掩膜板的制造讲义教学教材
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掩膜板的制造讲义
投影掩膜版与掩膜版
投影掩膜版是一个石英版，它包含了要在硅片上重 复生成的图形，这种图形可能仅包含一个管芯，也可 能是几个。投影掩膜版指的是对于一个管芯或一组管 芯的图形。
光刻掩膜版：它是一块石英版，包含了对于整个硅 片来说确定一工艺层所需的完整管芯阵列。
掩膜版是的制造工艺是关系到集成电路的质量和集成 度的重要工序。
（二）初缩
初缩是在照相机上进行的，必须保证拍照图面、镜头和 感光底版严格平行，并使象的焦平面与感光底版的药膜完 全重合。
（三）精缩兼分布重复
将初缩版或者初缩版的复印物作为物，经精缩后得 到满足设计要求的光刻版。
初缩版一般只有一个图形，而精缩版需要在同一块 底版上制作几十到几百个相同的图形，以适应大批量生产 的需要
投影掩膜版缩影倍率和曝光场的比较
在投影掩 膜版上的 视场尺寸
投影透镜 硅片上的曝光
视场
透镜类型
10:1
5:1
4:1
投影掩模版视场 100 100 100 100 100 100 尺寸 (mm)
硅上的曝光视场 10 10 (mm)
20 20
25 25
每个曝光视场芯
4
16
25
片数 (假设芯片
（2）原图刻制 是从总图上描刻出各块光刻板的原图。 手工刻图：将平压在总图上，带有红色塑料涂层的透明薄膜，
描刻出轮廓，再用手工剥去原图透明区的红膜。 机械刻图：由坐标刻图仪进行，事先计算好的图形坐标值，
操作刻刀，即可在红膜上刻出分图的轮廓，然后手工剥除 透明区的红膜。 自动刻图：是按照事先编好的逻辑程序编出坐标，打成纸带， 输入计算机，由计算机控制平台移动和刻刀的动作，在红 膜上刻出各个分图，经人工揭膜后得到原图。
保护膜
铬图形 框架 投影掩膜版
抗反射涂层 焦深
掩膜版材料
保护膜上的颗粒在光学焦距范围 之外.
保护膜 铬图形
投影掩膜版的缩影和尺寸
投影掩膜版被用在步进光刻机和步进扫描系统中， 需要缩小透镜来减小形成图案时的套准精度。步 进光刻机通常使用的投影掩膜版缩小比例为5︰1 或4︰1，而步进扫描光刻机使用投影掩膜版的缩 小比例为4︰1。
投影掩膜版
投影掩膜版图的设计和尺寸
1) STI刻蚀
2) P阱注入
3) N阱注入
4) 多晶硅刻蚀
5) N+ S/D 注入
6) P+ S/D 注入
7) 氧化层接触刻蚀
最终层
5 4
2
1
6
3 7 8
剖面图
顶视图
8) 金属刻蚀
投影掩膜版的材料：
最主要的用于亚微米光刻的投影掩膜版衬底材料是 烧融石英。这种材料始终用在深紫外光刻中，因为它 在深紫外光谱部分（248nm和193nm）有高光学透 射。用做投影掩膜版的烧融石英是最贵的材料并且有 非常低的温度膨胀。低膨胀意味着投影掩膜版在温度 改变时尺寸是相对稳定的。掩膜版材料应具有的其它 性能是高光学透射和在材料表面或内部没有缺陷。
掩膜版（图形）制作
a. CAD（Computer Aided Design） ↓ b. CAM（Computer Aided Manufacture） ↓ c. 光刻（将处理好的图形数据文件传递给激光光绘机，对
匀胶铬版进行非接触式曝光。 ） ↓ d. 显影（将曝光处光刻胶层去除，显露铬层）
e. 蚀刻（将曝露处的铬层腐蚀去除）
铬层
在准备好的石英玻璃片之后，在其上淀积一层铬，掩膜 图形就是在铬膜上形成，在铬膜的下方还有一层由铬的氮 化物或氧化物形成的薄膜，其作用是增加铬膜与石英玻璃 之间的黏附力，在铬膜的上方需要有一层20nm厚的三氧 化二铬抗反射层，这些薄膜是通过溅射方法制备的。
选择铬膜形成图形，是因为铬膜的淀积和刻蚀相对比较 容易，而且对光线完全不透明。
f. 脱膜（将光刻胶去除）
g. 切割（按生产工艺要求，将一大片拼版成品切割为各自独 立的单个成品）
投影掩膜版的损伤
使用投影掩膜版时确实存在很多可能的损伤来源，例如 投影掩膜版掉铬，表面擦伤，静电放电（ESD）和灰尘颗 粒。如果掩膜版被一个没有正确接地的技术人员触摸，静 电放电就会引发问题。这种情况有可能通过掩膜版上微米 尺寸的铬线条放电产生小电涌，熔化电路线条损坏图形。
