PSM相移掩模技术的工作原理和主要类型

文章来源：Jeff的芯片世界

原文作者：Jeff的芯片世界

在光学光刻中，随着特征尺寸不断接近曝光波长，传统二元掩模因光的衍射效应导致图像边缘模糊、对比度下降，难以形成清晰图形。相移掩模（Phase Shift Mask, PSM）通过在掩模特定区域引入精确控制的相位差，利用光的干涉效应实现分辨率增强。其核心思想是使相邻光波产生180度相位差，在相遇处发生相消干涉，光强降为零，从而物理上“创造”出暗区，极大锐化明暗边界，提升图像对比度和焦深。

技术原理

传统二元掩模由透光区（石英）和不透光区（铬）组成。当光通过紧密相邻的开口时，衍射导致光波散开并相互干涉，在晶圆平面形成模糊图像。相移掩模的解决方案是在特定区域引入180度相位偏移。当两束相邻光波存在180度相位差时，相消干涉使光强为零，从而显著提高分辨率和焦深，且这种改善与曝光波长和抗蚀剂技术无关。

从波动光学角度看，掩模图形可用透过率T与相位Φ描述。对于两个相邻狭缝，若透射光相位相同，则振幅相加，像融合为单峰无法分辨；而交替型PSM上相邻狭缝存在180°相移，复振幅相减使两者之间强度分布为零，狭缝可被分辨。在傅里叶空间中，交替型PSM使衍射光周期加倍、衍射角减半，0级光（所有区域平均透射振幅）消失，正负一级光通过投影物镜光瞳并发生干涉，形成与掩模图形周期相同的干涉条纹。

主要类型

相移掩模可分为强相移和弱相移两大类。强相移掩模由两个不同相位值的全透光图形（T=1，Φ=0°/180°）与不透光图形（T=0）组成；弱相移掩模包含半透明图形（0

1. 强相移掩模：交替型相移掩模

交替型PSM（如Levenson型）在密集线条/空间图案中让相邻透光区域交替具有0°和180°相位，使所有透光区域之间发生相消干涉，实现频率倍增。其分辨率提升最显著：结合I-line（365nm）可达0.18μm，结合DUV（248nm）可达0.08μm，且在特定条件下能提供最高焦深。然而，交替型PSM存在“相位冲突”问题——不同相位值透光区域的过渡位置会产生多余的光刻胶线条。实际解决方案是采用修剪掩模进行多次曝光，即先用交替型PSM曝光关键图形，再用二元修剪掩模去除相位变化处的不期望图形。这种方法增加了成本和复杂性。

无铬相移掩模（CPL）是一种特殊的强PSM，所有区域都透光，仅对相位进行空间调制（0°/180°交替）。它避免了相位冲突，且由于无吸收层，像强度高于交替型PSM。无铬PSM只能用于曝光较细的线条（如晶体管栅极），其掩模误差增强因子很小，对掩模尺寸偏差不敏感。但制造和检测难度大，需要严格电磁场仿真来量化三维掩模效应。

2. 弱相移掩模：衰减型相移掩模

衰减型PSM用部分透光的衰减材料（如MoSi，厚度68nm，波长193nm）取代传统不透光铬层，该材料既能衰减光强（通常透光率6%-30%），又能引入180°相位偏移。其优势在于通用性强，可直接用于大多数图形设计，制造流程接近传统二元掩模。高透射率（30%）的衰减PSM可比标准6% PSM显著提升归一化图像对数斜率、降低MEEF并增加50%的焦深。主要劣势是存在侧瓣打印风险——在不该有图形的地方因光强干涉意外成像，需通过光学邻近效应校正等技术抑制。衰减型PSM与离轴照明组合使用，可改善密集线空图形及孤立接触孔的工艺窗口。确定最佳透过率时需在成像特性与旁瓣印出风险之间折中，旁瓣风险随背景透过率增大而增加。

此外，还有针对特定应用的新型PSM，如棋盘格PSM（针对接触孔阵列，通过棋盘式相位排列提升光学效率）和EUV衰减PSM（优化吸收体材料复折射率以提升图像对比度并减轻掩模三维效应）。

制造工艺与挑战

PSM制造比传统掩模更复杂，核心挑战在于相位差的精确控制。主要工艺路径包括减成法（刻蚀石英基板或沉积介质层形成相位差）和加成法（在图案化铬层上沉积介质层后二次图形化）。实现180°相移所需的刻蚀深度由掩模基底（石英）与下方材料（空气或真空）的折射率差决定。无论哪种方法，都需在性能、缺陷密度和成本之间权衡，目前业界尚无明确共识。

交替型PSM面临的设计复杂度、相位冲突及修剪掩模带来的多次曝光，大幅增加了成本。衰减型PSM需要严格控制吸收层的透过率和相位，采用特定的折射率n、消光系数k和厚度参数组合。缺陷检测与修复也因相移层的引入变得更加困难。

PSM正与计算光刻深度融合，其设计与光学邻近效应校正、光源掩模协同优化等技术紧密结合以最大化效能。在EUV光刻中，低折射率衰减PSM等新型方案被视为扩展0.33 NA EUV至28nm节距以下最有前景的技术之一，用于提升图像对比度和工艺窗口。面向高NA EUV系统的研究也在继续优化PSM，以应对更高数值孔径带来的新挑战。