Фотолитографиялық маскалар және олардың даму тарихы

Кіріспе

Фотолитографиялық құрал

Фотомаска (немесе жай ғана маска) – жарықты белгілі бір үлгіде өтуге мүмкіндік беретін мөлдір аймақтары бар, жарық өткізбейтін тақта. Фотомаскалар фотолитографияда интегралдық схемаларды (IC немесе "чиптер") өндіру үшін, әдетте кремнийден жасалған материалдың жұқа пластинкасына үлгі түсіру үшін қолданылады. Жартылай өткізгіш өндірісінде маска кейде ретикул деп аталады. Фотолитографияда бірнеше маска кезекпен қолданылады, олардың әрқайсысы дайын дизайнның бір қабатын қайта жасайды және бәрі бірге маска жиынтығы деп аталады. Иісті фотомаскаларда қисық сызықтардан тұратын үлгілер болады, бұл дәстүрлі фотомаскалардан ерекшеленеді, оларда тек тік немесе көлденең үлгілер ғана болады, бұл манхэттен геометриясы деп аталады. Мұндай фотомаскаларды жасау үшін арнайы жабдықтар қажет.

Тарих

1960 жылдары және 1970 жылдардың басында интегралды схемалардың өндірісі үшін мөлдір миляр табағына ламинатталған мөлдір емес рубилит пленкасы қолданылды. Бір қабаттың дизайны рубилитке кесіліп, бастапқыда жарықтандырылатын сызу үстелінде (кейін машинамен, яғни плоттермен) қолмен кесіліп, қажетсіз рубилит қолмен алынып, чиптің сол қабатының негізгі бейнесі құрылды, бұл көбінесе «сурет» деп аталатын. Күрделілігі артып, үлкеніп келе жатқан микросхемаларға үлкен және үлкен рубилиттер қажет болды, тіпті кейде бөлменің қабырғасын толтырды, ал суреттер фотомаскаларды жасау үшін фотографиялық түрде кішірейтілуі керек еді (ақырында бұл процестің бәрі негізгі бейнелерді жасау үшін оптикалық үлгі генераторымен алмастырылды). Осы кезде негізгі бейне ретикл деп аталатын көп чипті бейнеге жинақталуы мүмкін еді. Ретикл бастапқыда бір чиптің 10 есе үлкен суреті болды. Ретикл қадамдық және қайталағыш фотолитография және гравировка арқылы соңғы чиптің мөлшерімен бірдей фотомаска жасау үшін қолданылды. Фотомаска тікелей өндірісте немесе негізгі фотомаска ретінде, жұмыс істейтін фотомаскаларды жасау үшін пайдаланылуы мүмкін еді. Элементтердің мөлшері кішірейген сайын, суретті дұрыс фокустаудың жалғыз жолы оны тікелей пластинамен (wafer) жанастыру болды. Бұл контактілік туралау құрылғылары көбінесе пластинадан фоторезистті алып, фотомаскаға жабыстырып жіберді, сондықтан оны тазалау немесе ауыстыру қажет болды. Бұл кері фотомаскаларды пайдалануға итермеледі (жоғарыда қараңыз), олар контакттік фотолитография және гравировка арқылы қажетті көптеген жұмыс істейтін фотомаскаларды жасау үшін қолданылды. Кейіннен проекциялық фотолитография фотомасканың қызмет ету мерзімі шексіз екенін көрсетті. Ал кейінірек тікелей пластинаға қадамдық фотолитография ретиклдерді тікелей пайдаланды және фотомаскаларды қолдануды тоқтатты. Фотомаска материалдары уақыт өте келе өзгерді. Бастапқыда күміс галоидының мөлдір еместігімен сода әйнегі қолданылды. Кейін кеңеюді бақылау үшін борсиликат, содан кейін балқытылған кварц және ультракүлгін сәулелерге жақсы мөлдір еместігі бар хром енгізілді. Бастапқы үлгі генераторлары электронды сәулелі литография және лазерлік жүйелермен алмастырылды, олар түпнұсқа компьютерлік жобадан тікелей ретиклдерді жасайды.

For IC production in the 1960s and early 1970s, an opaque rubylith film laminated onto a transparent mylar sheet was used. The design of one layer was cut into the rubylith, initially by hand on an illuminated drafting table (later by machine (plotter)) and the unwanted rubylith was peeled off by hand, forming the master image of that layer of the chip, often called "artwork". Increasingly complex and thus larger chips required larger and larger rubyliths, eventually even filling the wall of a room, and artworks were to be photographically reduced to produce photomasks (Eventually this whole process was replaced by the optical pattern generator to produce the master image). At this point the master image could be arrayed into a multi chip image called a reticle. The reticle was originally a 10X larger image of a single chip. The reticle was by step and repeater photolithography and etching used to produce a photomask with image size the same as the final chip. The photomask might be used directly in the fab or be used as master photomask to produce the final actual working photomasks. As feature size shrank, the only way to properly focus the image was to place it in direct contact with the wafer. These contact aligners often lifted some of the photoresist off the wafer and onto the photomask and it had to be cleaned or discarded. This drove the adoption of reverse master photomasks (see above), which were used to produce (with contact photolithography and etching) the needed many actual working photomasks. Later, projection photo lithography meant photomask lifetime was indefinite. Still later direct step on wafer stepper photo lithography used reticles directly and ended the use of photomasks. Photomask materials changed over time. Initially soda glass was used with silver halide opacity. Later borosilicate and then fused silica to control expansion, and chromium which has better opacity to ultraviolet light were introduced. The original pattern generators have since been replaced by electron beam lithography and laser driven systems which generate reticles directly from the original computerized design.

