フォトマスク
フォトマスク。このフォトマスクには、同じ回路パターンまたは設計のコピー（レイヤーとも呼ばれます）が 20 枚あります。
フォトマスク（上）とそれを使用して印刷された IC 層（下）の概略図

フォトマスク（単にマスクとも呼ばれる）は、光が所定のパターンで透過できる透明な領域を持つ不透明な板です。フォトマスクは、集積回路（ICまたは「チップ」）の製造におけるフォトリソグラフィーにおいて、薄い材料（通常はシリコン）のウェハ上にパターンを形成する際に一般的に使用されます。半導体製造においては、マスクはレチクルと呼ばれることもあります。[ 1 ] [ 2 ]

フォトリソグラフィーでは、複数のマスクが順番に使用され、各マスクは完成したデザインの層を再現します。これらをまとめてマスクセットと呼びます。曲線型フォトマスクは曲線パターンを有しており、従来のフォトマスクがマンハッタン形状と呼ばれる完全に垂直または水平のパターンのみを有していたのとは異なります。これらのフォトマスクの製造には特別な装置が必要です。[ 3 ]

歴史

1960年代から1970年代初頭にかけてのIC製造では、透明なマイラーシートに不透明なルビリスフィルムがラミネートされていました。当初は照明付きの製図台で手作業で（後に機械（プロッター）で）ルビリスに1層のデザインが刻まれ、不要なルビリスは手作業で剥がされ、チップのその層のマスター画像（しばしば「アートワーク」と呼ばれる）が形成されました。チップがますます複雑になり、大型化するにつれて、ルビリスもますます大きくなり、最終的には部屋の壁を埋め尽くすほどになりました。アートワークは写真技術で縮小され、フォトマスクが作成されるようになりました（最終的に、このプロセス全体がマスター画像を作成する光学パターンジェネレータに置き換えられました）。この時点で、マスター画像はレチクルと呼ばれるマルチチップ画像に配列できるようになりました。レチクルは当初、単一チップの10倍の大きさの画像でした。

レチクルは、ステップ・アンド・リピータ方式のフォトリソグラフィーとエッチングによって、最終チップと同じイメージサイズのフォトマスクを作成するために使用されました。このフォトマスクは、製造現場で直接使用される場合もあれば、最終的な実用フォトマスクを作成するためのマスターフォトマスクとして使用される場合もあります。

パターンサイズが縮小するにつれ、像を適切に焦点合わせする唯一の方法は、ウェーハに直接接触させることでした。これらのコンタクトアライナーは、ウェーハからフォトレジストの一部を剥がしてフォトマスク上に付着させることがよくあり、その場合は洗浄するか廃棄する必要がありました。これがリバースマスターフォトマスク（上記参照）の採用を促し、コンタクトフォトリソグラフィとエッチングを用いて、実際に機能するフォトマスクを必要な数だけ製造することができました。その後、投影フォトリソグラフィの登場により、フォトマスクの寿命は無限大となりました。さらにその後、ウェーハに直接ステップオンするステッパーフォトリソグラフィが登場し、レチクルを直接使用するようになったため、フォトマスクは使用されなくなりました。

フォトマスクの材料は時代とともに変化してきました。当初は銀塩不透明ガラスであるソーダガラス[ 4 ]が使用されていました。その後、ホウケイ酸ガラス[ 5 ]、そして膨張を抑制するために溶融シリカ、そして紫外線に対する優れた不透明度を持つクロムが導入されました。初期のパターンジェネレータは、電子ビームリソグラフィーとレーザー駆動マスクライター、あるいは元のコンピュータ設計から直接レチクルを生成するマスクレスリソグラフィーシステムに取って代わられました。

概要

模擬フォトマスク。厚い部分は、ウェーハ上に印刷したい集積回路です。薄い部分は、それ自体は印刷されませんが、集積回路の焦点外印刷を改善するために役立つ補助機能です。フォトマスクがジグザグに見えるのは、より良好な印刷を実現するために光近接効果補正（ OPC ）が適用されているためです。

