集成電路產業的發展需要依靠制造工藝技術的進步，使芯片關鍵尺寸（Critical Dimension，CD）不斷縮小，從而令器件集成度增加、成本下降、功耗降低、性能提高。如圖所示，集成電路制造工藝主要包含晶圓準備、沉積、光刻（Optical Lithography）、刻蝕等步驟，制造一片先進的處理器芯片通常需要經過上千道工序，多次重復以上步驟。
其中，光刻工藝最為關鍵，它的任務是將掩模圖形轉移到涂敷于硅片的光刻膠上，它代表了制造工藝的先進程度，直接決定能夠制造的最小圖形尺寸。上圖是荷蘭ASML公司的一臺光刻機，從物理本質上看，光刻系統可以簡化成由照明光源、掩模、投影物鏡系統、以及涂覆在硅片上的光刻膠四個基本要素組成。
照明光源發出的光經過照明系統，穿過掩模中的透明部分，進入投影物鏡系統，在光刻膠上成像，接觸光的光刻膠物理化學性質發生改變，從而將掩模圖形信息轉移到光刻膠上，最后通過顯影、刻蝕等后續工藝將圖形轉移到硅片（基底）上。
掩膜版又稱光罩、光掩膜、光刻掩膜版等，是微電子制造過程中的圖形轉移工具或母版，是承載圖形設計和工藝技術等知識產權信息的載體。
根據客戶所需要的圖形，掩膜版廠商通過光刻制版工藝，將微米級和納米級的精細圖案刻制于掩膜版基板上（掩膜版的原材料掩膜版基板是制作微細光掩膜圖形的感光空白板），隨后再將不需要的金屬層和膠層洗去，即得到掩膜版產成品。掩膜版對下游行業生產線的作用主要體現為，利用掩膜版上已設計好的圖案，通過透光與非透光的方式進行圖像（電路圖形）復制，從而實現批量生產。
作為光刻復制圖形的基準和藍本，掩膜版是連接工業設計和工藝制造的關鍵，掩膜版的精度和質量水平會直接影響最終下游制品的良率。
掩膜版的功能類似于傳統照相機的“底片”：將設計者的電路圖形通過曝光的方式轉移到下游行業的基板或晶圓上，從而實現批量化生產。作為光刻復制圖形的基準和藍本，掩膜版是連接工業設計和工藝制造的關鍵，掩膜版的精度和質量水平會直接影響最終下游制品的優品率。掩模版是光刻工藝中的關鍵耗材，對于光刻工藝的重要性不弱于光刻機、光刻膠。
當芯片關鍵尺寸達到照明光源波長以下，光波穿過掩模時，光學衍射等光學臨近效應（Optical Proximity Effects）變得非常顯著，致使掩模的光學像產生畸變，從而使掩模圖形在轉移到光刻膠上時并不與掩模本身完全相同。
當芯片的關鍵尺寸遠大于照明光源波長的時候，掩模在光刻膠面所成的光學像與掩模本身圖形一致。因此直接將需要的光刻膠圖形，即目標圖形，制作成掩模圖形，就可以滿足生產的需求；當芯片關鍵尺寸接近或者小于照明光源波長時，光學臨近效應顯著，直接將目標圖形作為掩模進行曝光會導致它的光刻膠圖形與目標圖形相比有很大的誤差，如下圖所示。
因此，當芯片關鍵尺寸在波長尺度時，需要根據目標圖形對掩模進行重新設計。基于像素表征的掩模設計中，掩模被離散成一幅包含若干個網格的柵格圖像，每個網格的透過率用一個像素點的灰度值來表征。通常它被描述成一個逆向問題，即已知需要的光刻膠圖形求解相應的掩模圖形。
光罩是連接芯片設計和生產的紐帶。通常光罩表面的圖形我們稱作layout，這是由design部門設計出來的，我們稱為PreOPC。設計好以后，會發送給OPC部門進行處理，OPC處理完后發送給光罩廠的數據叫做PostOPC。OPC（Optical Proximity Correction）部門。翻譯就叫光學鄰近修正。這是光罩部門最核心的部門。
