Фотошаблон (также просто называемый маской ) — это непрозрачная пластина с прозрачными областями, которые позволяют свету просвечивать в определенном узоре. 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 несколько масок используются по очереди, каждая из которых воспроизводит слой готового дизайна, и вместе они называются набором масок . Криволинейная фотомаска имеет шаблоны с изгибами, что является отходом от обычных фотошаблонов, которые имеют только полностью вертикальные или горизонтальные шаблоны, известные как манхэттенская геометрия. Для изготовления этих фотошаблонов требуется специальное оборудование. [3]
Для производства ИС в 1960-х и начале 1970-х годов использовалась непрозрачная рубилитовая пленка, ламинированная на прозрачный лист майлара . Рисунок одного слоя вырезался на рубилите, сначала вручную на освещенном чертежном столе (позже на машине ( плоттере )), а нежелательный рубилит снимался вручную, формируя главное изображение этого слоя чипа, часто называемое «произведением искусства». Все более сложные и, следовательно, более крупные чипы требовали все больших и больших рубилитов, в конечном итоге заполняя даже стену комнаты, и произведения искусства должны были фотографически уменьшаться для производства фотошаблонов (в конце концов весь этот процесс был заменен оптическим генератором шаблонов для получения главного изображения). На этом этапе главное изображение могло быть выстроено в многочиповое изображение, называемое сеткой . Сетка изначально была в 10 раз большим изображением одного чипа.
Сетка была использована с помощью пошаговой и повторной фотолитографии и травления для создания фотошаблона с размером изображения, как у окончательного чипа. Фотошаблон можно было использовать непосредственно на фабрике или использовать в качестве мастер-фотомаски для производства окончательных рабочих фотошаблонов.
По мере уменьшения размера элемента единственным способом правильно сфокусировать изображение было поместить его в прямой контакт с пластиной. Эти контактные выравниватели часто поднимали часть фоторезиста с пластины на фотошаблон, и его приходилось очищать или выбрасывать. Это привело к принятию обратных мастер-фотошаблонов (см. выше), которые использовались для производства (с помощью контактной фотолитографии и травления) необходимого количества фактически рабочих фотошаблонов. Позже проекционная фотолитография означала, что срок службы фотошаблона был неопределенным. Еще позже шаговая фотолитография с прямым шагом на пластине использовала сетки напрямую и положила конец использованию фотошаблонов.
Материалы фотошаблонов со временем менялись. Первоначально использовалось натриевое стекло [4] с непрозрачностью галогенида серебра . Позже были введены боросиликат [5], а затем плавленый кварц для контроля расширения и хром , который имеет лучшую непрозрачность для ультрафиолетового света . Первоначальные генераторы шаблонов с тех пор были заменены электронно-лучевой литографией и лазерным писателем масок или системами безмасковой литографии , которые генерируют сетки непосредственно из оригинального компьютерного дизайна.
Литографические фотошаблоны обычно представляют собой прозрачные пластины из плавленого кварца, покрытые рисунком, определенным поглощающей пленкой из хрома (Cr) или Fe 2 O 3. [6] Фотошаблоны используются на длинах волн 365 нм , 248 нм и 193 нм. Фотошаблоны также были разработаны для других форм излучения, таких как 157 нм, 13,5 нм ( EUV ), рентгеновские лучи , электроны и ионы ; но для них требуются совершенно новые материалы для подложки и пленки рисунка. [6]
Набор фотошаблонов , каждый из которых определяет слой шаблона в производстве интегральных схем , подается в фотолитографический шаговый двигатель или сканер и индивидуально выбирается для экспозиции. В методах многошаблонного создания фотошаблон будет соответствовать подмножеству шаблона слоя.
Исторически в фотолитографии для массового производства интегральных схем существовало различие между термином фотосетка или просто сетка и термином фотошаблон . В случае фотошаблона существует однозначное соответствие между рисунком маски и рисунком пластины. Маска покрывала всю поверхность пластины, которая полностью экспонировалась за один снимок. Это был стандарт для выравнивателей масок 1:1 , за которыми последовали шаговые двигатели и сканеры с оптикой уменьшения. [7] При использовании в шаговых двигателях и сканерах, использующих проекцию изображения, [8] сетка обычно содержит только одну копию, также называемую одним слоем разработанной схемы СБИС . (Однако некоторые фотолитографические производства используют сетки с более чем одним слоем, размещенным рядом на одной и той же маске, используемой в качестве копий для создания нескольких идентичных интегральных схем из одной фотошаблона). В современном использовании термины сетка и фотошаблон являются синонимами. [9]
В современном шаговом или сканере рисунок в фотошаблоне проецируется и сжимается в четыре или пять раз на поверхность пластины. [10] Для достижения полного покрытия пластины пластина многократно « перемещается » из положения в положение под оптической колонной или линзой шагового двигателя до тех пор, пока не будет достигнута полная экспозиция пластины. Фотошаблон с несколькими копиями конструкции интегральной схемы используется для сокращения количества шагов, необходимых для экспонирования всей пластины, тем самым увеличивая производительность.
Для деталей размером 150 нм или ниже обычно требуется фазовый сдвиг для улучшения качества изображения до приемлемых значений. Этого можно добиться разными способами. Два наиболее распространенных метода — использовать ослабленную фазосдвигающую фоновую пленку на маске для увеличения контраста небольших пиков интенсивности или протравить экспонированный кварц так, чтобы край между протравленными и нетравленными областями можно было использовать для изображения почти нулевой интенсивности. Во втором случае нежелательные края необходимо будет обрезать с помощью другой экспозиции. Первый метод — это ослабленный фазовый сдвиг , и его часто считают слабым улучшением, требующим специального освещения для наибольшего улучшения, в то время как последний метод известен как фазовый сдвиг с чередующейся апертурой и является наиболее популярной техникой сильного улучшения.
