在半导体制造的世界中，光刻是永恒的焦点。从ASML的光刻机，到信越的光刻胶，一直是圈内人津津乐道的话题。随着各种崭新的AI应用以及汽车智能化的发展，芯片的种类和数量不断增加，晶圆厂的光刻机们都已经忙到冒烟了，与此同时对光罩的种类和数量的需求也呈现爆发式的增长。
在半导体工艺追随摩尔定律的脚步时，光罩本身也经历了脱胎换骨的变化。1:1光刻的时代，一块方方正正的铬板光罩同晶圆尺寸一样，变成了6寸和8寸。当倍缩投影光刻的时代到来，光罩的尺寸又从5寸变成了一块6英寸见方，0.25英寸厚薄的铬板光罩，也就是我们口中的6025光罩。
在这6025方寸之间的日新月异背后，也记录着半导体产业发展的波澜壮阔。
摩尔定律的见证者
一块光罩的背后，是半导体产业发展的缩影。从g line和i line时代(波长365nm)横平竖直和孔洞分明的图形，到KrF时代(波长248nm)的方块OPC图形，再到ArF时代(波长193nm)的SB(衍射条)和SRAF(亚分辨率辅助图形)，以及curvlinear mask(曲线光罩)，一切为了得到更完美的图形构建集成电路的超级都市！而到了EUV时代(波长13.5nm)，简洁的图形又回到了光罩上。一片光罩的由简到繁，再化繁为简，见证了光刻技术从浸润式到EUV的承前启后，记录了浸润式这位老兵在迈向5/7nm时艰苦卓绝的努力和工程师们迸发出的智慧火花！
Source: Handbook of Photomask Manufacturing Technology, Syed Rizvi, 2005, Chap.1
就如同上图所示，光罩制造同晶圆制造一样也有前道和后道之分，尽管相对简单，但光罩工艺也绝不固步自封。就像投影光刻机在缩短波长和扩大NA一样，光罩曝光的工艺也从激光直写发展到电子束直写，不断创新。在电子束时代，新的进化也未曾停歇，从高斯束，可变束发展到多电子束，在此期间光学巨人徕卡(没错，就是那个相机品牌徕卡Leica)也在不断的竞争中败下阵来，新时代的JEOL，NuFlare和IMS取而代之续写传奇。同为光罩制造前道的刻蚀工艺，也同晶圆制造一样，经历了从湿法到干法的路线。
在前道定位精度量测中，王者之器LMS iPro几经收购和易手，从当年的徕卡到Vistec，最终将接力棒交到了量测霸王KLA的手中。这条赛道上同样知名的选手是比徕卡更重量级的光学巨匠卡尔蔡司，目前是该类设备中唯一可以同KLA竞争玩家，顺带一提，半导体业界的第一台商用可变束电子束直写光刻机ZBA10也是卡尔蔡司的杰作！
后道工艺的角逐也一样如火如荼，KLA和NuFlare的检验机都随着图形尺寸的缩小导入了与原始设计对比和空间成像模拟的功能。在早期的光罩厂中尚占据一席之地的MueTec已经在前些年被中资公司收购，消失在滚滚的时代洪流中。
光罩修补的发展和迭代速度也是惊人的，短短30年跨越激光修补，聚焦离子束和电子束修补三代，仅仅在聚焦离子束技术的发展路径上，就经历了欧姆龙，精工工业，日立的技术迭代和收购，即使是赛默飞也只是这条路线上的匆匆过客，早已不问世事。激光修补尽管在分辨率和修复精度上早已落后，但是高产出和相对低廉的价格，依旧战火正酣，除了V-Techoloy和收购了RAVE的布鲁克Bruker，Planar作为半路杀出的程咬金，也不甘示弱！高处不胜寒，在最高精度的电子束修补的竞赛中，卡尔蔡司成为了唯一的玩家独占鳌头。
清洗工艺看似简单，但实则不然，传统的化学清洗液在进入45nm节点后无法有效进入光罩表面的三维结构中，充分清除沾污和颗粒物，所以无论是化学清洗液的配方还是清洗工艺的参数都需要进行大量调整。因此光罩清洗设备市场多年来也都仅有几家公司把持，并没有晶圆清洗设备那样百花齐放的场面。
光影交替间的进化
众所周知，光罩中分为透光区与不透光区，光线透过透光区后与晶圆表面的光刻胶作用，使光刻胶发生化学反应产生交联或解交联，而遮光的材料便是铬。铬伴随着光罩的发展走过将近半个世纪，也逐渐迎来了极限。由于铬本身的透光率限制和铬遮光层的厚度所引起的光罩3D效应严重限制了图形的微缩，传统的铬板光罩已经无法用于更细微的图形曝光。为了追求更高的成像分辨率，因此铬板光罩又进一步进化为OMOG(不透光MoSi光罩)光罩。
Source: 超大规模集成电路先进光刻理论与应用, 韦亚一, 2016, Chap.5
无论是铬板光罩还是OMOG光罩，其分类都是属于BIM(binary mask)，即双极型光罩或二元光罩，其原理都是通过透光区与不透光区的不同光强来得到晶圆上所需的图型。还有一种光罩，其不透光区实际包含6%的透光率，但是通过对光的相位翻转来实现更高的对比度，从而实现更好的成像质量和分辨率，这就是PSM相位移光罩(Phase shift mask)。由于不透光光区实际有6%的透光率，故而相比BIM，PSM实际的外观是几乎透明的。80年代，来自IBM的Levenson等工程师首次提出了PSM的概念，由此开启了新的时代。
