光罩是什麼？怎麼做出來，一套為什麼那麼貴

光罩（photomask，也叫 reticle）是曝光用的「底片」：一片畫著電路圖案的透明石英板，有金屬膜的地方擋光，沒膜的地方透光。曝光機讓光穿過它，再用鏡頭把圖案縮小，印到晶圓上。晶片的每一層圖案至少要一片光罩，一整套常有幾十片；每一片都要畫得極細、極準，一個缺陷都不能留，所以很貴。

光罩在做什麼？像一個印章

晶片的圖案是用光「印」上去的，這一步叫微影，台灣的晶圓廠口語叫黃光：晶圓上塗一層怕光的光阻，隔著光罩照光，照到的地方光阻就變了，洗掉之後留下圖案。整套步驟見「微影（黃光）是什麼？」。

光罩上的圖案通常畫成晶片上的四倍大，鏡頭縮小之後再印。一次只印一小格，叫一個曝光區；印完一格，晶圓移一下再印下一格，像拿同一個印章蓋滿一張紙。所以光罩上多一個點，每一格的同一個位置都會多一個點，還會一批接一批印下去。

光罩長什麼樣子？

• 一片很平的石英板：常見的是邊長大約 15 公分（6 吋）、6 毫米多厚的正方形。石英是很純的玻璃，曝光用的紫外光穿得過去。
• 一層遮光的金屬膜：常見的是鉻，畫成電路的形狀。
• 一層保護膜：浮在圖案上方，替圖案擋灰塵（第 5 步會講）。

最先進的極紫外光（EUV）曝光機是例外：光罩本身是一面反射光的鏡子，上面畫著會吸光的圖案，見「極紫外光（EUV）是什麼？」。

為什麼一顆晶片要幾十片光罩？

晶片像蓋大樓，一層一層蓋上去：最底下是電晶體，也就是開關；上面是一層一層的金屬導線。每一層的形狀都不一樣，各要至少一片光罩；最細的幾層，有時還要拆成兩、三次分開印，每一次各用一片。所以一整套常有幾十片，製程越先進越多。

光罩是怎麼做出來的？

光罩在專門的工廠做，叫光罩廠：有的是晶圓廠自己的，有的專門替別人做。做法跟晶圓上的黃光很像：塗光阻、照、顯影、蝕刻；差別在光罩是第一張底片，沒有底片可以拿來印，只能一筆一筆畫。

第 1 步：把設計檔改成「印得出來」的樣子

• 做什麼：晶片設計完成、交出去，叫下線。最細的那些層，圖案先用電腦加上修正，叫 OPC（光學鄰近修正），故意畫得跟想要的不太一樣，例如在線的末端多加一小塊。修正好的圖交到光罩廠，再放大成四倍，切成機器寫得出來的小方塊。
• 為什麼：線細到跟曝光的光的波長差不多，甚至更細，照原樣印，角會變圓、線的末端會縮短。
• 不這樣會怎樣：印出來跟設計對不上，該接的接不上。OPC 見「OPC 是什麼？」。

第 2 步：用電子束或雷射，一筆一筆寫上去

• 做什麼：拿一片空白光罩：石英板上鍍好鉻，再塗好一層光阻。寫入機用聚得很細的電子束，照著檔案一小塊一小塊照過去；沒那麼細的層也可以用雷射。
• 為什麼：電子束能聚得非常細，畫得出最細的圖案；雷射比較快，但畫不了那麼細。
• 不這樣會怎樣：寫的時候機器只要飄一點，畫上去的圖案位置就跟著偏；印到晶圓上，這一層就對不準下面那一層（見「疊對是什麼？」）。

第 3 步：顯影、蝕刻，把圖案刻進鉻裡

• 做什麼：顯影把照過的光阻洗掉（也有相反的光阻），露出底下的鉻；把露出來的鉻蝕刻掉，再去掉剩下的光阻。
• 為什麼：真正擋光的是鉻，光阻只是過程中的模板。
• 不這樣會怎樣：鉻沒刻乾淨，該透光的地方還擋著；刻過頭，線就變細了。

