フォトマスク

フォトマスク（単にマスクとも呼ばれる）は、光が定義されたパターンを透過できる透明な領域を備えた不透明なプレートです。フォトマスクは、集積回路（ICまたは「チップ」）の製造のためのフォトリソグラフィーで一般的に使用され、材料の薄いウェハ（通常はシリコン）上にパターンを生成します。半導体製造では、マスクはレチクルと呼ばれることもあります。^{[1] [2]}

フォトリソグラフィーでは、複数のマスクが順番に使用され、各マスクは完成したデザインの層を再現し、まとめてマスクセットと呼ばれます。曲線フォトマスクには曲線のパターンがあり、これはマンハッタン幾何学と呼ばれる完全に垂直または水平のパターンのみを持つ従来のフォトマスクとは異なります。これらのフォトマスクを製造するには特別な装置が必要です。^[3]

1960 年代から 1970 年代初頭にかけての IC 製造では、透明なマイラーシートにラミネートされた不透明なルビリスフィルムが使用されていました。1 つの層のデザインは、最初は照明付きの製図台で手作業で(後に機械 (プロッター) で) ルビリスに切り込まれ、不要なルビリスは手作業で剥がされて、チップのその層のマスター イメージ (「アートワーク」と呼ばれることが多い) が形成されました。チップがますます複雑になり、大型化するにつれて、ルビリスもますます大きくなり、最終的には部屋の壁を埋め尽くすほどになりました。アートワークは写真で縮小され、フォトマスクが作成されました (最終的に、このプロセス全体がマスター イメージを作成する光学パターン ジェネレーターに置き換えられました)。この時点で、マスター イメージは、レチクルと呼ばれるマルチ チップ イメージに配列できるようになりました。レチクルは、もともと 1 つのチップの 10 倍の大きさのイメージでした。

レチクルは、ステップアンドリピータフォトリソグラフィーとエッチングによって、最終的なチップと同じイメージサイズのフォトマスクを作成するために使用されます。フォトマスクは、工場で直接使用されるか、最終的な実際のフォトマスクを作成するためのマスターフォトマスクとして使用されます。

フィーチャーサイズが縮小するにつれて、画像を適切にフォーカスする唯一の方法は、それをウェーハに直接接触させることでした。これらのコンタクト アライナーは、ウェーハからフォトレジストの一部を持ち上げてフォトマスク上に載せることが多く、それを洗浄するか廃棄する必要がありました。これにより、リバース マスター フォトマスク (上記参照) の採用が促進され、これを使用して (コンタクト フォトリソグラフィーとエッチングを使用して) 実際に機能するフォトマスクを多数作成しました。その後、投影フォトリソグラフィーにより、フォトマスクの寿命は無期限になりました。さらにその後、直接ステップ オン ウェーハステッパーフォトリソグラフィーではレチクルが直接使用され、フォトマスクの使用は終了しました。

フォトマスクの材料は時代とともに変化してきました。当初は銀塩不透明のソーダガラス^[4]が使用されていました。その後、膨張を抑えるためにホウケイ酸ガラス^[5]が使用され、続いて溶融シリカと紫外線に対する不透明度が高いクロムが導入されました。オリジナルのパターンジェネレータは、その後、電子ビームリソグラフィーとレーザー駆動マスクライター、または元のコンピューター設計から直接レチクルを生成するマスクレスリソグラフィーシステムに置き換えられました。

リソグラフィフォトマスクは、通常、クロム（Cr）または Fe ₂ O ₃金属吸収膜で定義されたパターンで覆われた透明な溶融シリカ板です。 ^{[6]フォトマスクは、365} nm 、248 nm、および193 nmの波長で使用されます。フォトマスクは、157 nm、13.5 nm（ EUV）、X線、電子、イオンなど、他の形式の放射線用に開発されていますが、これらには基板とパターンフィルムにまったく新しい材料が必要です。^[6]

