Una fotomáscara (también llamada simplemente máscara ) es una placa opaca con áreas transparentes que permiten que la luz brille siguiendo un patrón definido. Las fotomáscaras se utilizan comúnmente en fotolitografía para la producción de circuitos integrados (CI o "chips") para producir un patrón en una fina oblea de material (generalmente silicio ). En la fabricación de semiconductores, a una máscara a veces se le llama retícula . [1] [2]
En fotolitografía se utilizan a su vez varias máscaras, cada una de las cuales reproduce una capa del diseño completo, y en conjunto se conocen como conjunto de máscaras .
Para la producción de circuitos integrados en la década de 1960 y principios de la de 1970, se utilizó una película opaca de rubilito laminada sobre una lámina de mylar transparente. El diseño de una capa se cortó en el rubilito, inicialmente a mano en una mesa de dibujo iluminada (más tarde mediante una máquina ( trazador )) y el rubilito no deseado se despegó a mano, formando la imagen maestra de esa capa del chip, a menudo llamada "obra de arte". Los chips cada vez más complejos y, por lo tanto, más grandes requerían rubílitos cada vez más grandes, llegando incluso a llenar la pared de una habitación, y las obras de arte debían reducirse fotográficamente para producir fotomáscaras (eventualmente, todo este proceso fue reemplazado por el generador de patrones ópticos para producir la imagen maestra). En este punto, la imagen maestra podría organizarse en una imagen de múltiples chips llamada retícula . La retícula era originalmente una imagen 10 veces más grande de un solo chip.
La retícula se utilizó mediante fotolitografía y grabado de paso y repetidor para producir una fotomáscara con un tamaño de imagen igual al del chip final. La fotomáscara podría usarse directamente en la fábrica o usarse como fotomáscara maestra para producir las fotomáscaras finales en funcionamiento.
A medida que el tamaño de la característica se reducía, la única forma de enfocar adecuadamente la imagen era colocarla en contacto directo con la oblea. Estos alineadores de contacto a menudo levantaban parte del fotorresistente de la oblea y lo depositaban en la fotomáscara y había que limpiarlo o desecharlo. Esto impulsó la adopción de fotomáscaras maestras inversas (ver arriba), que se utilizaron para producir (con fotolitografía de contacto y grabado) las muchas fotomáscaras de trabajo reales necesarias. Más tarde, la fotolitografía de proyección significó que la vida útil de la fotomáscara era indefinida. Aún más tarde, la fotolitografía paso a paso directa sobre oblea utilizó retículas directamente y puso fin al uso de fotomáscaras.
Los materiales de las fotomáscaras cambiaron con el tiempo. Inicialmente se utilizó vidrio de soda [3] con opacidad de haluro de plata . Posteriormente se introdujo el borosilicato [4] y luego la sílice fundida para controlar la expansión y el cromo , que tiene mejor opacidad a la luz ultravioleta . Desde entonces, los generadores de patrones originales han sido reemplazados por litografía por haz de electrones y sistemas impulsados por láser que generan retículas directamente a partir del diseño computarizado original.
Las fotomáscaras litográficas son típicamente placas transparentes de sílice fundida cubiertas con un patrón definido con una película absorbente de metal de cromo (Cr) o Fe 2 O 3 . [5] Las fotomáscaras se utilizan en longitudes de onda de 365 nm , 248 nm y 193 nm. También se han desarrollado fotomáscaras para otras formas de radiación como 157 nm, 13,5 nm ( EUV ), rayos X , electrones e iones ; pero estos requieren materiales completamente nuevos para el sustrato y la película patrón. [5]
Un conjunto de fotomáscaras , cada una de las cuales define una capa de patrón en la fabricación de circuitos integrados , se introduce en un escáner o paso a paso de fotolitografía y se selecciona individualmente para la exposición. En técnicas de múltiples patrones , una fotomáscara correspondería a un subconjunto del patrón de capas.
En fotolitografía para la producción en masa de dispositivos de circuitos integrados , el término más correcto suele ser fotorretícula o simplemente retícula . En el caso de una fotomáscara, existe una correspondencia uno a uno entre el patrón de máscara y el patrón de oblea. Este fue el estándar para los alineadores de máscaras 1:1 , a los que sucedieron los steppers y los escáneres con óptica reductora. [6] Tal como se utiliza en motores paso a paso y escáneres, la retícula comúnmente contiene solo una capa del circuito VLSI diseñado . (Sin embargo, algunas fabricaciones de fotolitografía utilizan retículas con más de una capa colocada una al lado de la otra sobre la misma máscara).
El patrón se proyecta y se contrae cuatro o cinco veces sobre la superficie de la oblea. [7] Para lograr una cobertura completa de la oblea, la oblea se " pasa " repetidamente de una posición a otra debajo de la columna óptica hasta lograr una exposición completa.
Las características de tamaño de 150 nm o menos generalmente requieren un cambio de fase para mejorar la calidad de la imagen a valores aceptables. Esto se puede lograr de muchas maneras. Los dos métodos más comunes son utilizar una película de fondo de cambio de fase atenuado sobre la máscara para aumentar el contraste de los pequeños picos de intensidad, o grabar el cuarzo expuesto para que el borde entre las áreas grabadas y no grabadas pueda usarse para obtener imágenes casi cero. intensidad. En el segundo caso, sería necesario recortar los bordes no deseados con otra exposición. El primer método es un cambio de fase atenuado y a menudo se considera una mejora débil, que requiere una iluminación especial para lograr la mayor mejora, mientras que el último método se conoce como cambio de fase de apertura alterna y es la técnica de mejora fuerte más popular.
