Фотолитографические маски: типы, материалы и эволюция технологий.

Введение

Фотолитографический инструмент.

Фотомаска (также просто маска) – это непрозрачная пластина с прозрачными участками, пропускающими свет в заданном рисунке. Фотомаски широко используются в фотолитографии для производства интегральных схем (ИС или "чипов") с целью нанесения рисунка на тонкую пластину материала (обычно кремния). В производстве полупроводников маску иногда называют ретикулой. В фотолитографии используется несколько масок последовательно, каждая из которых воспроизводит один слой готового изделия, и вместе они образуют набор масок. Криволинейная фотомаска содержит рисунки с кривыми линиями, что отличается от традиционных фотомасок, имеющих только строго вертикальные или горизонтальные элементы, известные как манхэттенская геометрия. Для изготовления таких фотомасок требуется специальное оборудование.

История

Для производства ИС в 1960-х и начале 1970-х годов использовалась непрозрачная плёнка рубилита, ламинированная на прозрачную миларовую основу. Дизайн одного слоя вырезался в рубилите сначала вручную на освещённом чертёжном столе (позже – машинным способом, с помощью плоттера), а ненужный рубилит удалялся вручную, формируя мастер-изображение этого слоя чипа, часто называемое «художественным оформлением» или просто «оформлением». По мере усложнения и увеличения размеров чипов требовались всё более крупные рубилиты, которые в конечном итоге могли заполнять целую стену помещения. Эти оформления затем фотографически уменьшались для изготовления фотомасок (впоследствии весь этот процесс был заменён оптическим генератором шаблонов для создания мастер-изображения). Полученное мастер-изображение могло быть скомпоновано в многочиповое изображение, называемое ретикулой. Изначально ретикула представляла собой изображение чипа, увеличенное в 10 раз. Ретикулу использовали в сочетании с пошаговой и повторяющейся фотолитографией и травлением для создания фотомаски с размером изображения, соответствующим размеру финального чипа. Фотомаску можно было использовать непосредственно в производстве или как мастер-фотомаску для изготовления окончательных рабочих фотомасок. С уменьшением размеров элементов единственным способом обеспечить надлежащую фокусировку изображения был прямой контакт с кремниевой пластиной. Эти контактные выравниватели часто отслаивали часть фоторезиста с пластины и переносили на фотомаску, что требовало её очистки или утилизации. Это стимулировало внедрение обратных мастер-фотомасок (см. выше), которые использовались для производства (с помощью контактной фотолитографии и травления) необходимого количества рабочих фотомасок. Позже, с появлением проекционной фотолитографии, срок службы фотомасок стал неограниченным. Ещё позже, прямая пошаговая фотолитография на пластине стала использовать ретикулы напрямую, что положило конец использованию фотомасок. Материалы для фотомасок менялись со временем. Первоначально использовалось содовое стекло с непрозрачностью на основе галогенидов серебра. Затем были введены боросиликатное стекло и, впоследствии, кварцевое стекло для контроля теплового расширения, а также хром, обладающий лучшей непрозрачностью для ультрафиолетового излучения. Первоначальные генераторы шаблонов были заменены электронной литографией и лазерными системами, которые генерируют ретикулы непосредственно из исходного компьютерного проекта.

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.

