Фотомаска

Фотомаска маской (также называемая просто ) представляет собой непрозрачную пластину с прозрачными областями, через которые свет проходит по определенному рисунку. Фотошаблоны обычно используются в фотолитографии для производства интегральных схем (ИС или «чипов») для создания рисунка на тонкой пластине материала (обычно кремния ). В производстве полупроводников маску иногда называют сеткой . ^[1]^[2]

В фотолитографии по очереди используются несколько масок, каждая из которых воспроизводит слой завершенного дизайна, и вместе они называются набором масок . Криволинейная фотомаска имеет узоры с кривыми, что является отличием от обычных фотомасок, которые имеют только полностью вертикальные или горизонтальные узоры, известные как манхэттенская геометрия. Для изготовления таких фотошаблонов требуется специальное оборудование. ^[3]

История

непрозрачная рубилитовая пленка, ламинированная на прозрачный лист майлара Для производства микросхем в 1960-х и начале 1970-х годов использовалась . Рисунок одного слоя вырезался на рубилите сначала вручную на освещенном чертежном столе (позже на машине ( плоттере )) и ненужный рубилит удалялся вручную, образуя мастер-изображение этого слоя чипа, часто называемое «произведение искусства». Все более сложные и, следовательно, более крупные чипы требовали все больших и больших рубилитов, которые в конечном итоге даже заполняли стену комнаты, а произведения искусства приходилось фотографически уменьшать для изготовления фотомасок (в конце концов весь этот процесс был заменен генератором оптических узоров для создания мастер-изображения). На этом этапе основное изображение можно объединить в многочиповое изображение, называемое сеткой . Первоначально прицельная сетка представляла собой изображение одного чипа, увеличенное в 10 раз.

Сетка была изготовлена с помощью пошаговой фотолитографии и травления, которые использовались для создания фотомаски с размером изображения, таким же, как у конечного чипа. Фотомаску можно использовать непосредственно на производстве или использовать в качестве мастер-фотомаски для создания окончательных рабочих фотомасок.

Поскольку размер элемента уменьшился, единственным способом правильно сфокусировать изображение было поместить его в прямой контакт с пластиной. Эти контактные выравниватели часто поднимали часть фоторезиста с пластины на фотомаску, и его приходилось очищать или выбрасывать. Это привело к внедрению реверсивных мастер-фотомасок (см. выше), которые использовались для производства (с помощью контактной фотолитографии и травления) необходимого количества реальных рабочих фотомасок. Позже проекционная фотолитография привела к тому, что срок службы фотомаски стал неопределенным. с прямым наступлением на пластину Еще позже в шаговой фотолитографии использовались непосредственно сетки и прекратилось использование фотомасок.

Материалы фотомасок со временем менялись. Изначально содовое стекло ^[4] использовался с непрозрачностью на основе галогенида серебра . Позже боросиликат ^[5] а затем плавленый кварц для контроля расширения и хром , который имеет лучшую непрозрачность для ультрафиолетового света были введены . Первоначальные генераторы узоров с тех пор были заменены электронно-лучевой литографией и системами записи масок с лазерным приводом или безмасковыми литографическими системами, которые генерируют сетки непосредственно из исходного компьютеризированного дизайна.

Обзор

Имитация фотомаски. Более толстые элементы представляют собой интегральную схему, которую желательно напечатать на пластине. Более тонкие элементы — это вспомогательные устройства, которые не печатаются сами по себе, но помогают интегральной схеме лучше печатать вне фокуса. Зигзагообразный вид фотомаски обусловлен тем, что к ней была применена оптическая коррекция приближения для создания более качественного отпечатка.

Литографические фотошаблоны обычно представляют собой прозрачные пластины из плавленого кварца, покрытые узором, образованным пленкой , поглощающей металлы хрома (Cr) или Fe ₂ O ₃ . ^[6] Фотомаски используются на длинах волн 365 , 248 и 193 нм. Фотомаски также были разработаны для других форм излучения, таких как 157 нм, 13,5 нм ( EUV ), рентгеновское излучение , электроны и ионы ; но для этого требуются совершенно новые материалы для подложки и узорной пленки. ^[6]

Набор фотошаблонов , каждая из которых определяет слой рисунка при изготовлении интегральных схем , подается в фотолитографический шаговый аппарат или сканер и индивидуально отбирается для экспонирования. В методах использования нескольких шаблонов фотомаска будет соответствовать подмножеству шаблона слоя.

