Fotomáscara

Una fotomáscara (también llamada simplemente máscara ) es una placa opaca con áreas transparentes que permiten el paso de la luz siguiendo un patrón definido. Las fotomáscaras se utilizan comúnmente en fotolitografía para la producción de circuitos integrados (CI o "chips") para generar un patrón en una oblea delgada de material (generalmente silicio ). En la fabricación de semiconductores, a veces se denomina máscara o retícula . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

En fotolitografía, se utilizan varias máscaras de forma secuencial, cada una reproduciendo una capa del diseño final, y en conjunto se conocen como un conjunto de máscaras . Una fotomáscara curvilínea presenta patrones con curvas, lo que supone una diferencia con respecto a las fotomáscaras convencionales, que solo presentan patrones completamente verticales u horizontales, conocidos como geometría de Manhattan. Estas fotomáscaras requieren equipos especiales para su fabricación. ^{[ 3 ]}

Para la producción de circuitos integrados en las décadas de 1960 y principios de 1970, se utilizaba una película de rubylith opaca laminada sobre una lámina de mylar transparente. El diseño de una capa se cortaba en el rubylith, inicialmente a mano sobre una mesa de dibujo iluminada (más tarde con una máquina ( plotter )), y el rubylith sobrante se retiraba a mano, formando la imagen maestra de esa capa del chip, a menudo denominada "ilustración". Los chips, cada vez más complejos y, por lo tanto, más grandes, requerían rubyliths de mayor tamaño, llegando incluso a cubrir la pared de una habitación, y las ilustraciones se reducían 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 podía organizarse en una imagen multichip llamada retícula . La retícula era originalmente una imagen 10 veces mayor de un solo chip.

Mediante fotolitografía y grabado por pasos, la retícula se utilizó para producir una fotomáscara con un tamaño de imagen idéntico al del chip final. Esta fotomáscara podía utilizarse directamente en la fábrica o como fotomáscara maestra para producir las fotomáscaras 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 desprendían parte de la fotorresina de la oblea y la depositaban sobre la fotomáscara, la cual debía limpiarse o desecharse. Esto impulsó la adopción de fotomáscaras maestras inversas (véase más arriba), que se utilizaban para producir (mediante fotolitografía de contacto y grabado) las numerosas fotomáscaras funcionales necesarias. Posteriormente, la fotolitografía de proyección hizo que la vida útil de la fotomáscara fuera indefinida. Más tarde aún, la fotolitografía de paso directo sobre la oblea utilizó retículas directamente y puso fin al uso de fotomáscaras .

Los materiales de las fotomáscaras cambiaron con el tiempo. Inicialmente se utilizó vidrio sódico ^{[ 4 ]} con opacidad de haluro de plata . Posteriormente 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 la litografía de haz de electrones y los sistemas de escritura de máscaras impulsados ​​por láser o litografía sin máscara , que generan retículas directamente a partir del diseño computarizado original.

_Las fotomáscaras litográficas suelen ser placas transparentes _de sílice fundida recubiertas con un patrón definido mediante una película absorbente de cromo (Cr) o Fe₂O₃ . ^{[ 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 ]}

A set of photomasks, each defining a pattern layer in integrated circuit fabrication, is fed into a photolithography stepper or scanner, and individually selected for exposure. In multi-patterning techniques, a photomask would correspond to a subset of the layer pattern.

Historically in photolithography for the mass production of integrated circuit devices, there was a distinction between the term photoreticle or simply reticle, and the term photomask. In the case of a photomask, there is a one-to-one correspondence between the mask pattern and the wafer pattern. The mask covered the entire surface of the wafer which was exposed in its entirety in one shot. This was the standard for the 1:1 mask aligners that were succeeded by steppers and scanners with reduction optics.^[7] As used in steppers and scanners which use image projection,^[8] the reticle commonly contains only one copy, also called 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, used as copies to create several identical integrated circuits from one photomask). In modern usage, the terms reticle and photomask are synonymous.^[9]

In a modern stepper or scanner, the pattern in the photomask is projected and shrunk by four or five times onto the wafer surface.^[10] To achieve complete wafer coverage, the wafer is repeatedly "stepped" from position to position under the optical column or the stepper lens until full exposure of the wafer is achieved. A photomask with several copies of the integrated circuit design is used to reduce the number of steppings required to expose the entire wafer, thus increasing productivity.

