Una fotomáscara (también llamada simplemente máscara ) es una placa opaca con áreas transparentes que permiten que la luz brille a través de ella en 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 oblea delgada de material (generalmente silicio ). En la fabricación de semiconductores, a una máscara a veces se la llama retícula . [1] [2]
En la fotolitografía se utilizan varias máscaras a su vez, cada una de las cuales reproduce una capa del diseño terminado y, en conjunto, se las conoce como conjunto de máscaras . Una fotomáscara curvilínea tiene patrones con curvas, lo que supone una desviación de las fotomáscaras convencionales, que solo tienen patrones completamente verticales u horizontales, conocidos como geometría de Manhattan. Estas fotomáscaras requieren un equipo especial para su fabricación. [3]
Para la producción de circuitos integrados en los años 1960 y principios de los años 1970, se utilizó una película opaca de rubylith laminada sobre una hoja de mylar transparente. El diseño de una capa se cortó en el rubylith, inicialmente a mano en una mesa de dibujo iluminada (más tarde a máquina ( plotter )) y el rubylith 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 rubyliths cada vez más grandes, que eventualmente llenaban incluso la pared de una habitación, y las obras de arte debían reducirse fotográficamente para producir fotomáscaras (finalmente, 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 varios 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 por pasos y repetidores para producir una fotomáscara con un tamaño de imagen igual al del chip final. La fotomáscara se podía utilizar directamente en la fábrica o como fotomáscara maestra para producir las fotomáscaras de trabajo finales.
A medida que el tamaño de las características se reducía, la única forma de enfocar correctamente la imagen era colocarla en contacto directo con la oblea. Estos alineadores de contacto a menudo levantaban parte de la fotorresistencia de la oblea y la colocaban sobre la fotomáscara, y era necesario limpiarla o desecharla. Esto impulsó la adopción de fotomáscaras maestras inversas (ver arriba), que se usaban para producir (con fotolitografía de contacto y grabado) las muchas fotomáscaras de trabajo necesarias. Más tarde, la fotolitografía de proyección significó que la vida útil de la fotomáscara era indefinida. Aún más tarde, la fotolitografía de paso directo sobre la oblea utilizó retículas directamente y terminó con el uso de fotomáscaras.
Los materiales de las fotomáscaras cambiaron con el tiempo. Inicialmente se utilizó vidrio sódico [4] con opacidad de haluro de plata . Más tarde se introdujeron el borosilicato [5] y luego la sílice fundida para controlar la expansión, y el cromo , que tiene una mejor opacidad a la luz ultravioleta . Los generadores de patrones originales han sido reemplazados desde entonces por litografía de haz de electrones y sistemas de litografía sin máscara o de escritura de máscaras controlados por láser que generan retículas directamente a partir del diseño computarizado original.
Las fotomáscaras litográficas son típicamente placas de sílice fundida transparentes cubiertas con un patrón definido con una película absorbente de metal de cromo (Cr) o Fe 2 O 3 . [6] 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 estas requieren materiales completamente nuevos para el sustrato y la película del patrón. [6]
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 un procesador de fotolitografía y se seleccionan individualmente para la exposición. En las técnicas de creación de patrones múltiples , una fotomáscara correspondería a un subconjunto del patrón de capas.
Históricamente, en la fotolitografía para la producción en masa de dispositivos de circuitos integrados , existía una distinción entre el término fotorretícula o simplemente retícula y el término fotomáscara . En el caso de una fotomáscara, existe una correspondencia uno a uno entre el patrón de la máscara y el patrón de la oblea. La máscara cubría toda la superficie de la oblea que se exponía en su totalidad en una sola toma. Este era el estándar para los alineadores de máscara 1:1 que fueron reemplazados por los motores paso a paso y los escáneres con óptica de reducción. [7] Tal como se usa en los motores paso a paso y los escáneres que usan proyección de imágenes, [8] la retícula comúnmente contiene solo una copia, también llamada 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, que se usan como copias para crear varios circuitos integrados idénticos a partir de una fotomáscara). En el uso moderno, los términos retícula y fotomáscara son sinónimos. [9]
En un escáner o un motor paso a paso moderno, el patrón de la fotomáscara se proyecta y se encoge cuatro o cinco veces sobre la superficie de la oblea. [10] Para lograr una cobertura completa de la oblea, la oblea se " escalona " repetidamente de una posición a otra debajo de la columna óptica o la lente del motor paso a paso hasta que se logra la exposición completa de la oblea. Se utiliza una fotomáscara con varias copias del diseño del circuito integrado para reducir la cantidad de pasos necesarios para exponer toda la oblea, lo que aumenta la productividad.