尺寸 5mm
5mm)
1:1 30 30 30 30
36
投影掩膜版和掩膜版的比较
光刻掩膜板制备方式
人工方式
设计掩膜板总图
按比例放大总图
刻掩膜红膜分图
复印生产用套版
精缩与分步重复
制备初缩掩膜板
（一）原图绘制
（1）总图绘制 是将设计好的图选择适当的放大倍数，画在一张标准的
方格坐标纸上，一般选择把器件的实际尺寸放大100— 1000倍，同时放大倍数也不宜过大。
当代计算机辅助掩膜版制造技术
原图数据处理系统：由软件和硬件组成，在计算机操作
系统的同一运行下进行数据流的传送和处理，共同完成版
图数据的生成。
硬件部分：
数字化仪
控制台 打印机
磁盘机
图形
字符
CPU
终端
图形 输入端
绘图机
磁带机
软件部分：
版图验证程序
图形编辑程序
绘图数据 生成程序
图形 数据库
数据库及图形 命令接口
解决投影掩膜版上颗粒沾污的方法是用一个极薄的透光 膜保护表面，这种薄膜称为保护膜。
这层保护膜的厚度需要达到足够薄，以保证透光性，同 时又保证足够结实，能够耐清洗，此外，还要求保护膜长 时间暴露在UV射线的辐射下，仍能保持它的形状。目前 所使用的材料包括硝化纤维素醋酸盐和炭氟化合物。
有保护膜的掩膜版可以用去离子水清洗，这样可以保护 膜上大多数的颗粒，然后在通过活性剂和手工擦洗，就可 以对掩膜版进行清洗。
掩膜版上图形制造
通常在掩膜版上形成图形的方法是使用电子束。这种技术利 用直写把电子存储的原始图形绘制成版图。
电子束光刻：电子束光刻的直写方式把高分辨率的图形转印 到投影掩膜版表面，在电子束光刻中电子源产生许多电子， 这些电子被加速并聚焦成形射到投影掩膜版上。电子束可 以通过磁方式或电方式被聚焦，并在涂有电子束胶的投影 掩膜上扫描形成所需要的图形。电子束可以扫过整个掩膜 版（光栅扫描），也可以只扫过要光刻的区域（矢量扫描） 在投影掩膜上形成图形。
与其他CAD 系统数据
格式变换程序
图形发生器 数据生成程序
计算机辅助版图处理的工作流程
（一）版图数据的输入
（1）数字化仪读入 必须先绘出设计原图，在经过严格 定标后，由鼠标器按一定的格式逐点读入图形坐标。
投影掩膜版与掩膜版
投影掩膜版是一个石英版，它包含了要在硅片上重 复生成的图形，这种图形可能仅包含一个管芯，也可 能是几个。投影掩膜版指的是对于一个管芯或一组管 芯的图形。
光刻掩膜版：它是一块石英版，包含了对于整个硅 片来说确定一工艺层所需的完整管芯阵列。
掩膜版是的制造工艺是关系到集成电路的质量和集成 度的重要工序。
（二）初缩
初缩是在照相机上进行的，必须保证拍照图面、镜头和 感光底版严格平行，并使象的焦平面与感光底版的药膜完 全重合。
（三）精缩兼分布重复
将初缩版或者初缩版的复印物作为物，经精缩后得 到满足设计要求的光刻版。
初缩版一般只有一个图形，而精缩版需要在同一块 底版上制作几十到几百个相同的图形，以适应大批量生产 的需要
投影掩膜版缩影倍率和曝光场的比较
在投影掩 膜版上的 视场尺寸
投影透镜 硅片上的曝光
视场
透镜类型
10:1
5:1
4:1
投影掩模版视场 100 100 100 100 100 100 尺寸 (mm)
硅上的曝光视场 10 10 (mm)
20 20
25 25
每个曝光视场芯
4
16
25
片数 (假设芯片
（2）原图刻制 是从总图上描刻出各块光刻板的原图。 手工刻图：将平压在总图上，带有红色塑料涂层的透明薄膜，
描刻出轮廓，再用手工剥去原图透明区的红膜。 机械刻图：由坐标刻图仪进行，事先计算好的图形坐标值，
操作刻刀，即可在红膜上刻出分图的轮廓，然后手工剥除 透明区的红膜。 自动刻图：是按照事先编好的逻辑程序编出坐标，打成纸带， 输入计算机，由计算机控制平台移动和刻刀的动作，在红 膜上刻出各个分图，经人工揭膜后得到原图。
保护膜
铬图形 框架 投影掩膜版
抗反射涂层 焦深
掩膜版材料
保护膜上的颗粒在光学焦距范围 之外.