Исторически в фотолитографии для массового производства устройств на интегральных схемах существовало различие между термином фотосетка или просто сетка и термином фотомаска . В случае фотомаски между рисунком маски и рисунком пластины существует взаимно однозначное соответствие. Маска покрывала всю поверхность пластины, которая была полностью экспонирована за один кадр. Это был стандарт для выравнивателей масок 1:1 , на смену которым пришли степперы и сканеры с редукционной оптикой. ^[7] Используется в шаговых устройствах и сканерах, использующих проекцию изображения. ^[8] сетка обычно содержит только одну копию, также называемую одним слоем разработанной схемы СБИС . (Однако в некоторых производствах фотолитографии используются сетки с несколькими слоями, расположенными рядом на одной маске, которые используются в качестве копий для создания нескольких идентичных интегральных схем из одной фотомаски). В современном использовании термины «сетка» и «фотомаска» являются синонимами. ^[9]

В современном степпере или сканере рисунок фотошаблона проецируется и сжимается в четыре-пять раз на поверхность пластины. ^[10] Чтобы добиться полного покрытия пластины, пластину несколько раз « передвигают » из положения в положение под оптической колонной или шаговой линзой до тех пор, пока не будет достигнуто полное обнажение пластины. Фотошаблон с несколькими копиями проекта интегральной схемы используется для уменьшения количества шагов, необходимых для обнажения всей пластины, что повышает производительность.

Элементы размером 150 нм или меньше обычно требуют фазового сдвига для повышения качества изображения до приемлемых значений. Этого можно достичь разными способами. Двумя наиболее распространенными методами являются использование на маске ослабленной фазосдвигающей фоновой пленки для увеличения контраста небольших пиков интенсивности или травление экспонированного кварца так, чтобы край между протравленными и непротравленными областями можно было использовать для получения почти нулевого изображения. интенсивность. Во втором случае нежелательные края придется обрезать с помощью другой экспозиции. Первый метод представляет собой ослабленный фазовый сдвиг и часто считается слабым улучшением, требующим специального освещения для максимального улучшения, тогда как последний метод известен как фазовый сдвиг с переменной апертурой и является наиболее популярным методом сильного улучшения.

По мере того как передовые полупроводниковые элементы сокращаются , размеры фотомасок, которые в 4 раза больше, неизбежно также должны сокращаться. Это может создать проблемы, поскольку поглощающая пленка должна будет стать тоньше и, следовательно, менее непрозрачной. ^[11] Исследование, проведенное в 2005 году IMEC, с использованием современных инструментов фотолитографии показало, что более тонкие поглотители ухудшают контрастность изображения и, следовательно, способствуют шероховатости краев линий. ^[12] Одна из возможностей — полностью исключить поглотители и использовать «бесхромные» маски, полагаясь исключительно на фазовый сдвиг для визуализации. ^[13]^[14]

Появление иммерсионной литографии сильно повлияло на требования к фотошаблонам. Обычно используемая маска с ослабленным фазовым сдвигом более чувствительна к более высоким углам падения, применяемым в литографии «гипер-NA», из-за более длинного оптического пути через узорчатую пленку. ^[15] Во время производства контроль с использованием специальной формы микроскопии, называемой CD-SEM (сканирующая электронная микроскопия критических размеров), используется для измерения критических размеров фотошаблонов, которые представляют собой размеры рисунков на фотошаблоне. ^[16]

EUV-литография

Фотомаски EUV работают за счет отражения света. ^[17] Это достигается за счет использования нескольких чередующихся слоев молибдена и кремния .

Коэффициент увеличения ошибки маски (MEEF)

Передовые фотошаблоны (предварительно скорректированные) изображения окончательного рисунка микросхем увеличиваются в четыре раза. Этот коэффициент увеличения стал ключевым преимуществом в снижении чувствительности изображения к ошибкам визуализации. Однако по мере того, как характеристики продолжают уменьшаться, в игру вступают две тенденции: первая заключается в том, что коэффициент ошибки маски начинает превышать единицу, т. е. ошибка размера на пластине может составлять более 1/4 ошибки размера на маске; ^[18] а во-вторых, элемент маски становится меньше, а допуск на размер приближается к нескольким нанометрам. Например, шаблон пластины 25 нм должен соответствовать шаблону маски 100 нм, но допуск пластины может составлять 1,25 нм (спецификация 5%), что соответствует 5 нм на фотошаблоне. Изменение рассеяния электронного луча при прямой записи рисунка фотомаски может легко превысить это значение. ^[19]^[20]

Пелликулы

Термин «пелликула» используется для обозначения «пленки», «тонкой пленки» или «мембраны». Начиная с 1960-х годов тонкая пленка, натянутая на металлический каркас, также известная как «пленка», использовалась в качестве светоделителя для оптических приборов. Он использовался в ряде инструментов для разделения луча света, не вызывая смещения оптического пути из-за небольшой толщины пленки. В 1978 году Ши и др. Компания IBM запатентовала процесс использования «пленки» в качестве пылезащитного чехла для защиты фотомаски или сетки. В контексте этой записи «пелликула» означает «тонкопленочный пылезащитный чехол для защиты фотомаски».