Шолу

Литографиялық фотомаскалар әдетте хром (Cr) немесе Fe2O3 металл сіңіретін пленкамен белгіленген үлгімен жабылған мөлдір балқытылған кремний тақталары болып табылады. Фотомаскалар 365 нм, 248 нм және 193 нм толқын ұзындықтарында қолданылады. Фотомаскалар сондай-ақ сәулеленудің басқа түрлері үшін әзірленді, мысалы 157 нм, 13,5 нм (EUV), рентген сәулелері, электрондар мен иондар; бірақ олар субстрат пен үлгіні түсіру үшін мүлдем жаңа материалдарды қажет етеді. Кескінді проекциялауды пайдаланатын қадамдық және сканерлерде қолданылатын ретикул әдетте жобаланған VLSI схемасының бір ғана қабатын қамтиды. (Дегенмен, кейбір фотолитографиялық өндірістерде бір маскаға бір-бірімен қатар орналастырылған бірнеше қабаттарды қолдану мүмкіндігі де бар). Қазіргі қолданыста ретикул және фотомаска терминдері синоним ретінде қолданылады. Үлгі проекцияланып, вафли бетіне төрт-бес есе кішірейтіледі. Вафлидің толық жабылуын қамтамасыз ету үшін вафли толық экспозицияға қол жеткізгенше оптикалық бағананың астындағы позициядан позицияға бірнеше рет "қадаммен" жылжытылады. 150 нм немесе одан кіші өлшемді элементтерге кескін сапасын қанағаттанарлық деңгейге жеткізу үшін фазалық ауысу қажет болады. Мұны көптеген тәсілдермен іске асыруға болады. Екі ең көп таралған әдіс – маскадағы шағын қарқындылық шыңдарының контрастын арттыру үшін әлсіретілген фазалық ауысу фонын пайдалану немесе кварцтың ашық бөлігін өңдеу, соның нәтижесінде өңделген және өңделмеген аймақтар арасындағы жиекті нөлге жуық қарқындылықпен бейнелеу үшін пайдалану. Екінші жағдайда, қажетсіз жиектерді тағы бір экспозициямен кесу қажет. Бірінші әдіс – әлсіретілген фазалық ауысу, ол көбінесе әлсіз жақсарту ретінде қарастырылады және ең көп жақсарту үшін арнайы жарықтандыруды қажет етеді, ал екінші әдіс – ауыспалы апертуралық фазалық ауысу деп аталады және ең танымал күшті жақсарту әдісі болып табылады. Жаңа буын жартылайөткізгіш элементтердің өлшемдері кішірейген сайын, фотомаска элементтері де 4 есе үлкен өлшемдерден кішіреюі керек. Бұл сіңіретін пленканы жұқарақ етуді және демек, оның мөлдір еместігін азайтуды талап етеді, бұл қиындықтар тудыруы мүмкін. IMEC 2005 жылы жүргізген зерттеуде жұқа сіңіретін пленкалар кескін контрастын төмендететіні және демек, сызық жиегінің дөңгеленуіне (line edge roughness) әкелетіні анықталды. Бір мүмкіндік – сіңіретін пленкаларды мүлдем жою және бейнелеу үшін тек фазалық ауысуға сүйенетін "хромсыз" маскаларды пайдалану. Суға батыру литографиясының пайда болуы фотомаска талаптарына күшті әсер етеді. Көбінесе қолданылатын әлсіретілген фазалық ауысу маскасы "гипер NA" литографиясында қолданылатын жоғарырақ түсу бұрыштарына көбірек сезімтал, өйткені үлгіленген пленка арқылы өтетін оптикалық жол ұзарады. Өндіріс кезінде фотомаскалардағы өлшемдерді, яғни фотомаскадағы үлгінің өлшемдерін өлшеу үшін CD SEM (Critical Dimension Scanning Electron Microscopy) деп аталатын микроскопияның арнайы түрі қолданылады.