簡單解釋一下：由于光罩本身是由石英基板和遮光材料制作，具有一定的厚度。雖然石英的穿透率幾乎100%，但在納米尺度上，光線穿透光罩發生的衍射等效應仍然無法避免，嚴重影響曝光出pattern的質量，這一系列偏差被稱作光學鄰近效應。光學鄰近修正是通過計算光刻軟件進行曝光模擬，目的是模擬出光刻機的曝光過程，最小化光學鄰近效應，使曝光出來的圖形無限接近于設計圖形，行內術語叫meet target。
OPC部門通常有以下幾個工種：RET（Resolution Enhancement Tech）分辨率提升技術（有的公司可能不這么說）、Model 和Recipe。簡單的說RET的主要工作內容就是通過CD-SEM機臺測量收集不同條件下的光罩曝光數據，然后交給Model工程師建立光學模型，最后Recipe工程師使用計算光刻軟件導入光學模型，進行最后的光學鄰近修正。這里面Model崗位是技術含量最高的，他們需要考慮不同參數對光刻的影響，比如focus，dose，光刻膠的種類，光刻機光源等等，結合實際不斷對光學模型進行優化；Recipe工程師次之，主要是通過代碼口令選擇不同特征的圖形，對需要修正的部位進行修正，而修正的手段各異。因為Recipe是OPC的最后一道關，而fab跑貨十分注重時間效率，因此delay是大忌。因此如何在有限的時間內把OPC修到最完美，這也是一個十分有挑戰性的工作；最后就是收集CD的崗位了，就是比較程序化的工作。OPC修正完之后，數據就交給了MDP（Mask Data Preparation，有的公司也有他稱）光罩數據轉換工程師。這個崗位的工作內容就比較簡單了，就是把OPC修正好的數據（PostOPC）轉換成為光罩廠可以使用的格式。檢查無誤后發送給光罩廠制作即可。因此這個崗位深得女生的喜愛，一般沒有特殊情況可以保證朝九晚五。另外還有 MKL（Mask Kerf Layout）工程師，就是畫光罩上的一些標記（mark）。
Mark的種類不一而足，比如overlay mark，alignment mark等等，一句話概括，這一系列標記都是為了光刻過程中的層疊和對準（要知道芯片全流程需要幾十上百道layer，如果每個layer的對準精度不夠，層層疊加，到最后就wafer就直接報廢了）。當然MKL部門自己并不需要知道為什么畫成那樣，都是需求部門提出要求，他們照著做就好了。最后就是MM（Mask Management）。這就是直接接觸產線的光罩管理部門了，光罩廠制作好后，光罩快遞過來到fab后所有涉及光罩使用都由他們負責處理。
1）基板：分為樹脂基板和玻璃基板，玻璃基板主要包括石英基板和蘇打基板；
2）遮光膜根據種類的不同，可以分為乳膠和硬質遮光膜。
光掩膜按用途分類可分為鉻版、干版、液體凸版和菲林。其中，鉻版精度最高，耐用性更好，廣泛應用于平板顯示、IC、印刷線路板和精細電子元器件行業；干版、液體凸版和菲林主要用于中低精度LCD行業、PCB及IC載板等行業。
掩膜版最重要的原材料是掩膜基板，光掩膜基板作為掩膜版圖形的載體，對掩膜版產品的精度和品質起到重要作用。根據基板材料的不同，掩模版廠商的主要原材料為石英基板、蘇打基板和光學膜等。
石英基板和光學膜技術難度較大，供應商主要集中于日本、中國臺灣等地，原材料存在一定的進口依賴。
目前所使用的掩模版襯底材料合成石英占比最大。被用來制作光掩膜版的玻璃包括合成石英、硼硅玻璃和蘇打玻璃，其中合成石英最為化學穩定，具有高硬度、低膨脹系數和透光性強等優勢，適用于較高精度要求的產品生產，廣泛應用于LSI 用光掩膜、FPD 用大型掩膜的制造。但是石英成本高，現在傾向于發展高質量的合成石英材料，它能夠提供寬的光投射區域、低的雜質含量和少的物理缺陷，并且隨著低膨脹率和深UV 的要求變得逐漸廣泛。