Загрязнение частицами может стать серьезной проблемой при производстве полупроводников. Фотомаска защищена от частиц пелликулой – тонкой прозрачной пленкой, натянутой на рамку, которая наклеивается на одну сторону фотомаски. Пелликула находится достаточно далеко от шаблонов маски, поэтому частицы среднего и малого размера, попадающие на пленку, будут слишком далеко не в фокусе для печати. Хотя они предназначены для защиты от частиц, пленки становятся частью системы визуализации, и необходимо учитывать их оптические свойства. Материалом пленок является нитроцеллюлоза, рассчитанная на различные длины волн передачи. Современные пленки изготавливаются из поликремния, и компании изучают другие материалы для EUV с высокой числовой апертурой и будущих процессов производства чипов. ^[21] ^[22]

Ведущие производители коммерческих фотомасок

Ежегодная конференция SPIE Photomask Technology сообщает об оценке индустрии масок SEMATECH , которая включает в себя текущий анализ отрасли и результаты ежегодного опроса производителей фотомасок. Следующие компании перечислены в порядке их доли на мировом рынке (информация за 2009 г.): ^[23]

Дай Ниппон Печать
Топпан Фотомаски
Фотороникс Инк
Хойя Корпорация
Тайваньская корпорация масок
Компьютерная графика

Крупнейшие производители микросхем, такие как Intel , Globalfoundries , IBM , NEC , TSMC , UMC , Samsung и Micron Technology , имеют собственные крупные предприятия по производству масок или совместные предприятия с вышеупомянутыми компаниями.

В 2012 году мировой рынок фотомасок оценивался в 3,2 миллиарда долларов. ^[24] и 3,1 миллиарда долларов в 2013 году. Почти половина рынка приходилась на магазины масок (собственные магазины масок крупных производителей чипов). ^[25]

Затраты на создание нового масочного цеха для техпроцессов 180 нм оценивались в 2005 году в $40 млн, а для 130 нм — более $100 млн. ^[26]

Цена покупки фотомаски в 2006 году могла варьироваться от 250 до 100 000 долларов. ^[27] для одной высококачественной маски с фазовым сдвигом . Для формирования полного набора масок может потребоваться до 30 масок (разной цены). Поскольку современные чипы состоят из нескольких слоев, наложенных друг на друга, для каждого из этих слоев требуется как минимум одна маска.

См. также

Защита макета интегральной схемы (или «Масковая работа»)
Проверка маски
Nanochannel glass materials
SMIF-интерфейс
Уровень шага