集積回路製造におけるパターン層を定義するフォトマスクのセットは、フォトリソグラフィーステッパーまたはスキャナーに送られ、露光用に個別に選択されます。マルチパターニング技術では、フォトマスクは層パターンのサブセットに対応します。

歴史的に、集積回路デバイスの大量生産のためのフォトリソグラフィーでは、フォトレチクルまたは単にレチクルという用語とフォトマスクという用語が区別されていました。フォトマスクの場合、マスクパターンとウェーハパターンは1対1で対応しています。マスクはウェーハの表面全体を覆い、1回のショットで全体が露光されます。これは、縮小光学系を備えたステッパーとスキャナーに引き継がれた1:1マスクアライナーの標準でした。^[7]画像投影を使用するステッパーとスキャナーで使用される場合、^{[8]レチクルには通常、設計された}VLSI回路の1つのコピー、つまり1つのレイヤーのみが含まれます。（ただし、一部のフォトリソグラフィー製造では、同じマスクに複数のレイヤーを並べて配置したレチクルを使用し、1つのフォトマスクから複数の同一の集積回路を作成するためのコピーとして使用します）。現代の用法では、レチクルとフォトマスクという用語は同義です。^[9]

現代のステッパーやスキャナーでは、フォトマスクのパターンがウェーハ表面に投影され、4～5倍に縮小されます。^[10]ウェーハを完全に覆うには、ウェーハを光学コラムまたはステッパーレンズの下の位置から位置へと繰り返し「ステップ移動」させ、ウェーハが完全に露光されるまで続けます。集積回路設計のコピーを複数持つフォトマスクを使用することで、ウェーハ全体を露光するために必要なステップ移動回数が減り、生産性が向上します。

150 nm 以下のサイズの特徴では、通常、位相シフトを使用して画像品質を許容値まで高める必要があります。これはさまざまな方法で実現できます。最も一般的な 2 つの方法は、マスク上で減衰位相シフト背景フィルムを使用して小さな強度ピークのコントラストを高めることと、露出した石英をエッチングして、エッチングされた領域とエッチングされていない領域の間のエッジを使用してほぼゼロの強度を画像化できるようにすることです。2 番目のケースでは、不要なエッジを別の露光でトリミングする必要があります。前者の方法は減衰位相シフトと呼ばれ、弱い強調と見なされることが多く、最大の強調には特別な照明が必要です。一方、後者の方法は交互開口位相シフトと呼ばれ、最も一般的な強力な強調手法です。

最先端の半導体の機能が縮小するにつれて、4倍の大きさのフォトマスクの機能も必然的に縮小する必要があります。吸収膜を薄くする必要があり、不透明度が低くなるため、これは課題となる可能性があります。^[11] IMEC による2005年の研究では、最先端のフォトリソグラフィーツールを使用した場合、吸収体が薄くなると画像のコントラストが低下し、ラインエッジの粗さにつながることがわかりました。^[12] 1つの可能性は、吸収体を完全に排除し、「クロムレス」マスクを使用して、イメージングに位相シフトのみを使用することです。^{[13] [14]}

液浸リソグラフィーの出現は、フォトマスクの要件に大きな影響を与えています。一般的に使用されている減衰位相シフトマスクは、パターン化されたフィルムを通過する光路が長いため、「ハイパーNA」リソグラフィーで適用されるより高い入射角に対してより敏感です。^[15]製造中は、CD-SEM（限界寸法走査型電子顕微鏡）と呼ばれる特殊な顕微鏡を使用した検査を使用して、フォトマスク上のパターンの寸法であるフォトマスクの限界寸法を測定します。^[16]

