Fotomaske

Fotomasken (englisch reticle) sind Projektionsvorlagen, deren Hauptanwendung die fotolithografische Strukturierung bei der Herstellung von mikroelektronischen Schaltungen oder Mikrosystemen ist. Sie bestehen üblicherweise aus hochreinem Quarzglas oder Calciumfluorid (Lithografie mit Laserlicht der Wellenlänge 248 nm bzw. 193 nm) und sind beispielsweise auf einer Seite mit einer dünnen strukturierten Chromschicht versehen.

Hintergrund und Anwendung

Fotomasken werden bei der fotolithografischen Strukturierung des Fotolacks (engl. Resist) verwendet. Vereinfacht kann man diesen Prozess wie folgt beschreiben. Die Maske wird mit Licht bestrahlt. Dabei erzeugen die transparenten und undurchsichtigen Bereiche der Maske einen Schattenwurf auf die Fotolackschicht und das Licht bewirkt in den bestrahlten Bereichen eine chemische Reaktion im Fotolack. Nach weiteren Schritten (vgl. Fotolithografie (Halbleitertechnik)) entsteht so eine strukturierte Fotolackschicht, das heißt, auf dem Wafer befinden sich Bereiche in denen die Fotolackschicht noch vorhanden ist oder entfernt wurde. Diese Schicht wird in nachfolgenden Herstellungsschritten genutzt, um strukturierte Schichten aus anderen Materialien abzuscheiden oder durch Ätzen zu erzeugen.

Fotomasken müssen absolut fehlerfrei sein, denn ein Fehler würde sich bei der Belichtung in jedem Chip bzw. Die (bei Einzelchipmasken) auf jedem Wafer wiederfinden. Deshalb werden an das Material höchste Anforderungen in puncto Transmission, Planarität, Reinheit und Temperaturstabilität gestellt. Diese Anforderung in Verbindung mit der nötigen Präzision (Strukturbreiten und Lagegenauigkeiten von wenigen Nanometern) erfordern extrem aufwendige und teure Produktionsanlagen (Laser- oder Elektronenstrahlschreiber), in denen sogar Schwankungen des Erdmagnetfelds ausgeglichen werden müssen, um einwandfreie Masken herzustellen. Aufgrund dieser hohen Anforderungen kostet eine Fotomaske je nach Spezifikation bis zu ca. 250.000 EUR. Fotomasken sind im Allgemeinen das teuerste „Material“, das zur Herstellung von integrierten Schaltungen benötigt wird. Während Rohwafer im Bereich von wenigen hundert oder tausend Euro kosten, kann ein kompletter Maskensatz (ca. 20 bis 60 Stück werden für die verschiedenen Prozessschritte benötigt) mehrere Millionen Euro kosten.

Herstellung

Die Herstellung der gewünschten Strukturen erfolgt in der Regel durch die Elektronenstrahllithografie. Im Fall von herkömmlichen Chrommasken wird dazu ein Rohling (dem Blank) mit einer dünnen Chromschicht beschichtet (häufig durch Sputterdeposition) werden die gewünschten Strukturen auf einem fertig beschichteten erzeugt, indem nicht benötigtes Chrom entfernt wird. Je nachdem für welches fotolithografische Verfahren (Kontaktbelichtung, Projektionsbelichtung usw.) die Maske gedacht ist, sind die Strukturen gleichgroß (Kontaktbelichtung Proximitybelichtung) bzw. im Maßstab 4:1 oder 5:1 vergrößert als die späteren Zielstrukturen auf dem Wafer.