Lithographic photomasks are typically transparent fused silica plates covered with a pattern defined with a chromium (Cr) or Fe2O3 metal absorbing film. Photomasks are used at wavelengths of 365 nm, 248 nm, and 193 nm. Photomasks have also been developed for other forms of radiation such as 157 nm, 13.5 nm (EUV), X ray, electrons, and ions; but these require entirely new materials for the substrate and the pattern film. As used in steppers and scanners which use image projection, the reticle commonly contains only one layer of the designed VLSI circuit. (However, some photolithography fabrications utilize reticles with more than one layer placed side by side onto the same mask). In modern usage, the terms reticle and photomask aresynonymous. The pattern is projected and shrunk by four or five times onto the wafer surface. To achieve complete wafer coverage, the wafer is repeatedly "stepped" from position to position under the optical column until full exposure is achieved. Features 150 nm or below in size generally require phase shifting to enhance the image quality to acceptable values. This can be achieved in many ways. The two most common methods are to use an attenuated phase shifting background film on the mask to increase the contrast of small intensity peaks, or to etch the exposed quartz so that the edge between the etched and unetched areas can be used to image nearly zero intensity. In the second case, unwanted edges would need to be trimmed out with another exposure. The former method is attenuated phase shifting, and is often considered a weak enhancement, requiring special illumination for the most enhancement, while the latter method is known as alternating aperture phase shifting, and is the most popular strong enhancement technique. As leading edge semiconductor features shrink, photomask features that are 4× larger must inevitably shrink as well. This could pose challenges since the absorber film will need to become thinner, and hence less opaque. A 2005 study by IMEC found that thinner absorbers degrade image contrast and therefore contribute to line edge roughness, using state of the art photolithography tools. One possibility is to eliminate absorbers altogether and use "chromeless" masks, relying solely on phase shifting for imaging. The emergence of immersion lithography has a strong impact on photomask requirements. The commonly used attenuated phase shifting mask is more sensitive to the higher incidence angles applied in "hyper NA" lithography, due to the longer optical path through the patterned film. During manufacturing, inspection using a special form of microscopy called CD SEM (Critical Dimension Scanning Electron Microscopy) is used to measure critical dimensions on photomasks which are the dimensions of the patterns on a photomask.

EUV литографиясы

EUV фотомаскалары жарықты шағылыстыру арқылы жұмыс істейді, бұл молибден мен кремнийдің бірнеше кезектесіп орналасқан қабаттарын пайдалану арқылы қол жеткізіледі.

Масканың қателігін арттыру коэффициенті (MEEF)

Алдыңғы қатардағы фотомаскалардың (алдын ала түзетілген) соңғы чип үлгілерінің кескіндері төрт есе үлкейтіледі. Бұл үлкейту коэффициенті кескін қателігіне сезімталдықты азайтуда маңызды артықшылық болды. Дегенмен, элементтердің өлшемі кішірейе берген сайын екі тенденция пайда болады: біріншісі – маска қателік коэффициенті бірден асып кете бастайды, яғни пластинадағы өлшем қателігі маскадағы өлшем қателігінің 1/4 бөлігінен артық болуы мүмкін, екіншісі – маска элементі кішірейіп, өлшемге қатысты жол берілетін қателік бірнеше нанометрге жуықтап келеді. Мысалы, 25 нм пластинадағы үлгі 100 нм маскадағы үлгіге сәйкес болуы керек, бірақ пластинаның жол берілетін қателігі 1,25 нм (5% техникалық талап) болуы мүмкін, бұл фотомаскада 5 нм-ге дейін ауысады. Фотомаска үлгісін тікелей жазу кезінде электронды сәуленің шашырауындағы өзгеріс осы көрсеткіштен әлдеқайда көп болуы мүмкін.

Қабықшалар

"Пелликула" термині "пленка", "жұқа пленка" немесе "мембрана" деген мағынада қолданылады. 1960 жылдардан бастап металл жақтауға керілген жұқа пленка, сондай-ақ "пелликула" деп аталады, оптикалық құралдар үшін сәуле бөлуге пайдаланылды. Ол өте жұқа болғандықтан, жарық сәулесін оптикалық жолды өзгертусіз бөлуге мүмкіндік берді және көптеген құралдарда қолданылды. 1978 жылы Shea және тағы басқалар IBM компаниясында фотомасканы немесе ретикуланы қорғау үшін "пелликула" тозаңнан қорғағыш ретінде пайдалану процесін патенттеді. Осы мәтінде "пелликула" дегеніміз – "фотомасканы қорғауға арналған жұқа пленкалы тозаңнан қорғағыш" дегенді білдіреді. Жартылай өткізгіштерді өндіруде бөлшектермен ластану маңызды мәселе болуы мүмкін. Фотомаска бөлшектерден жұқа, мөлдір пленка арқылы қорғалады, ол фотомасканың бір жағына жабыстырылған жақтауға керіледі. Пелликула масканың бейнесінен жеткілікті қашықтықта орналасқан, сондықтан пелликулаға түсетін орташа және кішкентай бөлшектер басып шығару үшін тым шарпы болады. Бөлшектерді ұстап тұруға арналған болса да, пелликулалар бейнелеу жүйесінің бөлігі болып табылады және олардың оптикалық қасиеттерін ескеру қажет. Пелликула материалдары – нитроцеллюлоза және әртүрлі тарату толқын ұзындықтары үшін жасалған. Қазіргі пелликулалар поликремнийден жасалады, ал компаниялар жоғары NA EUV және болашақ чиптерді жасау процестері үшін басқа материалдарды зерттеп жатыр.