フォトマスク

フォトマスク（単にマスクとも呼ばれる）は、光が一定のパターンで透過する透明な部分を持つ不透明な板です。フォトマスクは、集積回路（ICまたは「チップ」）の製造において、薄い材料（通常はシリコン）のウェハ上にパターンを形成するために、フォトリソグラフィーで一般的に使用されます。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、完成したデザインの層をそれぞれ再現する複数のマスクが順番に使用され、これらをまとめてマスクセットと呼びます。曲線フォトマスクは曲線を含むパターンを持ち、これは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（マンハッタンジオメトリとして知られる）とは異なります。これらのフォトマスクの製造には特殊な装置が必要です。^{[ 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不透明なルビリスフィルムをラミネートしたものが使用されていました。1層分のデザインは、当初は照明付き製図台で手作業で（後に機械（プロッター）で）ルビリスに切り抜かれ、不要なルビリスは手作業で剥がされ、チップのその層のマスターイメージ、いわゆる「アートワーク」が形成されました。チップがますます複雑化し、大型化するにつれて、より大きなルビリスが必要となり、最終的には部屋の壁一面を覆うほどになり、アートワークは写真で縮小されてフォトマスクが作られました（最終的にこのプロセス全体は、マスターイメージを生成する光学パターンジェネレータ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されました。レチクルは当初、単一チップの10倍の大きさの画像でした。

このレチクルは、ステップアンドリピーター方式のフォトリソグラフィとエッチングによって、最終チップと同じ画像サイズのフォトマスクを作製するために使用された。このフォトマスクは、製造工程で直接使用することも、マスターフォトマスクとして使用して最終的な実際のフォトマスクを作製することもできる。

フィーチャ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、ウェ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、しばしばフォトレジストの一部をウェハからフォトマスクに持ち上げてしまい、それを洗浄または廃棄する必要がありました。これが、必要な数の実際のフォトマスクを（コンタクトフォトリソグラフィとエッチングによって）製造するために使用されたリバースマスターフォトマスク（上記参照）の採用を促しました。その後、投影フォトリソグラフィにより、フォトマスクの寿命は事実上無制限になりました。さらに後になって、ウェハ上直接ステップするステッパーフォトリソグラフィが登場し、レチクルを直接使用するようになり、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た。当初は、ハロゲン化銀の不透明度を持つソーダガラス^{[ 4 ]}が使用されていた。その後、膨張を制御するためにホウケイ酸ガラス^{[ 5 ]}、そして溶融石英が導入され、紫外線に対する不透明度が高いクロムも導入された。初期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やレーザー駆動マスクライター、あるいは元のコンピュータ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システムに置き換えられた。

リソグラフィ用フォトマスクは、通常、クロム（Cr）またはFe₂O₃金属吸収膜でパターンが定義された透明な^{溶融石英板で覆われています。[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、イオンなどの他の形態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膜にまったく新しい材料が必要です。^{[ 6 ]}    

集積回路製造において、それぞれがパターン層を定義する一連のフォトマスクが、フォトリソグラフィのステッパーまたはスキャナに供給され、個別に露光対象として選択される。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する。

集積回路デバイスの量産におけるフォトリソグラフィの歴史においては、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、ウェーハ全体が一度に露光されます。これは、縮小光学系を備えたステッパーやスキャナに取って代わられた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やスキャナで使用されるレチクル^{[ 8 ]}は、通常、設計されたVLSI回路の1つのコピー、つまり1つの層のみを含んでいます。（ただし、一部のフォトリソグラフィ製造では、同じマスク上に複数の層が並べて配置されたレチクルが使用され、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されます）。現代では、レチクルとフォトマスクという用語は同義語です。^{[ 9 ]}

最新のステッパーまたはスキャナでは、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 ]}ウェーハ全体を完全にカバーするために、ウェーハは光学コラムまたはステッパーレンズの下で位置から位置へと繰り返し「ステップ」され、ウェーハ全体が露光されるまで続きます。集積回路設計のコピーが複数ある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数を減らし、生産性を向上させることができます。