第 4 步：量、檢查、修補

• 做什麼：量線多寬、位置準不準；檢查機掃過整片，拿兩塊一樣的圖互相比，或跟設計檔比，找出多一塊、少一塊和髒點。找到的，用很細的電子束或離子束去掉多的、補上少的。
• 為什麼：光罩上一個印得出來的缺陷，會印在每一片晶圓的每一格上。
• 不這樣會怎樣：一個沒抓到的點，可能讓很多顆晶片一起壞，良率跟著掉。修不好的，只能重做一片。

第 5 步：洗乾淨，貼上保護膜

• 做什麼：最後洗乾淨、再檢查一次，貼上保護膜（pellicle，也叫護膜）：一圈框架撐著一層很薄的透明膜，浮在圖案上方幾毫米。
• 為什麼：灰塵掉在膜上，離圖案太遠，對不到焦，多半印不出來。
• 不這樣會怎樣：灰塵直接落在圖案上，就會清清楚楚印在每一格。保護膜之後怎麼顧，見「光罩工程師在做什麼？」。

第 6 步：裝盒，出貨到晶圓廠

• 做什麼：裝進專用的光罩盒，附上檢查報告，送到晶圓廠。
• 為什麼：一路上不能碰、不能進灰塵，也不能受潮。
• 不這樣會怎樣：路上要是有一顆微粒跑進保護膜底下、落在圖案上，一樣會印出來（落在膜上的多半不會）；所以晶圓廠收到之後，還會自己再檢查一次。

既然電子束畫得出來，為什麼不直接畫在晶圓上？

因為太慢。光罩只要一筆一筆畫一次；之後曝光機每一格只照一下，一片晶圓要印幾十到上百格也很快，同一片光罩還能印很多片晶圓。每一片都用電子束直接畫，量產做不來；所以電子束多半用在做光罩、做研究，或只做很少片的東西。

一套光罩為什麼那麼貴？

• 要畫得極準：圖案縮小四倍，誤差也跟著縮小；可是晶片上最細的線只有幾十奈米寬，剩下的一點點誤差，也可能讓線寬或位置跑出規格。
• 一個缺陷都不能留：整片都要一個不漏地檢查、修補；光是檢查，就佔掉做光罩很大一部分的時間。
• 寫得很久：修正越多，邊邊角角越多，要寫的筆數越多，多半寫得越久。寫入機和檢查機都很貴，佔用越久，花得越多。
• 一套很多片，只有一個用途：每一片只為這顆晶片的這一層做，別的晶片用不上。
• 越先進越貴：線更細、修正更多、片數更多，極紫外光的光罩又更難做。

這些錢怎麼攤到每一顆晶片上，見「晶片為什麼這麼貴？」。也因為這樣，下線之後才發現設計有錯，重做光罩就是錢和時間一起賠進去。

在 fab24hr 裡

遊戲裡沒有做光罩的那一段，光罩廠只在電話裡出現。主線「晶片的一生」的序章裡，螢火的設計交給晶圓廠，做成一套光罩，這叫「下線」。第 3 章「壞的形狀」，你是研發整合工程師：一張晶圓圖上，每一個曝光區的同一個位置都壞，問題跟著光罩走；下午四點的光罩會議，要決定下一版光罩要不要留兩格自己的測試鍵。

想顧光罩，就按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「量產廠」，左右滑到光罩工程師（標著 Beta）。光罩寄進廠之後就歸你管：早班，洗過寄回來的光罩，你自己收貨再檢查；午班，保護膜上有一道刮痕，這一層沒有備用；晚班，每一個曝光區同一個位置都有同一個點。遊戲裡的公司、光罩廠、晶片、人物、光罩編號和數字都是虛構的；光罩怎麼做、為什麼貴，照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。