Mögliche Defekte

Schon bei der Herstellung kann es zu verschiedenen Defekten kommen. Beispielsweise können Partikel oder sonstige Abschattungen dazu führen, dass schon bei der Abscheidung der Chromschicht nicht geschlossene Bereiche entstehen. Auch kann es bei der Belichtung durch den Elektronenstrahl zu Abbildungsfehlern auf der Maske kommen, dies können sowohl zusätzlich geöffnete Bereiche als auch nicht geöffnete Bereiche sein. Darüber hinaus stellen elektrostatische Entladungen eine mögliche Defektquelle dar. Dabei entlädt sich eine elektrische Spannung zwischen zwei nicht verbundenen Chrombereichen über einen Lichtbogen (im Submikrometerbereich). Ähnlich wie beim Lichtbogenverdampfen führt dies zu Sputtereffekten an der Chromschicht und somit zu Defekten. Aufgrund der hohen Kosten pro Maske werden kleinere Defekte aufwendig in Einzelarbeit korrigiert statt die Maske nochmals anzufertigen. Für die Korrektur von Löchern wird lokal eine zusätzliche Chromschicht aufgetragen und überschüssiges Material abgetragen. Hierzu wurden in den letzten Jahren unterschiedliche Verfahren auf Grundlage von Laserstrahlverdampfen und -abscheidung, Focused-Ion-Beam-Sputterätzen, ionenstrahlgestützte Abscheidung, Mikromanipulation durch Rasterkraftmikroskoptechniken sowie Elektronenstrahl unterstützte Verfahren entwickelt.^[1]

Die wichtigsten „Defekte“ bei einer Nutzung von Fotomasken sind Verschmutzungen durch Partikeln aus der Luft oder durch Abrieb der Hantierungssysteme. Letztere sind jedoch durch entsprechende Materialwahl und einer Minimierung der Kontaktfläche der Anlagen mit der Maske weitgehend beherrschbar. Zum Schutz der sehr teuren Maske vor Verschmutzungen aus der Luft wird häufig zusätzlich ein Pellikel eingesetzt. Dabei handelt es sich um eine transparente Folien (beispielsweise aus Nitrozellulose), die auf einen Rahmen aus Kunststoff gespannt ist. Der Rahmen wird auf der Seite mit der strukturierten Schicht angebracht. Dieses soll verhindern, dass Partikel direkt auf die strukturierte Schicht der Maske gelangen und somit zu Abbildungsfehlern führen. Verunreinigungen des Pellikels hingegen liegen durch den Abstand zur strukturgebenden Schicht (meist 3 oder 5 mm) deutlich außerhalb des Fokus des Belichtungssystems und stören die Abbildung somit nicht oder nur in sehr viel geringerem Maße. Zudem lassen sich angelagerte Partikel wie auf der unstrukturierten Seite der Maske leicht mit Stickstoff abpusten ohne die Maske zu schädigen. Weiterhin reduziert sich die Gefahr einer mechanischen Beschädigung und der Austausch des Pellikels ist deutlich günstiger als die Reinigung oder Reparatur der Maske selbst.

Ein weiter zunehmend an Bedeutung gewinnender Defekt ist Bildung von Kristallen an der Maskenoberfläche, das sogenannte haze (engl. für ‚Dunst‘, ‚Trübung‘). Dabei handelt es sich beispielsweise um Ammoniumsulfat-Kristalle, die sich beispielsweise aus Rückständen von Ammoniumhydroxid und Schwefelsäure (als Schwefel -Quelle) bilden. Beide Stoffe werden für die Reinigung der Masken eingesetzt. Bei Haze, das während des Betriebs langsam auf der Fotomaske wächst, stammt der Schwefel meist aus in der Umgebungsluft vorhandenem Schwefeldioxid.^[1]

Varianten

Um das Auflösungsvermögen des Wafer-Belichtungsprozesses zu erhöhen, wurden mehrere aufwändige Varianten der klassischen Chrommasken entwickelt.

Chrommaske

Intensitätsprofil einer Chrommaske

Die Chrommaske, auch Chrome-on-Glass-Maske genannt, ist die „klassische“ Fotomaske. Sie besteht lediglich aus einem Glassubstrat und einer Chromschicht. Diese Art von Fotomasken ist die am meisten verwendete Variante, da sie am günstigsten und am schnellsten herstellbar ist. Für viele weniger kritische Prozessschritte in der Halbleiterentwicklung ist ihr Auflösungsvermögen ausreichend. Da die Chromschicht absolut lichtundurchlässig und die „offenen“ Stellen nahezu 100 % lichtdurchlässig sind, wird die Chrommaske auch „Binärmaske“ genannt.