石英玻璃在透光率以及化學性能上優于其余掩膜基材。通常溫度和濕度的改變將引起材料一定程度上的形變，從而造成掩膜板上圖像的細小位移及線寬的改變。石英玻璃由于其在熱膨脹和硬度等物理屬性上的優勢，使得它對自然環境的影響如溫度，濕度，壓力有比較大的容忍性。這意味著石英掩膜板能保持化學性質穩定和在特定波長光源照射下的高穿透度。
遮光膜材料主要包括：金屬鉻、硅、氧化鐵、硅化鉬等，遮光膜材料的選擇主要取決于產品的圖形精度、透過率、耐化學品性能等因素。其中，鉻是最常用的遮光膜材料，根據不同的層數，可以應用于投影曝光機用光掩膜、LSI 用光掩膜、FPD 用光掩膜和Stepper用Reticle 等領域。但是鉻也有一些缺點，如反射率高和膜形成工藝復雜等。硅是一種See Through 型的遮光膜材料，適合手動對位操作，但其微加工性能不如鉻，因此只用于低端硬質光掩膜。氧化鐵和硅化鉬是兩種特殊的遮光膜材料，前者沒有明顯的優缺點，后者具有Half Tone 特性優異的優點，但耐化學品性能差，主要用于LSI 用Half Tone Mask。
掩膜版制造商分為兩種，一種是英特爾、臺積電、中芯國際等代工廠擁有自制掩膜版業務，其產能基本都是自產自銷；另一種就是獨立于代工廠的第三方掩膜版制造商，例如美國福尼克斯、日本DNP、凸版印刷，以及中國大陸的清溢光電、路維光電等，這類廠商主要銷售的是成熟制程掩膜版。
根據光刻工藝所用到的不同光源，常見的掩膜版大致分為：二元掩膜版、相移掩膜版、EUV 掩膜版。
1、二元掩膜版是指由透光與不透光兩種部分組成的光掩模版，是最早出現、也是使用最多的一類掩模版，被廣泛用于365nm（I 線）至193nm 的浸沒式光刻。
2、相移掩膜版是指在相鄰的透光縫隙處設置厚度與1/2 光波長成正比的相移層的掩膜產品。這種產品的誕生主要由于集成電路設計的高速發展，設計圖形的尺寸日益縮小所導致的光學鄰近效應越來越明顯以及由于曝光波長的短化在改善清晰度的同時會減少焦點深度，進而降低工藝過程的穩定性。因此，為了保證光刻圖形的精確性以及保持焦點深度，相移掩模技術被越來越多的采用。相移掩膜技術使透過相移層的曝光光線與其他透射光產生180 度的光相位差，使在相鄰透光縫隙中間點上的光強互相抵消或減弱，進而控制光的相位及透過率，改善對晶圓曝光時的分辨率及焦點深度，最終提高了復刻特性的光掩模。
3、EUV 掩膜版是指在EUV 光刻期間使用的新穎掩膜版。由于EUV 的波長很短，容易被所有材料吸收,因此不能使用像透鏡這樣的折射元件而是根據布拉格定律通過多層（ML）結構來反射光束。EUV 掩膜版常用于7nm、5nm等先進制程，所以EUV 掩膜版的工藝問題會非常難以發現并且十分致命。
關于掩膜版的介紹就到這兒，喜歡半導體技術相關的朋友可以閱讀其他相關文章！
參考文獻：
(1)呂穩 基于像素表征的光刻掩模優化方法研究[D].
(2)張曉蕾 超聲提高SU-8光刻膠_金屬基底界面結合強度研究[D].
(3)尚紅波 浸沒光刻投影物鏡光學設計與像差補償研究[D].
(4)華福證券 光刻機行業深度報告：博采眾星之光，點亮皇冠明珠[C].
(5)民生證券 掩膜版行業深度報告：光刻藍本亟待突破，國產替代大有可為[C].
原文始發于微信公眾號（半導體全解）：一文了解光刻掩膜版(光罩)技術