Ссылки

^ «Производство прицелов» . ОАК . Проверено 5 января 2024 г.
^ Диас, СЛМ; Фаулер, Дж.В.; Пфунд, Мэн; Макулак, GT; Хики, М. (ноябрь 2005 г.). «Оценка влияния требований к сетке при производстве полупроводниковых пластин» . Транзакции IEEE по производству полупроводников . 18 (4): 622–632. дои : 10.1109/TSM.2005.858502 . ISSN 0894-6507 . S2CID 37911295 .
^ «В поисках криволинейных фотомасок» . 15 апреля 2021 г.
^ Введение в микротехнологию . Джон Уайли и сыновья. 29 октября 2010 г. ISBN. 978-1-119-99189-2 .
^ Справочник по технологии изготовления фотошаблонов . ЦРК Пресс. 3 октября 2018 г. ISBN 978-1-4200-2878-2 .
^ Jump up to: ^а ^б Шубхам, Кумар н (2021). Изготовление интегральных схем . Анкадж Гупта. Абингдон, Оксон. ISBN 978-1-000-39644-7 . OCLC 1246513110 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ Ризви, Сайед (2005). «1.3 История технологий масок». Справочник по технологии изготовления фотошаблонов . ЦРК Пресс. п. 728. ИСБН 9781420028782 .
^ Принципы литографии . СПАЙ Пресс. 2005. ISBN 978-0-8194-5660-1 .
^ «Сетка» .
^ Эксперты по литографии поддерживают более высокое увеличение фотомасок, чтобы облегчить проблемы // EETimes 2000
^ Ю. Сато и др., Proc. СПИЭ , том. 4889, с. 50-58 (2002).
^ М. Йошизава и др., Proc. СПИЭ , том. 5853, стр. 243-251 (2005).
^ Тох, Кенни К.; Дао, Цзян Т.; Сингх, Раджив Р.; Гау, Генри Т. (1991). «Бессхромированные фазосдвигающие маски: новый подход к фазосдвигающим маскам» . В Уайли, Джеймс Н. (ред.). 10-й ежегодный симпозиум по микролитографии . Том. 1496. стр. 27–53. дои : 10.1117/12.29750 . S2CID 109009678 .
^ Эом, Тэ Сын; Лим, Чанг М.; Ким, Со-Мин; Ким, Хи-Бом; О, Се-Ён; Ма, Вон-Кван; Мун, Сын Чан; Шин, Ки С. (2003). «Сравнительное исследование бесхромовой и ослабленной маски фазового сдвига для 0,3-k 1 ArF-литографии DRAM» . В Йене, Энтони (ред.). Оптическая микролитография XVI . Том. 5040. стр. 1310–1320. дои : 10.1117/12.485452 . S2CID 109838206 .
^ CA Mack et al., Proc. СПИЭ , том. 5992, стр. 306-316 (2005).
^ «CD-SEM: сканирующий электронный микроскоп критического размера» .
^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2 июня 2017 г. Проверено 23 июня 2019 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
^ Э. Хендрикс и др. , учеб. ШПИЕ 7140, 714007 (2008).
^ СиДжей. Чен и др. , учеб. SPIE 5256, 673 (2003).
^ БХ. Ченг и Дж. Фарнсворт, Proc. SPIE 6607, 660724 (2007).
^ https://community.cadence.com/cadence_blogs_8/b/breakfast-bytes/posts/what-is-high-na-euv
^ Крис А. Мак (ноябрь 2007 г.). «Оптическое поведение пленок» . Микролитография Мир . Проверено 13 сентября 2008 г.
^ Хьюз, Грег; Генри Юн (01 октября 2009 г.). «Оценка индустрии масок: 2009». Труды SPIE . 7488 (1): 748803–748803–13. Бибкод : 2009SPIE.7488E..03H . дои : 10.1117/12.832722 . ISSN 0277-786X . S2CID 86650806 .
^ Чамнесс, Лара (7 мая 2013 г.). «Рынок полупроводниковых фотомасок: прогноз в 3,5 миллиарда долларов в 2014 году» . SEMI Отраслевые исследования и статистика . Проверено 6 сентября 2014 г.
^ Трейси, Дэн; Дебора Гейгер (14 апреля 2014 г.). «SEMI сообщает, что объем продаж полупроводниковых фотомасок в 2013 году составил 3,1 миллиарда долларов» . ПОЛУ . Проверено 6 сентября 2014 г.
^ Вебер, Чарльз М.; Берглунд, К. Нил (9 февраля 2005 г.). «Перспектива магазина масок». Анализ экономики производства фотомасок. Часть 1: Экономическая среда (PDF) . Мастер-класс по автоматизации масок ИСМТ. п. 6. Архивировано из оригинала (PDF) 3 марта 2016 г. Капиталоемкая промышленность. Уровни инвестиций….. – ~ 40 миллионов долларов для «обычных» (узел 180 нм или выше) – > 100 миллионов долларов для «продвинутых» (узел 130 нм и выше)
^ Вебер, КМ; Берглунд, Китай; Габелла, П. (13 ноября 2006 г.). «Стоимость масок и рентабельность производства фотомасок: эмпирический анализ» (PDF) . Транзакции IEEE по производству полупроводников . 19 (4): 465–474. дои : 10.1109/TSM.2006.883577 . S2CID 2236552 . дои:10.1109/TSM.2006.883577 ; стр. 23 таблица 1

[1] «Производство прицелов» . ОАК . Проверено 5 января 2024 г.

[2] Диас, СЛМ; Фаулер, Дж.В.; Пфунд, Мэн; Макулак, GT; Хики, М. (ноябрь 2005 г.). «Оценка влияния требований к сетке при производстве полупроводниковых пластин» . Транзакции IEEE по производству полупроводников . 18 (4): 622–632. дои : 10.1109/TSM.2005.858502 . ISSN 0894-6507 . S2CID 37911295 .

[3] «В поисках криволинейных фотомасок» . 15 апреля 2021 г.

[4] Введение в микротехнологию . Джон Уайли и сыновья. 29 октября 2010 г. ISBN. 978-1-119-99189-2 .

[5] Справочник по технологии изготовления фотошаблонов . ЦРК Пресс. 3 октября 2018 г. ISBN 978-1-4200-2878-2 .

