Фотошаблон

Фотошаблон (также фотомаска, фототрафарет, фотошаблон — от англ. photomask) — это оптический элемент, представляющий собой пластину из прозрачного материала (обычно кварцевого стекла или специального боросиликатного стекла) с нанесённым на одну из её сторон непрозрачным рисунком. Фотошаблон используется в фотолитографии — ключевом процессе микроэлектроники, микросистемной техники и оптики — для переноса топологического рисунка интегральных схем, микромеханических структур или оптических элементов на поверхность полупроводниковой пластины (подложки). По сути, фотошаблон является аналогом фотографического негатива или трафарета, через который ультрафиолетовое излучение засвечивает фоторезист, нанесённый на подложку, формируя таким образом скрытое изображение будущих элементов.

История

Ранние этапы

Прообразы фотошаблонов появились в середине XX века с развитием фотолитографии. Первые интегральные схемы, созданные в конце 1950-х годов (например, Джека Килби в Texas Instruments и Роберта Нойса в Fairchild Semiconductor), изготавливались с использованием ручных методов: рисунок вырезался на плёнке (рубилите) или рисовался тушью на прозрачной основе, а затем фотографически уменьшался до нужного размера. Эти примитивные шаблоны были однослойными и имели низкую точность.

Эволюция технологии

С ростом сложности и миниатюризации интегральных схем требования к фотошаблонам резко возросли. В 1970-х годах появились первые шаблоны на кварцевом стекле с хромовым покрытием, что позволило достичь высокой оптической плотности и механической стабильности. В 1980-х годах, с переходом на субмикронные размеры (менее 1 мкм), были разработаны методы коррекции оптической близости (OPC, Optical Proximity Correction) и фазосдвигающие маски (PSM, Phase-Shift Mask), которые компенсировали дифракционные искажения при переносе рисунка.

В 1990-х — 2000-х годах, с внедрением глубокого ультрафиолета (DUV, 248 нм и 193 нм), фотошаблоны стали многослойными и включали антиотражающие покрытия. Современные фотошаблоны для литографии в жёстком ультрафиолете (EUV, 13,5 нм) принципиально отличаются: они не пропускают, а отражают излучение, представляя собой многослойные зеркала с рисунком из поглощающего слоя.

Классификация фотошаблонов

Фотошаблоны классифицируются по нескольким признакам.

По типу используемого излучения

• Шаблоны для оптической литографии (UV, DUV): работают в ультрафиолетовом диапазоне (от 365 нм до 193 нм). Изготавливаются на кварцевых подложках с хромовым или молибден-силицидным рисунком.
• Шаблоны для EUV-литографии: работают на длине волны 13,5 нм. Представляют собой отражательные маски (рефлективные), состоящие из многослойного зеркала (Mo/Si) и поглощающего слоя (обычно на основе Ta, TaN или Ru).
• Шаблоны для рентгеновской литографии: используются для проецирования через мембрану (например, из карбида кремния) с рисунком из тяжёлых металлов (золото, вольфрам). В настоящее время мало распространены.

По методу переноса изображения

• Светлопольные (clear-field): большая часть площади шаблона прозрачна, а рисунок сформирован непрозрачными элементами. Используются для создания изолированных линий, контактов и металлизации.
• Темнопольные (dark-field): большая часть площади шаблона непрозрачна, а прозрачные участки соответствуют рисунку. Используются для формирования изолированных отверстий, канавок и областей имплантации.

По конструктивным особенностям

• Обычные (бинарные) маски: состоят из прозрачной подложки и непрозрачного слоя (хрома). Простейший тип.
• Фазосдвигающие маски (PSM): используют слои, изменяющие фазу проходящего света на 180° для улучшения контраста и разрешения. Делятся на аттенюированные (полупрозрачные) и альтернативные (с полным сдвигом фазы).
• Маски с коррекцией оптической близости (OPC-маски): содержат вспомогательные элементы (серповидные выступы, ямочки), которые компенсируют искажения, возникающие при дифракции света на краях рисунка.

По масштабу

• 1:1 (контактные маски): размер рисунка на шаблоне равен размеру на пластине. Используются в контактной и близкодействующей литографии.
• Уменьшающие (ретикли): рисунок на шаблоне в 4–5 раз больше, чем на пластине. Используются в проекционной (степперной) литографии, что позволяет снизить требования к точности изготовления шаблона и повысить разрешение.

