Fotomaske

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Inhaltsverzeichnis 1 Techniken 1.1 Chrome-On-Glass-Masken 1.2 Halbtonphasenmasken 1.3 Tritone-Masken 1.4 Chromfreie Phasenmasken 1.5 Alternierende Phasenmasken 2 Hersteller

Fotomasken sind Projektionsvorlagen, deren Hauptanwendung die Fotolithografie zur Halbleiterherstellung ist. Sie bestehen üblicherweise aus hochreinem Quarzglas oder Calciumfluorid (Lithografie mit Licht der Wellenlänge 248 nm bzw. 193 nm Wellenlänge) und sind auf einer Seite mit einer dünnen Chromschicht versehen.

Fotomasken müssen absolut fehlerfrei sein, denn ein Fehler würde sich bei der Belichtung auf jedem Wafer wiederfinden. Deshalb werden an das Material höchste Anforderungen in Punkto Transmission, Planarität, Reinheit und Temperaturstabilität gestellt. Diese Anforderung in Verbindung mit der nötigen Präzision (Strukturbreiten und Lagegenauigkeiten von wenigen Nanometern) erfordern extrem aufwändige 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.

Mittels Elektronenstrahllithografie werden die gewünschten Strukturen auf einem fertig beschichteten Rohling (dem Blank) erzeugt, indem nicht benötigtes Chrom entfernt wird. Das Chrom reflektiert dann im lithografischen Prozess das UV-Licht und erzeugt durch Schattenwurf die Strukturen im Lack, meist mit einer verkleinernden Darstellung (üblich sind 4:1 oder 5:1 Verkleinerungen). Das Verfahren der verkleinernden Projektionsbelichtung wird hauptsächlich in der Halbleiterindustrie verwendet, um z.B. Strukturen auf Siliziumscheiben (Wafer) zu übertragen. Die fertige Maske erhält meist auf der Seite mit der Chromschicht zusätzlich ein Pellikel aus Nitrozellulose. Dieses soll verhindern, dass Partikel direkt auf die Maske gelangen und somit zu Abbildungsfehlern führen. Verunreinigungen des Pellikels hingegen liegen durch den Abstand zur strukturgebenden Schicht (ca. 5 mm) deutlich außerhalb des Fokus des Belichtungssystems und stören die Abbildung somit nicht oder nur in sehr viel geringerem Maße. Zudem ist ein Austauschen des Pellikels günstiger als die Reinigung oder Reparatur der Maske selbst.

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.

Techniken

Um das Auflösungsvermögen des Wafer-Belichtungsprozesses zu erhöhen, wurden mehrere aufwändige Varianten der klassischen Chrome-On-Glass- (COG) Masken entwickelt.

Chrome-On-Glass-Masken

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.

Halbtonphasenmasken

(auch "weiche Phasenmaske" oder "Attenuated Phase Shift Mask").

Im Gegensatz zur COG-Maske besteht die strukturgebende Schicht bei der Halbtonphasenmaske nicht aus Chrom, sondern aus Molybdänsilizid (MoSi). Die Schicht ist teilweise lichtdurchlässig (daher "Halbton") und hat eine Schichtdicke, die exakt dem Viertel der Wellenlänge des zur Projektion verwendeten Lichts entspricht. Dadurch erfährt das Licht beim Passieren der MoSi-Schicht eine Phasenverschiebung von 180° im Vergleich zum Licht, das lediglich das Glas durchdringt. Der Kontrast der abzubildenden Kante und damit das Auflösungsvermögen nimmt 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 Phasenmasken

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 Phasenmasken

(auch "harte Phasenmaske" genannt) Hierbei 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.

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 AMD, Toppan Photomasks und Infineon Technologies

• ADTEK Photomask (Kanada)