A medida que las características de los semiconductores de vanguardia se reducen , las características de la fotomáscara que son 4 veces más grandes también deben reducirse inevitablemente. Esto podría plantear desafíos, ya que la película absorbente deberá volverse más delgada y, por lo tanto, menos opaca. [8] Un estudio de 2005 realizado por IMEC encontró que los absorbentes más delgados degradan el contraste de la imagen y, por lo tanto, contribuyen a la rugosidad del borde de la línea, utilizando herramientas de fotolitografía de última generación. [9] Una posibilidad es eliminar los absorbentes por completo y utilizar máscaras "sin cromo", basándose únicamente en el cambio de fase para la obtención de imágenes. [10] [11]
La aparición de la litografía de inmersión tiene un fuerte impacto en los requisitos de las fotomáscaras. La máscara de desplazamiento de fase atenuada comúnmente utilizada es más sensible a los ángulos de incidencia más altos aplicados en la litografía "hiper-NA", debido al camino óptico más largo a través de la película estampada. [12] Durante la fabricación, la inspección mediante una forma especial de microscopía llamada CD-SEM (microscopía electrónica de barrido de dimensiones críticas) se utiliza para medir las dimensiones críticas de las fotomáscaras, que son las dimensiones de los patrones de una fotomáscara. [13]
Las fotomáscaras EUV funcionan reflejando la luz, [14] lo que se logra mediante el uso de múltiples capas alternas de molibdeno y silicio .
Las imágenes de fotomáscaras de vanguardia (precorregidas) de los patrones de chip finales se magnifican cuatro veces. Este factor de aumento ha sido un beneficio clave a la hora de reducir la sensibilidad del patrón a los errores de imagen. Sin embargo, a medida que las características continúan reduciéndose, entran en juego dos tendencias: la primera es que el factor de error de la máscara comienza a exceder uno, es decir, el error de dimensión en la oblea puede ser más de 1/4 del error de dimensión en la máscara . 15] y la segunda es que la característica de la máscara se está volviendo más pequeña y la tolerancia dimensional se acerca a unos pocos nanómetros. Por ejemplo, un patrón de oblea de 25 nm debería corresponder a un patrón de máscara de 100 nm, pero la tolerancia de la oblea podría ser de 1,25 nm (5% de especificación), lo que se traduce en 5 nm en la fotomáscara. La variación de la dispersión del haz de electrones al escribir directamente el patrón de fotomáscara puede superar fácilmente esto. [16] [17]
El término "película" se utiliza para significar "película", "película delgada" o "membrana". A partir de la década de 1960, una película delgada estirada sobre un marco de metal, también conocida como "película", se utilizó como divisor de haz para instrumentos ópticos. Se ha utilizado en varios instrumentos para dividir un haz de luz sin provocar un cambio en la trayectoria óptica debido al pequeño espesor de su película. En 1978, Shea et al. IBM patentó un proceso para utilizar la "película" como cubierta antipolvo para proteger una fotomáscara o retícula. En el contexto de esta entrada, "película" significa "cubierta antipolvo de película delgada para proteger una máscara fotográfica".
La contaminación por partículas puede ser un problema importante en la fabricación de semiconductores. Una fotomáscara está protegida de las partículas por una película: una fina película transparente estirada sobre un marco pegado a un lado de la fotomáscara. La película está lo suficientemente alejada de los patrones de la máscara para que las partículas de tamaño moderado a pequeño que caen sobre la película queden demasiado desenfocadas para imprimir. Aunque están diseñadas para mantener alejadas las partículas, las películas pasan a formar parte del sistema de imágenes y es necesario tener en cuenta sus propiedades ópticas. El material de las películas es nitrocelulosa y está fabricado para varias longitudes de onda de transmisión. [18]
La Conferencia Anual de SPIE , Photomask Technology informa la Evaluación de la Industria de Máscaras de SEMATECH que incluye análisis actuales de la industria y los resultados de su encuesta anual de fabricantes de máscaras fotográficas. Las siguientes empresas se enumeran en orden de su participación en el mercado global (información de 2009): [19]
Los principales fabricantes de chips como Intel , Globalfoundries , IBM , NEC , TSMC , UMC , Samsung y Micron Technology tienen sus propias grandes instalaciones de fabricación de máscaras o empresas conjuntas con las empresas antes mencionadas.
El mercado mundial de fotomáscaras se estimó en 3.200 millones de dólares en 2012 [20] y 3.100 millones de dólares en 2013. Casi la mitad del mercado procedía de tiendas de máscaras cautivas (tiendas de máscaras internas de los principales fabricantes de chips). [21]
Los costes de creación de un nuevo taller de máscaras para procesos de 180 nm se estimaron en 2005 en 40 millones de dólares, y para los de 130 nm, en más de 100 millones de dólares. [22]
El precio de compra de una fotomáscara, en 2006, podía oscilar entre 250 y 100.000 dólares [23] por una única máscara de cambio de fase de alta gama. Es posible que se necesiten hasta 30 máscaras (de diferentes precios) para formar un juego de máscaras completo .
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace ){{cite web}}: Mantenimiento CS1: copia archivada como título ( enlace )Industria intensiva en capital. Niveles de inversión….. – ~$40 millones para 'convencional' (nodo de 180 nm o superior) – >$100 millones para 'avanzado' (nodo de 130 nm y más)