EUVフォトマスクは光を反射することで機能し、^[17]モリブデンとシリコンの複数の交互層を使用することで実現されます。

最先端のフォトマスク（事前補正済み）の最終的なチップパターンの画像は 4 倍に拡大されます。この拡大率は、パターンの描画エラーに対する感度を低減する上で重要な利点となっています。しかし、フィーチャが縮小し続けると、2 つの傾向が現れます。1 つ目は、マスク エラー係数が 1 を超え始めることです。つまり、ウェーハ上の寸法エラーがマスク上の寸法エラーの 1/4 以上になる可能性があります。 ^[18] 2 つ目は、マスク フィーチャが小さくなり、寸法許容差が数ナノメートルに近づいていることです。たとえば、25 nm のウェーハ パターンは 100 nm のマスク パターンに対応しますが、ウェーハ許容差は 1.25 nm（5% 仕様）になる可能性があり、これはフォトマスク上で 5 nm に相当します。フォトマスク パターンを直接描画する際の電子ビーム散乱の変動は、これを簡単に上回る可能性があります。^{[19] [20]}

「ペリクル」という用語は、「フィルム」、「薄膜」、または「膜」を意味します。1960 年代初頭、金属フレームに張られた薄膜 (別名「ペリクル」) は、光学機器のビーム スプリッターとして使用されました。この薄膜は、その薄いフィルム厚により光路シフトを起こさずに光線を分割するために、多くの機器で使用されてきました。1978 年、IBM の Shea らは、「ペリクル」をフォトマスクまたはレチクルを保護するためのダスト カバーとして使用するプロセスの特許を取得しました。このエントリの文脈では、「ペリクル」は「フォトマスクを保護するための薄膜ダスト カバー」を意味します。

半導体製造において、粒子汚染は重大な問題となる可能性があります。フォトマスクは、ペリクルによって粒子から保護されています。ペリクルは、フォトマスクの片側に接着されたフレームに張られた薄い透明フィルムです。ペリクルはマスクパターンから十分に離れているため、ペリクルに付着した中～小型の粒子は焦点が合いすぎて印刷できません。ペリクルは粒子を寄せ付けないように設計されているものの、イメージングシステムの一部となるため、その光学特性を考慮する必要があります。ペリクルの素材はニトロセルロースで、さまざまな透過波長用に作られています。現在のペリクルはポリシリコン製ですが、企業は高NA EUVや将来のチップ製造プロセス向けに他の素材を模索しています。^{[21] [22]}

SPIE年次会議で、フォトマスクテクノロジーはSEMATECHマスク業界評価を報告しており、これには現在の業界分析と毎年のフォトマスクメーカー調査の結果が含まれています。以下の企業は、世界市場シェアの順にリストされています（2009年情報）：^[23]

• 大日本印刷
• 凸版フォトマスク
• フォトロニクス株式会社
• HOYA株式会社
• 台湾マスク株式会社
• コンピュグラフィックス

Intel、Globalfoundries、IBM、NEC、TSMC、UMC、Samsung、Micron Technologyなどの大手チップメーカーは、独自の大規模なマスク製造施設を保有しているか、または上記企業との合弁会社を設立しています。

世界のフォトマスク市場は、2012年に32億ドル^[24]、2013年には31億ドルと推定されました。市場のほぼ半分は、キャプティブマスクショップ（大手チップメーカーの社内マスクショップ）によるものでした。^[25]

180nmプロセス用の新しいマスクショップを建設するコストは2005年に4000万ドルと見積もられ、130nmの場合は1億ドル以上と見積もられた。^[26]

2006年のフォトマスクの購入価格は、高性能位相シフトマスク1枚あたり250ドルから10万ドル^[27]の範囲でした。完全なマスクセットを形成するには、最大30枚のマスク（価格はさまざま）が必要になる場合があります。現代のチップは複数の層が積み重ねられて構築されるため、これらの層ごとに少なくとも1枚のマスクが必要です。

• 計算リソグラフィー
• 集積回路レイアウト設計保護（または「マスク作業」）
• マスク検査
• ナノチャネルガラス材料
• SMIFインターフェース
• ステップレベル