Устройство и изготовление

Конструкция

Стандартный фотошаблон для DUV-литографии представляет собой пластину квадратной формы (обычно 6×6 дюймов, 152×152 мм, толщиной 6,35 мм) из высококачественного кварцевого стекла (с низким коэффициентом теплового расширения и высокой однородностью). На одну из сторон пластины нанесён непрозрачный слой хрома (Cr) толщиной около 100 нм. Поверх хрома может быть нанесён антиотражающий слой (например, оксид хрома, CrO) для снижения отражения ультрафиолета. Для EUV-масок подложка изготавливается из стекла с низким тепловым расширением (ULE), на неё напыляется многослойное зеркало (40–60 пар Mo/Si), а сверху наносится поглощающий слой (TaN, TaBN) и защитное покрытие (Ru).

Процесс изготовления

Изготовление фотошаблона — высокоточный процесс, требующий чистых комнат класса ISO 1–3.

1. Подготовка данных: топологический рисунок интегральной схемы (в формате GDSII, OASIS) преобразуется в формат, пригодный для записи на шаблон, с учётом коррекции OPC и PSM.
2. Запись рисунка: на подложку с нанесённым слоем хрома и фоторезистом (обычно электронно-чувствительным) подаётся сфокусированный пучок электронов (электронно-лучевая литография) или, реже, лазерный луч (лазерная литография). Электронный луч последовательно «прорисовывает» все элементы рисунка (полигоны, линии) на фоторезисте.
3. Проявление: после экспонирования фоторезист проявляется, удаляя засвеченные или незасвеченные участки (в зависимости от типа резиста).
4. Травление: открытые участки хрома удаляются плазмохимическим или ионным травлением, формируя окончательный рисунок.
5. Удаление резиста: оставшийся фоторезист смывается.
6. Контроль и ремонт: готовый шаблон проверяется на наличие дефектов (пропуски, лишние частицы, царапины) с помощью автоматических оптических инспекционных систем. Обнаруженные дефекты могут быть исправлены ионным или лазерным осаждением/удалением материала.
7. Защита: на шаблон наносится защитная плёнка (пелликула) — тонкая прозрачная мембрана, натянутая на рамку, которая защищает рисунок от пыли и загрязнений.

Применение

Основное применение фотошаблонов — микроэлектроника. Каждый слой современной интегральной схемы (транзисторы, изоляция, контакты, металлизация) требует отдельного фотошаблона. Современные процессоры и чипы памяти могут содержать до 80–100 слоёв, и для каждого из них изготавливается свой уникальный шаблон.

Другие области применения:

• Микроэлектромеханические системы (МЭМС): изготовление датчиков, акселерометров, микрозеркал.
• Оптика: создание дифракционных оптических элементов, микролинз, голограмм.
• Светодиоды и лазеры: формирование контактных площадок и волноводов.
• Биотехнологии: создание микрофлюидных чипов и биочипов.
• Производство печатных плат: для изготовления фотошаблонов высокого разрешения (обычно на плёночной основе).

Значение и перспективы

Фотошаблоны являются критически важным элементом всей полупроводниковой промышленности. Без них невозможно массовое производство микросхем. Стоимость одного современного набора фотошаблонов для передового техпроцесса (например, 7 нм или 5 нм) может достигать десятков миллионов долларов США, а время изготовления — нескольких недель. Сложность изготовления шаблонов растёт с каждым новым поколением литографического оборудования.

Перспективы развития фотошаблонов связаны с переходом на новые длины волн (EUV, а в будущем — на безаберрационную литографию с использованием мягкого рентгеновского излучения), а также с внедрением методов наноимпринтной литографии, где шаблон (штамп) используется для механического формирования рисунка. Также ведутся разработки в области безмасочной литографии (прямая запись пучком электронов), которая, однако, пока не может обеспечить необходимую производительность для массового производства.

Источники

• S. Wolf, R. N. Tauber. Silicon Processing for the VLSI Era, Vol. 1: Process Technology. Lattice Press, 2000.
• H. J. Levinson. Principles of Lithography. SPIE Press, 2010.
• C. Mack. Fundamental Principles of Optical Lithography: The Science of Microfabrication. Wiley, 2007.
• Международный стандарт SEMI P1-92 (для фотошаблонов).
• Материалы конференций SPIE Advanced Lithography (ежегодно).