Source: Handbook of Photomask Manufacturing Technology, Syed Rizvi, 2005, Chap.6
PSM光罩的分类也有不同的方式。从相位反转的方式上，可以分为衰减型Att-PSM和交替型Alt-PSM。除了相位反转方式以外，从透光度和耐久度分类上还有高透光HT和高耐久度HD PSM，以及高透射高耐久度HTHD也是存在的。借鉴交替型PSM的概念，名为CPL(Chromless phase lithography)的新型PSM也在大洋彼岸的美国诞生，没有铬层，仅依靠SiN基底不同区域的厚度和相位来实现图形曝光。
无论是BIM还是PSM光罩，虽然衍生出众多的种类，但国内的晶圆厂主流使用的种类却并不丰富。除了铬板光罩外，国内会在先进制程中更多使用薄OMOG光罩；而在PSM中，由于加工更为简便，国内则主流使用Att-PSM。
面向未来的NGL光罩
EUV时代的到来，使得晶体管的微缩更简单方便，光罩图形的设计也更简化。但是方便了晶圆厂(其实也没那么方便😂)，那可苦了光罩基板厂和光罩厂。
EUV光罩在结构上比传统的BIM和PSM光罩要更复杂，它由十几到数十层的钼硅复合金属薄膜构成反射层以及钌金属薄膜的顶盖构成吸收层所组成。EUV光罩不同于传统光罩，它从透射原理转变为反射原理，将光罩上的图形投影至晶圆表面。
Source: Chemistry and Lithography, Uzodinma Okoroanyanwu, 2010, Chap.14
由于钼硅多层结构的出现，EUV光罩基板的缺陷控制和光罩修复变得困难了起来。EUV光罩的薄膜不同于传统光罩可以一步到位，需要交替堆叠数十层钼和硅薄膜，最后镀上一层钌层。期间不仅需要保证每层薄膜良好的厚度均一性，还需要保证无缺陷(如极为微小的凸点，针孔等)。并且即使到了光罩厂完成了前道的图形制作，后续也需要进行复杂的修复，除了更高精度的电子束修复设备外，物理气相沉积PVD设备甚至被首次搬进了光罩厂。
得益于EUV仅有的13.5nm波长，即使其NA仅有0.33，它的极限分辨率也远远优于浸润式光刻，因此就像先前所述，EUV光罩上的图形反而会简洁很多。笔者看到过一个形象的类比：在印钞机面前，昂贵的材料不值一提，就是指EUV光刻。所以即使光罩制作的流程变得复杂，仍然能为晶圆上的图形制作带来极大的便利，这也是EUV光罩的价值所在！
EUV作为下一代光刻技术(NGL)中最为出名的代表，除了高分辨率和先前提到的光罩制作复杂外，还有高能耗和高成本的缺点。如果说EUV光刻通过复杂的光罩制作工艺来满足极端光学成像条件的话，那纳米压印(NIL)则是反其道而行之的方法。就如同最美味的料理仅需要最朴素的食材，从一块铬板光罩和一枚产生i line的汞灯中，将极致的分辨率带入5/7nm节点，可以说是化繁为简到简单粗暴了。
目前，大日本印刷DNP同佳能和铠侠正在联合研发基于纳米压印的光罩和晶圆制造技术，去年也有消息称其在5nm节点的工艺开发中取得了一定的成果。
Source: DNP官网
对纳米压印来说，它相比于传统的光学投影光刻，更像是在敲图章！先在铬板光罩上制作图形，然后将其压在预先涂布了光刻胶的晶圆上通过紫外光(i line)的照射后固化，完成图形的转印。这个过程中，光罩的作用与其说是遮光和透光，将其称为母版(template)更为贴切。
佳能基于其FPA系列光刻机制造的纳米压印光刻机在对准和套刻精度方面都做了相当多的改良。除此之外还有许多挑战挡在纳米压印的产业化前，母版的制作自然也是其一。不同于传统的光学投影光刻采用的1：4倍缩式镜头，纳米压印的图形是1：1的。举个例子，用ASML的光刻机投影一个直径为50nm的通孔图形，传统光罩上的尺寸是直径200nm，而对于纳米压印的母版来说则依旧对应50nm，这就意味着其图形化设备的精度要求已经超过了同技术节点的传统光罩。在5nm节点，即使通过多电子束光刻机进行曝光，其图形制造的难度和所消耗的时间也仍然更大更高。此外，直接与光刻胶进行物理接触的动作对母版本身的寿命也是相当大的挑战，对母版的修复工艺也提出了更高的要求。
当然，在EUV光刻机走进产线前，问题也是只多不少。鉴于其巨大的潜力和对晶圆工艺的简化，笔者非常看好纳米压印技术的前景。
长期以来，国内的厂商在光罩产业链上一直都处于缺位的状态。现在，随着本土光罩厂的快速发展和国际供应链环境的变化，一些国内的企业也开始慢慢打开这个原来封闭的市场。针对成熟制程的缺陷检测，清洗，涂胶显影等国产设备已经开始导入，相信在不久的将来激光直写，高端缺陷检测和清洗设备也能进入国内光罩厂。
尽管在high NA EUV中，有推荐使用300mm直径的圆形光罩的声音，但6025的传奇还会继续！等到下一个十年过去，6025的传奇里是否也会有我们的故事呢？笔者非常期待！