リソグラフィーフォトマスクは、典型的には透明な溶融シリカ板に、クロム（Cr）または Fe 2 O 3金属吸収膜で定義されたパターンが塗布されたものである。 [ 6 ]フォトマスクは、365 nm 、248 nm、193 nmの波長で使用される。157 nm、13.5 nm（ EUV）、X線、電子、イオンなど、他の放射線用のフォトマスクも開発されているが、これらの基板とパターン膜には全く新しい材料が必要となる。[ 6 ]

集積回路製造におけるパターン層を定義するフォトマスクのセットは、フォトリソグラフィーステッパーまたはスキャナに送られ、個別に選択されて露光されます。マルチパターニング技術では、フォトマスクは層パターンのサブセットに対応します。

歴史的に、集積回路デバイスの大量生産のためのフォトリソグラフィーにおいては、「フォトレチクル」あるいは単に「レチクル」という用語と、「フォトマスク」という用語が区別されていました。フォトマスクの場合、マスクパターンとウェーハパターンは1対1で対応しています。マスクはウェーハ表面全体を覆い、1回の露光で全体を露光します。これは、縮小光学系を備えたステッパーやスキャナーに引き継がれた1:1マスクアライナーの標準でした。[ 7 ]像投影を用いるステッパーやスキャナーで使用されるレチクルには、[ 8 ]設計されたVLSI回路の1つのコピー（1つの層とも呼ばれます）のみが含まれるのが一般的です。（ただし、一部のフォトリソグラフィー製造では、同じマスク上に複数の層を並べて配置したレチクルを使用し、1つのフォトマスクから複数の同一集積回路を作成するためのコピーとして使用します。）現代の用法では、「レチクル」と「フォトマスク」という用語は同義語です。[ 9 ]

現代のステッパーまたはスキャナーでは、フォトマスクのパターンがウェーハ表面に投影され、4～5倍に縮小されます。[ 10 ]ウェーハを完全に覆うために、ウェーハは光学カラムまたはステッパーレンズの下の位置から位置へと繰り返し「ステップ移動」され、ウェーハが完全に露光されるまで続きます。集積回路設計の複数のコピーを備えたフォトマスクを使用することで、ウェーハ全体を露光するために必要なステップ移動回数を削減し、生産性を向上させます。

150 nm 以下のサイズの特徴では、通常、像の質を許容できる値まで高めるために位相シフトが必要です。これはさまざまな方法で実現できます。最も一般的な 2 つの方法は、マスク上で減衰位相シフト背景フィルムを使用して、小さな強度ピークのコントラストを高める方法と、露出した石英をエッチングして、エッチングされた領域とエッチングされていない領域の間のエッジを使用してほぼゼロの強度をイメージングできるようにする方法です。2 番目の場合、不要なエッジは別の露光でトリミングする必要があります。前者の方法は減衰位相シフトと呼ばれ、弱い強調であると見なされることが多く、最大の強調には特別な照明が必要です。一方、後者の方法は交互開口位相シフトと呼ばれ、最も一般的な強力な強調手法です。

最先端の半導体素子が微細化するにつれ、4倍の大きさのフォトマスク素子も必然的に微細化していく。吸収膜を薄くする必要があり、不透明度も低下するため、課題となる可能性がある。[ 11 ] IMEC による2005年の研究では、最先端のフォトリソグラフィー装置を用いた場合、吸収膜が薄くなると画像のコントラストが低下し、ラインエッジラフネス（線端粗さ）に寄与することが判明した。[ 12 ] 一つの可能​​性として、吸収膜を完全に排除し、「クロムレス」マスクを使用し、位相シフトのみで画像を形成することが考えられる。[ 13 ] [ 14 ]

液浸リソグラフィの登場は、フォトマスクの要件に大きな影響を与えています。一般的に使用されている減衰位相シフトマスクは、「ハイパーNA」リソグラフィで適用される高い入射角に対してより敏感です。これは、パターン化されたフィルムを通過する光路が長いためです。[ 15 ]製造工程では、CD-SEM（Critical-Dimension Scanning Electron Microscopy）と呼ばれる特殊な顕微鏡を用いた検査によって、フォトマスク上のパターンの寸法である限界寸法（critical dimension）を測定します。[ 16 ]