Halbtonphasenmaske

Intensitätsprofil einer Halbtonphasenmaske

Eine Halbtonphasenmaske, auch MoSi-Maske, weiche Phasenmaske oder engl. Attenuated Phase Shift Mask genannt, besteht im Gegensatz zur COG-Maske nicht aus Chrom sondern aus einer strukturgebenden Schicht aus Siliziumnitrid (Si₃N₄), das mit etwa 5 % Molybdän (Mo) dotiert ist: MoSi. Die Schicht ist teilweise lichtdurchlässig (daher "Halbton"; typischerweise liegt die Transmission bei einer Wellenlänge von 193 nm bei 6 %). Die Schichtdicke wird so gewählt, dass die Wellenlänge der zur lithographischen Abbildung verwendeten Strahlung beim Passieren eine Phasenverschiebung von 180° im Vergleich zur Strahlung, die lediglich das Glas durchdringt, erfährt. Der Kontrast der abzubildenden Kante und damit das Auflösungsvermögen nehmen dadurch zu.

Tritone-Masken

Tritone-Masken („Dreiton-Masken“) besitzen sowohl eine Chrom- als auch eine MoSi-Schicht. Durch die Chromschicht können Teile der Maske, die nicht zur Projektion benötigt werden bzw. stören würden, vollkommen lichtundurchlässig gemacht werden.

Chromfreie Phasenmaske

Bei dieser Maskenart wird völlig auf eine Beschichtung des Substrats verzichtet. Der Strukturkontrast wird ausschließlich durch Phasenverschiebung des Lichts über entsprechend geätzte Gräben im Glas hergestellt.

Alternierende Phasenmaske

Intensitätsprofil einer alternierenden Phasenschiebermaske

Bei alternierenden Phasenmasken, auch „harte Phasenmaske“ genannt, handelt es sich um eine Kombination aus Chrommaske und chromfreier Maske. Zusätzlich zu den Zuständen „Chrom“ und „chromfrei“ einer reinen Chrommaske gibt es die Möglichkeit, chromfreie Stellen tiefer zu ätzen als die regulären Glasstellen. Dadurch ergibt sich wie bei der chromfreien Maske ein 180°-Phasenunterschied zwischen den ungeätzten und geätzten Glasstellen. Diese werden abwechselnd (daher „alternierend“) nebeneinander aufgebracht, um den Kontrast der Abbildung zu steigern.

Aufgrund der komplizierten Berechnung der Verteilung von geätzten Glasgräben (u. U. widersprüchliche Anforderungen bei aufeinandertreffenden Strukturkanten) ist die Datenaufbereitung äußerst aufwändig.

EUV-Maske

EUV-Masken sind für eine Beleuchtungswellenlänge im extremen Ultraviolett von 13,5 nm ausgelegt. Sie werden in der EUV-Lithografie eingesetzt. Aufgrund der hohen Absorption verwendbarer Substratmaterialien in diesem Spektralbereich können EUV-Masken nicht in Transmission eingesetzt werden. Der Reflexionsgrad gängiger Beschichtungsmaterialien ist jedoch ebenfalls sehr gering. Man behilft sich mit Mehrfachschichtsystemen (engl. multi layer, ML), die direkt unterhalb des strukturierten Bereichs liegen und als braggscher Interferenzspiegel funktionieren. Die Beschichtung besteht aus 40–50 Bragg-Paaren, die in der Regel aus einer Molybdän- und einer Silizium-Schicht gebildet werden. Die Schichtdicken sind für einen Einfallswinkel von 6° ausgelegt und man erreicht Reflexionsgrade von ca. 65 %. Für die Strukturierung werden Tantal-basierte Absorber eingesetzt (Tantaldioxid, Tantalnitrid).

Weblinks

• Philipp Laube: Maskentechnik. halbleiter.org.

Hersteller:

• Toppan Photomasks, Inc. (USA) ehemals DuPont Photomasks, Inc., 2005 von Toppan Printing Co., Ltd. (Japan) aufgekauft. Seitdem weltgrößter Hersteller von Fotomasken.
• Dai Nippon Printing Co., Ltd. (Japan)
• Photronics, Inc. (USA)
• AMTC Dresden (Deutschland) Gemeinsames Entwicklungs-Joint-Venture von Globalfoundries und Toppan Photomasks
• ADTEK Photomask (Kanada)

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Harry J. Levinson: Principles of Lithography. 3 Auflage. SPIE Society of Photo-Optical Instrumentation Engi, 2011, ISBN 9780819483249, S. 287–291.