[:0-6] Jump up to: ^а ^б Шубхам, Кумар н (2021). Изготовление интегральных схем . Анкадж Гупта. Абингдон, Оксон. ISBN 978-1-000-39644-7 . OCLC 1246513110 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

[7] Ризви, Сайед (2005). «1.3 История технологий масок». Справочник по технологии изготовления фотошаблонов . ЦРК Пресс. п. 728. ИСБН 9781420028782 .

[8] Принципы литографии . СПАЙ Пресс. 2005. ISBN 978-0-8194-5660-1 .

[9] «Сетка» .

[10] Эксперты по литографии поддерживают более высокое увеличение фотомасок, чтобы облегчить проблемы // EETimes 2000

[Sato_2002-11] Ю. Сато и др., Proc. СПИЭ , том. 4889, с. 50-58 (2002).

[Yoshizawa_2005-12] М. Йошизава и др., Proc. СПИЭ , том. 5853, стр. 243-251 (2005).

[13] Тох, Кенни К.; Дао, Цзян Т.; Сингх, Раджив Р.; Гау, Генри Т. (1991). «Бессхромированные фазосдвигающие маски: новый подход к фазосдвигающим маскам» . В Уайли, Джеймс Н. (ред.). 10-й ежегодный симпозиум по микролитографии . Том. 1496. стр. 27–53. дои : 10.1117/12.29750 . S2CID 109009678 .

[14] Эом, Тэ Сын; Лим, Чанг М.; Ким, Со-Мин; Ким, Хи-Бом; О, Се-Ён; Ма, Вон-Кван; Мун, Сын Чан; Шин, Ки С. (2003). «Сравнительное исследование бесхромовой и ослабленной маски фазового сдвига для 0,3-k 1 ArF-литографии DRAM» . В Йене, Энтони (ред.). Оптическая микролитография XVI . Том. 5040. стр. 1310–1320. дои : 10.1117/12.485452 . S2CID 109838206 .

[Mack_2005-15] CA Mack et al., Proc. СПИЭ , том. 5992, стр. 306-316 (2005).

[16] «CD-SEM: сканирующий электронный микроскоп критического размера» .

[17] «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2 июня 2017 г. Проверено 23 июня 2019 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )

[18] Э. Хендрикс и др. , учеб. ШПИЕ 7140, 714007 (2008).

[19] СиДжей. Чен и др. , учеб. SPIE 5256, 673 (2003).

[20] БХ. Ченг и Дж. Фарнсворт, Proc. SPIE 6607, 660724 (2007).

[21] ttps://community.cadence.com/cadence_blogs_8/b/breakfast-bytes/posts/what-is-high-na-euv

[22] Крис А. Мак (ноябрь 2007 г.). «Оптическое поведение пленок» . Микролитография Мир . Проверено 13 сентября 2008 г.

[23] Хьюз, Грег; Генри Юн (01 октября 2009 г.). «Оценка индустрии масок: 2009». Труды SPIE . 7488 (1): 748803–748803–13. Бибкод : 2009SPIE.7488E..03H . дои : 10.1117/12.832722 . ISSN 0277-786X . S2CID 86650806 .

[24] Чамнесс, Лара (7 мая 2013 г.). «Рынок полупроводниковых фотомасок: прогноз в 3,5 миллиарда долларов в 2014 году» . SEMI Отраслевые исследования и статистика . Проверено 6 сентября 2014 г.

[25] Трейси, Дэн; Дебора Гейгер (14 апреля 2014 г.). «SEMI сообщает, что объем продаж полупроводниковых фотомасок в 2013 году составил 3,1 миллиарда долларов» . ПОЛУ . Проверено 6 сентября 2014 г.

[26] Вебер, Чарльз М.; Берглунд, К. Нил (9 февраля 2005 г.). «Перспектива магазина масок». Анализ экономики производства фотомасок. Часть 1: Экономическая среда (PDF) . Мастер-класс по автоматизации масок ИСМТ. п. 6. Архивировано из оригинала (PDF) 3 марта 2016 г. Капиталоемкая промышленность. Уровни инвестиций….. – ~ 40 миллионов долларов для «обычных» (узел 180 нм или выше) – > 100 миллионов долларов для «продвинутых» (узел 130 нм и выше)

[27] Вебер, КМ; Берглунд, Китай; Габелла, П. (13 ноября 2006 г.). «Стоимость масок и рентабельность производства фотомасок: эмпирический анализ» (PDF) . Транзакции IEEE по производству полупроводников . 19 (4): 465–474. дои : 10.1109/TSM.2006.883577 . S2CID 2236552 . дои:10.1109/TSM.2006.883577 ; стр. 23 таблица 1

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]