Las características de 150  nm o menos generalmente requieren un desplazamiento 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 desplazamiento de fase atenuada en la máscara para aumentar el contraste de pequeños picos de intensidad, o grabar el cuarzo expuesto de manera que el borde entre las áreas grabadas y no grabadas se pueda usar para obtener una imagen de intensidad casi nula. En el segundo caso, los bordes no deseados tendrían que recortarse con otra exposición. El primer método es el desplazamiento de fase atenuado y a menudo se considera una mejora débil, que requiere iluminación especial para obtener la máxima mejora, mientras que el segundo método se conoce como desplazamiento 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 las fotomáscaras 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. ^{[ 11 ]} 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. ^{[ 12 ]} Una posibilidad es eliminar los absorbentes por completo y utilizar máscaras "sin cromo", confiando únicamente en el desplazamiento de fase para la formación de imágenes. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

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 a la trayectoria óptica más larga a través de la película con patrón. ^{[ 15 ]} Durante la fabricación, se utiliza una forma especial de inspección mediante microscopía llamada CD-SEM (microscopía electrónica de barrido de dimensiones críticas) para medir las dimensiones críticas en las fotomáscaras, que son las dimensiones de los patrones en una fotomáscara. ^{[ 16 ]}

Las imágenes de fotomáscaras de vanguardia (pre-corregidas) de los patrones del chip final se magnifican cuatro veces. Este factor de magnificación ha sido una ventaja clave para reducir la sensibilidad del patrón a los errores de imagen. Sin embargo, a medida que las características se reducen, entran en juego dos tendencias: la primera es que el factor de error de la máscara comienza a superar la unidad, es decir, el error dimensional en la oblea puede ser más de 1/4 del error dimensional en la máscara, ^{[ 18 ]} 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 la fotomáscara puede superar fácilmente este valor. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

El término «película» se utiliza para referirse a una película delgada o membrana. A partir de la década de 1960, se empleó una película delgada tensada sobre un marco metálico, también conocida como «película», como divisor de haz para instrumentos ópticos. Se ha utilizado en diversos instrumentos para dividir un haz de luz sin provocar un desplazamiento de la trayectoria óptica debido a su escaso espesor. 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 partículas por una película delgada y transparente estirada sobre un marco que se adhiere a un lado de la fotomáscara. La película se encuentra lo suficientemente lejos de los patrones de la máscara como para que las partículas de tamaño moderado a pequeño que se depositen sobre ella queden demasiado desenfocadas para imprimirse. Si bien están diseñadas para evitar la contaminación por partículas, las películas se integran al sistema de imagen y sus propiedades ópticas deben tenerse en cuenta. El material de las películas es nitrocelulosa y se fabrican para diversas longitudes de onda de transmisión. Actualmente, las películas están hechas de polisilicio, y las empresas están explorando otros materiales para EUV de alta apertura numérica (NA), como los nanotubos de carbono (CNT), ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} y futuros procesos de fabricación de chips. ^{[ 24 ] [ 25 ]} 

La Conferencia Anual de SPIE sobre Tecnología de Fotomáscaras presenta la Evaluación de la Industria de Fotomáscaras de SEMATECH , que incluye un análisis actual de la industria y los resultados de su encuesta anual a fabricantes de fotomáscaras. Las siguientes empresas se enumeran en orden de su cuota de mercado global (información de 2009): ^{[ 26 ]}

• Impresión Dai Nippon
• Fotomáscaras Toppan (ahora Tekscend)
• Fotrónica Inc.
• Corporación Hoya
• Corporación de Máscaras de Taiwán
• Compugrafía

Los principales fabricantes de chips, como Intel , Globalfoundries , IBM , NEC , TSMC , UMC , Samsung y Micron Technology , tienen sus propias instalaciones de fabricación de máscaras a gran escala o empresas conjuntas con las compañías mencionadas anteriormente.

El mercado mundial de fotomáscaras se estimó en 3200 millones de dólares en 2012 ^{[ 27 ]} y en 3100 millones de dólares en 2013. Casi la mitad del mercado correspondía a talleres de fotomáscaras propios (talleres internos de los principales fabricantes de chips). ^{[ 28 ]}

Los costos de crear un nuevo taller de máscaras para  procesos de 180 nm se estimaron en 2005 en 40 millones de dólares, y para 130  nm, en más de 100 millones de dólares. ^{[ 29 ]}

En 2006, el precio de compra de una fotomáscara podía oscilar entre 250 y 100 000 dólares ^{[ 30 ]} para una sola máscara de cambio de fase de alta gama . Se pueden requerir hasta 30 máscaras (de precio variable) para formar un conjunto completo. Dado que los chips modernos se construyen en varias capas apiladas, se requiere al menos una máscara para cada una de estas capas.

• Litografía computacional
• Protección del diseño de la disposición del circuito integrado (o "trabajo de máscara")
• Inspección de mascarillas
• Materiales de vidrio con nanocanales
• Interfaz SMIF
• Nivel de escalón