光刻就是通過曝光，把掩模版上的圖案轉移到光刻膠上，再利用刻蝕等技術把圖案轉移到芯片上，這個圖案可以是用于形成器件的離子注入分布，也可以是多晶硅或金屬的連線。我們要在掩模版上形成什么圖案，取決于設計公司的版圖，制作芯片先要有芯片的設計，IC的前端設計就是寫代碼，主要是設計芯片的功能，IC的后端設計就是把前端的代碼轉換成器件通過金屬線在物理上的連接(當然還是虛擬的，只有芯片在Fab中制造出來才是真實的)，在這個過程中就形成了版圖。整個有特定功能的芯片，稱之為“die”，放大來看，是由最底部的器件和很多連線組成的，這些連線分為很多層，層與層之間通過“via”來連接，就像蓋樓一樣，先蓋一層然后是立柱，然后是二層，這樣就形成了一個整體。

接下來進入正題，“die”的版圖是由設計公司提供的，最終的制造也是要把die中一層一層的圖案全部通過掩模版→光刻→刻蝕等實現在晶圓上，來正確實現芯片的功能。那么一張掩模版(也叫mask，光罩)上只有die的圖案嗎？當然不是，圖1簡單的展示了一張光罩的大概形式，可以簡單的分為三個區域。

圖1 光罩上的三個區域

正中間的四個淺藍色方塊區域①是四個完全相同的die，die與die之間以及周圍的一小條虛線包圍的區域②叫做 “scribeline” 即劃片道，這兩個區域合起來是曝光區域，也叫“shot”。shot之外的部分是光罩的第三個區域，基本上是不會曝光的。一張mask包含這三個區域，所有這些區域里面都有什么圖案呢？

首先，die里面已經說過了，是實現芯片功能的全部圖案，也是最終需要的。fab制作完成后，會通過劃片機把每一個die都切出來，經過封裝之后就成為了真正的芯片，所以光罩上的其他區域都是輔助作用。

Shot外的區域(③)主要用于放置掩膜版的編碼、預對準標識，整場對準標識等，這里面的圖案除了在整場對準的時候是不會曝光在wafer上的。簡單展開說一下預對準標識和整場對準標識，預對準標識是為了讓掩模版與放置掩模版的工作臺對準，原理如圖2所示。預對準還包括晶圓與放置晶圓的工作臺之間的對準，掩膜工作臺與晶圓工作臺的對準，原理基本相同。

圖2 二極管在掩模版的預對準標識上方照明，光線透過對準標識，被探測器接受；每個探測器分為對稱的四個區域，可以分別探測光信號并判斷出標識偏離的相對位置

而整場對準標識是在第一次曝光時被刻在wafer左右兩邊用于每個硅片粗對準的，粗對準就是在預對準的基礎之上進一步對準掩模版和wafer。這里需要強調的是，粗對準標記不在shot中而是在整個wafer的兩邊，后面要提到的精對準標識是在每個shot內部都有。下圖3是預對準標記和粗對準標記在mask上的位置。

圖3 預對準和粗對準標記在mask上的位置

接下來是scribeline區域，這里面的東西可就多了。

1.精對準的標識，Nikon光刻機的對準標識如下圖4所示，

（a）                                       (b)

圖4 a圖適用于Nikon光刻機的激光步進對準方式(LSA), 右圖適用于Nikon光刻機的場對準方式(FIA)，現在標識的方向光刻機可測出每個shot的x方向的位置，旋轉90度就可測出y方向上的位置

在每一個shot里會放置在x方向和y方向上，測量這兩個標識，就能測出曝光區域也就是shot的中心位置，從而對準當前層的shot與參考層的shot，為了光刻機效率一般會測量20~30個shot的位置來推算出整個wafer上shot位置的分布，用這個網格分布進行當前層的曝光從而與參考層對準，這就是在預對準和粗對準之上的精對準。當然，這樣曝光出來肯定也不是完全對準的，也會有套刻誤差，這里可以參考本公眾號的上一篇文章，套刻誤差修正實際上是在對準基礎之上進行的修正。

2. CD bar，也可以叫CD棒，這個東西就是條狀的圖案結合在一起的，有很多種不同的形狀，大概長下圖這樣，

圖5 各種CD bar的樣式

它的作用是用來測CD，也就是圖案的寬度(line)和間距(space)，因為真正刻出來的CD要跟版圖一樣才是符合要求的，選擇劃片道中不同位置的CD bar進行測量，如果尺寸都能和版圖上的尺寸對應上，就認為die內部的CD也是沒有問題的，說明光刻的工藝滿足要求，可以繼續進行下面的工藝。

3. Over lay，就是套刻標記。

4. ROT，拼接標識，長下圖這樣

圖6 拼接標識

我們之前講對準都是說當前層對準參考層，那要是第一層曝光，沒有參考層的時候呢？這時候就沒辦法進行粗對準和精對準了，只有預對準之后直接進行曝光，曝光之后要看的是shot與shot之間的重疊部分效果如何，通過測量版旋轉標記來體現。

圖7 拼接標識在shot中的位置以及曝光之后重疊部分的狀態

拼接標識被放置在shot中曝光區域重疊的位置，曝光結束后，左右兩個標識會對在一起，齒與齒之間的偏差就是重疊的誤差。拼接誤差的測量結果通過計算反饋到光刻機中進行修正，來讓shot之間重疊的更好，跟套刻誤差修正原理類似。

5. search標記，Nikon的標記大概長下圖這樣，是為了光刻機能夠探測到圖案的位置。

圖8 Nikon光刻機的search標識，拜訪的方式是x方向從左往右間距變大，y方向從上到下間距變大

除了以上這些，還有光學關鍵尺寸的OCD標記，用于測膜厚的PAD區域以及用于電性測試的Testkey，這幾部分屬于量測和測試(WAT)的內容，以后會陸續跟大家分享，不在這里贅述了。

最后總結一下，整片光罩上基本上就有下圖中的這些東西，die區域是真正需要的、實現設計功能的芯片，而其他部分都是制造過程中用來輔助的。