Обзор

Литографические фотомаски обычно представляют собой прозрачные пластины из кварцевого стекла, покрытые рисунком, сформированным поглощающей металлической пленкой из хрома (Cr) или Fe2O3. Фотомаски используются при длинах волн 365 нм, 248 нм и 193 нм. Также были разработаны фотомаски для других видов излучения, таких как 157 нм, 13,5 нм (EUV), рентгеновское излучение, электроны и ионы; однако для них требуются совершенно новые материалы как для подложки, так и для рисующей пленки. При использовании в степперах и сканерах, применяющих проекцию изображения, ретикула обычно содержит только один слой проектируемой схемы СБИС. (Однако некоторые фотолитографические производства используют ретикулы с несколькими слоями, расположенными рядом друг с другом на одной маске). В современной практике термины "ретикула" и "фотомаска" являются синонимами. Рисунок проецируется и уменьшается в четыре или пять раз на поверхность подложки. Для обеспечения полного покрытия подложки она многократно "перемещается" из позиции в позицию под оптической колонной до достижения полной экспозиции. Элементы размером 150 нм и менее обычно требуют фазового сдвига для повышения качества изображения до приемлемых значений. Этого можно достичь различными способами. Два наиболее распространенных метода – использование на маске аттенюированной фоновой пленки с фазовым сдвигом для увеличения контраста небольших пиков интенсивности или травление открытого кварца таким образом, чтобы граница между травлеными и нетравлеными участками могла использоваться для формирования изображения почти нулевой интенсивности. Во втором случае нежелательные края необходимо будет удалить с помощью дополнительной экспозиции. Первый метод – аттенюированный фазовый сдвиг, который часто считается слабым усилением, требующим специального освещения для достижения максимального эффекта, в то время как второй метод известен как фазовый сдвиг с переменной апертурой и является наиболее популярной техникой сильного усиления. По мере уменьшения размеров передовых полупроводниковых элементов, элементы фотомаски, которые в 4 раза больше, также неизбежно должны уменьшаться. Это может создать проблемы, поскольку поглощающая пленка должна стать тоньше и, следовательно, менее непрозрачной. Исследование IMEC, проведенное в 2005 году, показало, что более тонкие поглотители ухудшают контрастность изображения и, следовательно, способствуют шероховатости границ линий при использовании современных инструментов фотолитографии. Один из вариантов – полностью отказаться от поглотителей и использовать "безхромные" маски, полагаясь исключительно на фазовый сдвиг для формирования изображения. Развитие литографии с погружением оказывает значительное влияние на требования к фотомаскам. Обычно используемая маска с аттенюированным фазовым сдвигом более чувствительна к большим углам падения, применяемым в литографии "гипер-NA", из-за большего оптического пути через рисующую пленку. В процессе производства для контроля критических размеров на фотомасках, то есть размеров рисунка на фотомаске, используется инспекция с помощью специального типа микроскопии, называемого CD SEM (Critical Dimension Scanning Electron Microscopy).

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.

Литография EUV

Фотомаски EUV работают, отражая свет, что достигается за счет использования нескольких чередующихся слоев молибдена и кремния.

Коэффициент увеличения ошибки маски (MEEF)

Фотомаски передового уровня (с предварительной коррекцией) изображения финальных рисунков чипов увеличиваются в четыре раза. Этот коэффициент увеличения является ключевым преимуществом в снижении чувствительности рисунков к ошибкам формирования изображения. Однако, по мере дальнейшего уменьшения размеров элементов, проявляются две тенденции: во-первых, коэффициент ошибок маски начинает превышать единицу, то есть погрешность размеров на пластине может быть больше, чем 1/4 погрешности размеров на маске, а во-вторых, размеры элементов маски становятся меньше, и допуск по размерам приближается к нескольким нанометрам. Например, рисунок на пластине размером 25 нм должен соответствовать рисунку на маске размером 100 нм, но допуск для пластины может составлять 1,25 нм (5% спецификации), что эквивалентно 5 нм на фотомаске. Разброс рассеяния электронного луча при непосредственной записи рисунка на фотомаске может легко превысить это значение.

Пеллики

Термин "пелликла" используется для обозначения "плёнки", "тонкой плёнки" или "мембраны". Начиная с 1960-х годов, тонкая плёнка, натянутая на металлическую раму, также известная как "пелликла", использовалась в качестве разделителя луча для оптических приборов. Она применялась в ряде устройств для разделения светового пучка без внесения изменений в оптический путь благодаря своей небольшой толщине. В 1978 году Shea и др. в IBM запатентовали процесс использования "пелликлы" в качестве пылезащитного покрытия для защиты фотомаски или ретикулы. В контексте данного описания, "пелликла" означает "тонкое плёночное пылезащитное покрытие для фотомаски". Загрязнение частицами может быть существенной проблемой в производстве полупроводников. Фотомаска защищена от частиц пелликлой – тонкой прозрачной плёнкой, натянутой на раму, которая приклеивается к одной стороне фотомаски. Пелликла расположена на достаточном расстоянии от рисунка маски, чтобы частицы среднего и малого размера, попадающие на пелликлу, находились вне фокуса и не отпечатывались. Хотя пелликлы предназначены для защиты от частиц, они становятся частью системы формирования изображения, и их оптические свойства необходимо учитывать. Материалы для пелликл – нитроцеллюлоза, предназначенная для различных длин волн пропускания. Современные пелликлы изготавливаются из поликремния, и компании исследуют другие материалы для EUV с высокой числовой апертурой и будущих процессов производства чипов.