EUVリソグラフィー

EUVフォトマスクは光を反射することで機能し、[ 17 ]これはモリブデンとシリコンの複数の交互層を使用することで実現されます。

マスクエラー強調係数（MEEF）

最先端のフォトマスク（補正済み）では、最終的なチップパターンの画像は4倍に拡大されます。この拡大率は、パターンの描画誤差に対する感度を低減する上で重要な利点となっています。しかし、パターンが微細化し続けると、2つの傾向が現れます。1つ目は、マスクの誤差係数が1を超え始めることです。つまり、ウェーハ上の寸法誤差がマスク上の寸法誤差の1/4を超える可能性があります。[ 18 ] 2つ目は、マスクのパターンが小さくなり、寸法公差が数ナノメートルに近づいていることです。例えば、25 nmのウェーハパターンは100 nmのマスクパターンに対応するはずですが、ウェーハ公差は1.25 nm（仕様の5%）になる可能性があり、これはフォトマスク上では5 nmに相当します。フォトマスクパターンを直接描画する際の電子ビーム散乱の変動は、これを簡単に超えてしまう可能性があります。[ 19 ] [ 20 ]

ペリクル

「ペリクル」という用語は、「フィルム」、「薄膜」、「膜」を意味します。1960年代初頭、金属フレームに張られた薄いフィルム（ペリクルとも呼ばれます）が光学機器のビームスプリッターとして使用されるようになりました。ペリクルは、その薄い膜厚により光路シフトを引き起こすことなく光線を分割するために、多くの機器で使用されています。1978年、IBMのSheaらは、フォトマスクまたはレチクルを保護するためのダストカバーとして「ペリクル」を使用するプロセスの特許を取得しました。本項における「ペリクル」は、「フォトマスクを保護するための薄膜ダストカバー」を意味します。

半導体製造において、粒子汚染は深刻な問題となる可能性があります。フォトマスクは、ペリクル（フォトマスクの片面に接着されたフレームに張られた薄い透明フィルム）によって粒子から保護されています。ペリクルはマスクパターンから十分に離れているため、ペリクル上に付着した中程度から小さな粒子は焦点が合いすぎて印刷できません。ペリクルは粒子を寄せ付けないように設計されていますが、イメージングシステムの一部となるため、その光学特性を考慮する必要があります。ペリクルの素材はニトロセルロースで、様々な透過波長に合わせて作られています。現在のペリクルはポリシリコン製ですが、企業はCNT（カーボンナノチューブ）[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]や将来のチップ製造プロセスなど、高NA EUV向けの他の素材を研究しています。[ 24 ] [ 25 ]

ペリクルマウント機 MLI

大手商用フォトマスクメーカー

SPIE年次会議において、フォトマスク・テクノロジーはSEMATECHマスク業界評価レポートを発表しました。このレポートには、業界の最新分析と、同社が毎年実施しているフォトマスクメーカー調査の結果が含まれています。以下の企業は、世界市場シェア順に記載されています（2009年情報）。[ 26 ]

Intel、Globalfoundries、IBM、NEC、TSMC、UMC、Samsung、Micron Technologyなどの大手チップメーカーは、それぞれ独自の大型マスク製造施設を保有しているか、または上記企業との 合弁事業を行っています。

世界のフォトマスク市場は、2012年に32億ドル[ 27 ]、2013年には31億ドルと推定されました。市場のほぼ半分は、キャプティブマスクショップ（大手半導体メーカーの社内マスクショップ）によるものでした。[ 28 ]

180nmプロセス用の新しいマスクショップの建設費用は2005年に4000万ドルと見積もられ、130nmの場合は1億ドル以上と見積もられた。[ 29 ]

2006年におけるフォトマスクの購入価格は、高性能位相シフトマスク1枚あたり250ドルから10万ドル[ 30 ]の範囲でした。完全なマスクセットを構成するには、最大30枚（価格は様々）のマスクが必要になる場合があります。現代のチップは複数の層を積み重ねて製造されるため、各層ごとに少なくとも1枚のマスクが必要です。

参照

参考文献

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