一般的に、 150  nm以下のサイズのフィーチャは、画像品質を許容できる値まで向上させるために位相シフトを必要とします。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、マスク上に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方法、または露光され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境界を使用してほぼゼロ強度を画像化する方法です。後者の場合、不要なエッジは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、多くの場合、弱い強調とみなされ、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して知られており、最も一般的な強力な強調技術です。

最先端の半導体の特徴が縮小するにつれて、4倍大きいフォトマスクの特徴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、したがって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ツールを使用した場合、吸収膜が薄くなると画像コントラストが低下し、線端粗さが増加することがわかりました。^{[ 12 ]} 1つの可能性は、吸収膜を完全に排除して「クロムレス」マスクを使用し、イメージングに位相シフトのみに依存することです。^{[ 13 ] [ 14 ]}

液浸リソグラフィの出現は、フォトマスクの要求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」リソグラフィで適用される高い入射角に対してより敏感です。^{[ 15 ]}製造中は、CD-SEM（臨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て、フォトマスク上のパターンの寸法である臨界寸法を測定します。^{[ 16 ]}

最終チップパターンの最先端フォトマスク（補正前）画像は4倍に拡大されます。この拡大率は、パターンがイメージングエラーに敏感になるのを防ぐ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につれて、2つの傾向が顕著になります。1つ目は、マスクエラー係数が1を超え始めること、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を超える可能性があることです^{[ 18 ]}。2つ目は、マスクフィーチャが小さくなり、寸法公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ウェーハパターンは100 nmマスクパターンに対応するはずです が、ウェーハ公差が1.25  nm（5%仕様）である場合、 フォトマスク上では5 nmになります。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、これを容易に超え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」「膜」を意味するのに用いられます。1960年代以降、金属フレームに張られた薄膜、いわゆる「ペリクル」が光学機器のビームスプリッターとして使用されるようになりました。その薄い膜厚のため、光路シフトを起こさずに光線を分割できる装置として、多くの機器で利用されています。1978年、IBMのSheaらは、フォトマスクやレチクルを保護するためのダストカバーとして「ペリクル」を使用する方法を特許取得しました。本稿では、「ペリクル」とは「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、ペリクルと呼ばれる薄い透明フィルムによって粒子から保護されています。ペリクルは、フォトマスクの片面に接着されたフレームに張られています。ペリクルはマスクパターンから十分に離れているため、ペリクル上に付着した中程度から小さなサイズの粒子は焦点から外れすぎて印刷できません。ペリクルは粒子を遠ざけるように設計されていますが、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。ペリクルの材料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で作られていますが、企業は高NA EUV向けにCNT（カーボンナノチューブ）[ ^{21 ] [ 22 ] [ 23 ]や将来のチップ製造プロセス[ 24 ] [ 25 ]}などの他の材料を研究しています。 

SPIE年次会議「フォトマスク技術」では、SEMATECHマスク産業評価が報告されており、現在の業界分析と年次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記載されています（2009年の情報）：^{[ 26 ]}

• 大日本印刷
• 凸版フォトマスク（現：テクスセンド）
• フォトロニクス社
• 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

インテル、グローバルファウンドリーズ、IBM、NEC、TSMC、UMC 、サムスン、マイクロン・テクノロジーといった主要な半導体メーカーは、自社で大規模なマスク製造施設を所有しているか、あるいは前述の企業と合弁事業を行っている。

世界のフォトマスク市場は、2012年には32億ドル^{[ 27 ]}、2013年には31億ドルと推定された。市場のほぼ半分は、自社マスクショップ（大手チップメーカーの社内マスクショップ）によるものだった^{[ 28 ] 。}

180 nm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、130  nmの場合は1億ドル以上と見積もられた。^{[ 29 ]}

2006年当時、ハイエンドの位相シフトマスク1枚あたりのフォトマスクの購入価格は250ドルから10万ドルまで幅がありました^{[ 30 ]}。完全なマスクセットを構成するには、最大30枚のマスク（価格は様々）が必要になる場合があります。現代のチップは複数の層を積み重ねて作られているため、これらの各層に少なくとも1枚のマスクが必要です。

• 計算機リソグラフィー
• 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