Поскольку передовые полупроводниковые элементы уменьшаются , элементы фотошаблона, которые в 4 раза больше, неизбежно также должны уменьшаться. Это может создать проблемы, поскольку пленка поглотителя должна будет стать тоньше и, следовательно, менее непрозрачной. [11] Исследование IMEC 2005 года показало, что более тонкие поглотители ухудшают контрастность изображения и, следовательно, способствуют шероховатости края линии, с использованием современных фотолитографических инструментов. [12] Одна из возможностей заключается в полном исключении поглотителей и использовании «хромированных» масок, полагаясь исключительно на сдвиг фазы для формирования изображения. [13] [14]
Появление иммерсионной литографии оказало сильное влияние на требования к фотошаблонам. Обычно используемая ослабленная фазосдвигающая маска более чувствительна к более высоким углам падения, применяемым в литографии "hyper-NA", из-за более длинного оптического пути через узорчатую пленку. [15] Во время производства проверка с использованием специальной формы микроскопии, называемой CD-SEM (Critical-Dimension Scanning Electron Microscopy), используется для измерения критических размеров на фотошаблонах, которые являются размерами рисунков на фотошаблоне. [16]
EUV-фотошаблоны работают по принципу отражения света [17], что достигается за счет использования нескольких чередующихся слоев молибдена и кремния .
Изображения передовых фотошаблонов (предварительно скорректированных) окончательных шаблонов чипов увеличены в четыре раза. Этот коэффициент увеличения стал ключевым преимуществом в снижении чувствительности шаблона к ошибкам изображения. Однако по мере того, как элементы продолжают уменьшаться, в игру вступают две тенденции: во-первых, коэффициент ошибки маски начинает превышать единицу, т. е. ошибка размера на пластине может составлять более 1/4 ошибки размера на маске, [18] и, во-вторых, элемент маски становится меньше, а допуск размера приближается к нескольким нанометрам. Например, шаблон пластины 25 нм должен соответствовать шаблону маски 100 нм, но допуск пластины может составлять 1,25 нм (5% спецификации), что соответствует 5 нм на фотошаблоне. Изменение рассеяния электронного пучка при прямой записи шаблона фотошаблона может легко превзойти это. [19] [20]
Термин «пленка» используется для обозначения «пленки», «тонкой пленки» или «мембраны». Начиная с 1960-х годов тонкая пленка, натянутая на металлическую рамку, также известная как «пленка», использовалась в качестве расщепителя луча для оптических приборов. Она использовалась в ряде приборов для разделения луча света, не вызывая смещения оптического пути из-за малой толщины пленки. В 1978 году Ши и др. в IBM запатентовали процесс использования «пленки» в качестве пылезащитного покрытия для защиты фотошаблона или сетки. В контексте этой записи «пленка» означает «тонкопленочное пылезащитное покрытие для защиты фотошаблона».
Загрязнение частицами может быть существенной проблемой в производстве полупроводников. Фотошаблон защищен от частиц пленкой — тонкой прозрачной пленкой, натянутой на рамку, которая приклеена к одной стороне фотошаблона. Пленка находится достаточно далеко от шаблонов маски, так что частицы среднего и малого размера, которые попадают на пленку, будут слишком далеко от фокуса для печати. Хотя они предназначены для удержания частиц, пленки становятся частью системы формирования изображения, и их оптические свойства необходимо учитывать. Материалом пленок является нитроцеллюлоза, и они предназначены для различных длин волн пропускания. Текущие пленки изготавливаются из поликремния, и компании изучают другие материалы для высокочипового EUV и будущих процессов изготовления чипов. [21] [22]
Ежегодная конференция SPIE , технология фотошаблонов, сообщает оценку SEMATECH Mask Industry Assessment, которая включает текущий анализ отрасли и результаты их ежегодного опроса производителей фотошаблонов. Следующие компании перечислены в порядке их доли на мировом рынке (данные за 2009 год): [23]
Крупнейшие производители микросхем, такие как Intel , Globalfoundries , IBM , NEC , TSMC , UMC , Samsung и Micron Technology , имеют собственные крупные мощности по изготовлению масок или совместные предприятия с вышеупомянутыми компаниями.
Мировой рынок фотошаблонов оценивался в 3,2 млрд долларов в 2012 году [24] и в 3,1 млрд долларов в 2013 году. Почти половина рынка приходилась на внутренние цеха по производству масок (внутренние цеха по производству масок крупных производителей микросхем). [25]
Затраты на создание нового масочного цеха для 180 нм процессов оценивались в 2005 году в 40 млн долларов, а для 130 нм — более чем в 100 млн долларов. [26]
Цена покупки фотошаблона в 2006 году могла варьироваться от 250 до 100 000 долларов [27] за одну высококачественную маску сдвига фаз . Для формирования полного набора масок может потребоваться до 30 масок (разной цены). Поскольку современные чипы строятся в несколько слоев, наложенных друг на друга, для каждого из этих слоев требуется как минимум одна маска.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )Капиталоемкая отрасль. Уровни инвестиций….. – ~$40M для «обычных» (180-нм узел или выше) – >$100M для «продвинутых» (130-нм узел и выше)