对曝光设备进行调整以有效适应双倍的曝光工作量。也需要能够针对已有的版图对要求的移相以及修剪掩膜图形进行综合编码，并能够考虑两次曝光编制光学邻近软件。最后，版图本身必须能够采用相移，这点将在3.4节分析。

使用交替式相移掩膜，需要进行两次曝光，将使曝光设备的生产效率严重下降。为了使这一问题减至最小，晶圆首先使用相位掩膜进行曝光，并在完成第一次曝光后晶圆仍然留在曝光台上。然后取下相位掩膜，换上修剪掩膜，转换曝光灯设置，采用第二块掩膜版对晶圆曝光后，将晶圆从曝光设备中卸载。为了减少掩膜版变换的次数，将下一片晶圆放到曝光台上后，先采用上一次晶圆曝光过程中的使用第二块掩膜进行曝光。即使如此，为了方便掩膜的更换，使延迟最小，曝光设备的调整也是必须的。完成掩膜更换的机械部分必须能处理大量的更换而没有过多的磨损，掩膜版的对准和交换必须相当快，并且照明的变化也必须具有同样的速率。(www.xing528.com)

图3-25 明场和暗场相移方式

（以一个简单的设计为例，图中显示了相移掩膜上的图形和使用正型光刻胶成像时光刻胶层上形式的相移掩膜图像。在明场掩膜方式下，应该注意，光刻胶层在相移线条图形的四周还新生成了环形线条图形，而光刻胶层上的这些环形线条图形是必须要去除的。同样，对于暗场相移掩膜方式，光刻胶层上新生成的较大区域图形也必须被去除。为此采用一个修剪（屏蔽）掩膜进行二次曝光以去除光刻胶层上这些不需要的图形。采用修剪掩膜可以去除不需要的光刻胶图形而保留了要求的图形。）

比曝光设备调整更重要的是按照相移掩膜的要求改变数据编码方法。要求能够实现相位掩膜的编码方法。如后面将要指出的，除了可能的最简单版图外，只能采用试探的方法。在期望的相位不能唯一确定的情况下，相位冲突是常见的问题。软件必须能综合必需的修剪掩膜图形。修剪掩膜一般同时包含有非关键设计图形以及与关键图形相关联的修剪形状。最后，OPC算法需要具有仿真两次曝光的能力，主要是两次曝光光强的非相干叠加。因为涉及有两块掩膜，可以对两个掩膜或者其中的一个进行调整，因此必须有比现有的一般算法更复杂的算法。

最后，相移掩膜还要求调整掩膜的制造技术。掩膜的相移特性是通过刻蚀掩膜石英衬底中的部分石英决定的。在刻蚀石英之前，铬玻璃（COG）掩膜制造和交替式相移掩膜制造基本上是相同的：对覆盖光刻胶的无图形掩膜版进行曝光、去除需要被腐蚀掉铬膜的区域上的光刻胶、铬膜腐蚀、去胶、和掩膜清洗。在这之后，再次对交替式相移掩膜涂胶。紧跟着的曝光和显影步骤将去除掉需要进行一次附加的石英腐蚀以形成180°相移区域中的光刻胶。完成180°相移似乎只需要精确控制刻蚀深度，但是实际上实现这个要求并不是那么简单。考虑到透射过移相器位置石英窗口上的光线将形成衍射就可以体会到相移掩膜的光学复杂性。通过石英层的衍射光将被石英层下方的石英侧壁反射或被铬层阻挡。这个简单的情况表明，不仅对零级衍射而且对较大角度衍射的光线来说，实现180°相移都是一个相当复杂的问题。其中石英侧壁的形状扮演着十分重要的角色。实际上，能够解决这个问题的仿真需要考虑掩膜的全三维结构，这也是需要重新进行广泛研究的课题^[25]。