Las características de 150 nm o menos de tamaño 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 usar una película de fondo de cambio de fase atenuada en la máscara para aumentar el contraste de los picos de intensidad pequeños, o grabar el cuarzo expuesto de modo que el borde entre las áreas grabadas y no grabadas se pueda usar para obtener una imagen de intensidad casi cero. En el segundo caso, los bordes no deseados se deberían recortar con otra exposición. El primer método es el cambio de fase atenuado y a menudo se considera un realce débil, que requiere una iluminación especial para el mayor realce, mientras que el último método se conoce como cambio de fase de apertura alternada y es la técnica de realce 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 inevitablemente también deben reducirse. Esto podría plantear desafíos ya que la película absorbente deberá volverse más delgada y, por lo tanto, menos opaca. [11] Un estudio de 2005 realizado por IMEC descubrió que los absorbentes más delgados degradan el contraste de la imagen y, por lo tanto, contribuyen a la rugosidad de los bordes de las líneas, utilizando herramientas de fotolitografía de última generación. [12] Una posibilidad es eliminar los absorbentes por completo y usar máscaras "sin cromo", confiando únicamente en el cambio de fase para la formación de imágenes. [13] [14]
La aparición de la litografía por inmersión ha tenido un fuerte impacto en los requisitos de las fotomáscaras. La máscara de cambio de fase atenuada que se utiliza habitualmente es más sensible a los ángulos de incidencia más altos que se aplican en la litografía de "hiperancho ancho numérico", debido al recorrido óptico más largo a través de la película estampada. [15] Durante la fabricación, se utiliza una forma especial de microscopía denominada CD-SEM (microscopía electrónica de barrido de dimensiones críticas) para medir las dimensiones críticas de las fotomáscaras, que son las dimensiones de los patrones de una fotomáscara. [16]
Las fotomáscaras EUV funcionan reflejando la luz, [17] lo que se logra utilizando múltiples capas alternas de molibdeno y silicio .
Las imágenes de máscaras de vanguardia (precorregidas) de los patrones finales del chip se amplían cuatro veces. Este factor de ampliación ha sido un beneficio clave para 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 máscara comienza a superar uno, es decir, el error de dimensión en la oblea puede ser más de 1/4 del error de dimensión en la máscara, [18] y la segunda es que la característica de la máscara se está haciendo más pequeña y la tolerancia de dimensión se está acercando 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 (especificación del 5 %), lo que se traduce en 5 nm en la máscara de foto. La variación de la dispersión del haz de electrones al escribir directamente el patrón de la máscara de foto puede superar fácilmente esto. [19] [20]
El término "película" se utiliza para referirse a "película", "película delgada" o "membrana". A partir de la década de 1960, la 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 desplazamiento de la trayectoria óptica debido a su pequeño espesor de película. En 1978, Shea et al. de IBM patentaron 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 fotomáscara".
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 película fina transparente estirada sobre un marco que está pegado sobre un lado de la fotomáscara. La película está lo suficientemente alejada de los patrones de la máscara como para que las partículas de tamaño moderado a pequeño que caigan sobre ella queden demasiado desenfocadas para imprimirlas. Aunque están diseñadas para mantener alejadas a las partículas, las películas se convierten en parte del sistema de imágenes y sus propiedades ópticas deben tenerse en cuenta. El material de las películas es nitrocelulosa y está hecho para varias longitudes de onda de transmisión. Las películas actuales están hechas de polisilicio, y las empresas están explorando otros materiales para EUV de alta NA y futuros procesos de fabricación de chips. [21] [22]
La Conferencia Anual de SPIE , Photomask Technology, informa sobre la Evaluación de la Industria de las Máscaras de SEMATECH , que incluye un análisis actual de la industria y los resultados de su encuesta anual sobre fabricantes de máscaras de fototecnología. Las siguientes empresas se enumeran en orden de participación en el mercado mundial (información de 2009): [23]
Los principales fabricantes de chips, como Intel , Globalfoundries , IBM , NEC , TSMC , UMC , Samsung y Micron Technology , tienen sus propias grandes instalaciones de fabricación de mascarillas o empresas conjuntas con las empresas mencionadas anteriormente.
Se estimó que el mercado mundial de fotomáscaras ascendía a 3.200 millones de dólares en 2012 [24] y a 3.100 millones de dólares en 2013. Casi la mitad del mercado provenía de talleres de máscaras cautivos (talleres de máscaras internos de los principales fabricantes de chips). [25]
En 2005, los costos de crear un nuevo taller de máscaras para procesos de 180 nm se estimaron en 40 millones de dólares, y para 130 nm, en más de 100 millones de dólares. [26]
En 2006, el precio de compra de una fotomáscara podía oscilar entre 250 y 100.000 dólares [27] para una única máscara de cambio de fase de alta gama . Se pueden necesitar hasta 30 máscaras (de precio variable) para formar un conjunto completo de máscaras. Como los chips modernos se construyen en varias capas apiladas una sobre otra, se necesita al menos una máscara para cada una de estas capas.
{{cite book}}: Mantenimiento de CS1: falta la ubicación del editor ( enlace ){{cite web}}: CS1 maint: copia archivada como título ( enlace ){{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )Industria intensiva en capital. Niveles de inversión... – ~$40M para "convencional" (nodo de 180 nm o superior) – >$100M para "avanzado" (nodo de 130 nm y superior)