保护膜 铬图形
投影掩膜版的缩影和尺寸
投影掩膜版被用在步进光刻机和步进扫描系统中， 需要缩小透镜来减小形成图案时的套准精度。步 进光刻机通常使用的投影掩膜版缩小比例为5︰1 或4︰1，而步进扫描光刻机使用投影掩膜版的缩 小比例为4︰1。
投影掩膜版
投影掩膜版图的设计和尺寸
1) STI刻蚀
2) P阱注入
3) N阱注入
4) 多晶硅刻蚀
5) N+ S/D 注入
6) P+ S/D 注入
7) 氧化层接触刻蚀
最终层
5 4
2
1
6
3 7 8
剖面图
顶视图
8) 金属刻蚀
投影掩膜版的材料：
最主要的用于亚微米光刻的投影掩膜版衬底材料是 烧融石英。这种材料始终用在深紫外光刻中，因为它 在深紫外光谱部分（248nm和193nm）有高光学透 射。用做投影掩膜版的烧融石英是最贵的材料并且有 非常低的温度膨胀。低膨胀意味着投影掩膜版在温度 改变时尺寸是相对稳定的。掩膜版材料应具有的其它 性能是高光学透射和在材料表面或内部没有缺陷。
掩膜版（图形）制作
a. CAD（Computer Aided Design） ↓ b. CAM（Computer Aided Manufacture） ↓ c. 光刻（将处理好的图形数据文件传递给激光光绘机，对
匀胶铬版进行非接触式曝光。 ） ↓ d. 显影（将曝光处光刻胶层去除，显露铬层）
e. 蚀刻（将曝露处的铬层腐蚀去除）
铬层
在准备好的石英玻璃片之后，在其上淀积一层铬，掩膜 图形就是在铬膜上形成，在铬膜的下方还有一层由铬的氮 化物或氧化物形成的薄膜，其作用是增加铬膜与石英玻璃 之间的黏附力，在铬膜的上方需要有一层20nm厚的三氧 化二铬抗反射层，这些薄膜是通过溅射方法制备的。
选择铬膜形成图形，是因为铬膜的淀积和刻蚀相对比较 容易，而且对光线完全不透明。
f. 脱膜（将光刻胶去除）
g. 切割（按生产工艺要求，将一大片拼版成品切割为各自独 立的单个成品）
投影掩膜版的损伤
使用投影掩膜版时确实存在很多可能的损伤来源，例如 投影掩膜版掉铬，表面擦伤，静电放电（ESD）和灰尘颗 粒。如果掩膜版被一个没有正确接地的技术人员触摸，静 电放电就会引发问题。这种情况有可能通过掩膜版上微米 尺寸的铬线条放电产生小电涌，熔化电路线条损坏图形。
尺寸 5mm
5mm)
1:1 30 30 30 30
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投影掩膜版和掩膜版的比较
光刻掩膜板制备方式
人工方式
设计掩膜板总图
按比例放大总图
刻掩膜红膜分图
复印生产用套版
精缩与分步重复
制备初缩掩膜板
（一）原图绘制
（1）总图绘制 是将设计好的图选择适当的放大倍数，画在一张标准的
方格坐标纸上，一般选择把器件的实际尺寸放大100— 1000倍，同时放大倍数也不宜过大。
当代计算机辅助掩膜版制造技术
原图数据处理系统：由软件和硬件组成，在计算机操作
系统的同一运行下进行数据流的传送和处理，共同完成版
图数据的生成。
硬件部分：
数字化仪
控制台 打印机
磁盘机
图形
字符
CPU
终端
图形 输入端
绘图机
磁带机
软件部分：
版图验证程序
图形编辑程序
绘图数据 生成程序
图形 数据库
数据库及图形 命令接口
解决投影掩膜版上颗粒沾污的方法是用一个极薄的透光 膜保护表面，这种薄膜称为保护膜。
这层保护膜的厚度需要达到足够薄，以保证透光性，同 时又保证足够结实，能够耐清洗，此外，还要求保护膜长 时间暴露在UV射线的辐射下，仍能保持它的形状。目前 所使用的材料包括硝化纤维素醋酸盐和炭氟化合物。
有保护膜的掩膜版可以用去离子水清洗，这样可以保护 膜上大多数的颗粒，然后在通过活性剂和手工擦洗，就可 以对掩膜版进行清洗。
掩膜版上图形制造
通常在掩膜版上形成图形的方法是使用电子束。这种技术利 用直写把电子存储的原始图形绘制成版图。
电子束光刻：电子束光刻的直写方式把高分辨率的图形转印 到投影掩膜版表面，在电子束光刻中电子源产生许多电子， 这些电子被加速并聚焦成形射到投影掩膜版上。电子束可 以通过磁方式或电方式被聚焦，并在涂有电子束胶的投影 掩膜上扫描形成所需要的图形。电子束可以扫过整个掩膜 版（光栅扫描），也可以只扫过要光刻的区域（矢量扫描） 在投影掩膜上形成图形。
与其他CAD 系统数据
格式变换程序
图形发生器 数据生成程序
计算机辅助版图处理的工作流程
（一）版图数据的输入
（1）数字化仪读入 必须先绘出设计原图，在经过严格 定标后，由鼠标器按一定的格式逐点读入图形坐标。