DE2005495A1 - Photomaske und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

6945-69/Kö/S
RCA 60,366
Convention Date:
May 8, 1969

RCA Corporation, New York, N.Y., V.St.A.

Photomaske und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung betrifft eine Photomaske zur Verwendung beim photographischen Kontaktdrucken von Photolackmustern auf HaIbleiterplättchen sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Photomaske.

Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen wie Transistoren und integrierten Schaltungen wird ein Halbleiterplättchen mit lichtempfindlichem Material beschichtet und eine ein opakes Bild enthaltende Photomaske in Kontakt mit dem lichtempfindlichen Belag gebracht. Durch Belichten des lichtempfindlichen Belags durch die Photomaske und anschließendes Entwickeln des Belage wird dann ein Negativ des Photomaskenbildes auf das Plättchen gedruckt.

Um eine hohe Auflösung und eine getreue Bildübertragung von der Photomaske auf die Photolackschicht des Halbleiterplättchens zu erhalten, preöt man gewöhnlich die Photomaske fest gegen den lichtempfindlichen Belag. Die Oberfläche des lichtempfindlichen Belags ist normalerweise nicht glatt, und das Material, das auf der Photomaskenoberfläche das Photomaskenbild bildet, wird häufig bei« Kontakt mit dem rauhen Belag zerkratzt. Die zerkratzten Photo.mask.ejn. müssen entweder vor der erneuten Verwendung repariert werden, oder sie sind in vielen Fällen so sehr beschädigt, daß

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sie weggeworfen werden müssen. Auf jeden Fall erhöhen sich dadurch die Herstellungskosten von Halbleiterbauelementen oder -bausteinen erheblich.

Um diese Schwierigkeiten zu beheben, hat man sogenannte Chrom-Photomasken verwendet. Diese Photomasken bestehen aus einer transparenten Glasunterlage, auf deren einer Seite ein Muster aus metallischem Chrom angebracht ist. Das Chrommuster wird auf photolithographischem Wege mittels einer photographischen Verkleinerung einer Handzeichnung des gewünschten Musters, bezeichnet als "Vorlage", hergestellt. Wegen der Härte des Chroms sind derartige Masken weniger leicht beschädigbar als die früheren nichtmetallischen Masken.

Eine bei bekannten Chrommasken auftretende Schwierigkeit besteht darin, daß infolge von feinen Löchern oder "Poren" in der Chromschicht, die bei deren Aufbringen entstehen, sowie infolge von Defekten oder Mängeln aufgrund von Defekten in der für die Bildung des Musters verwendeten Photolackschicht erhebliche Fehler auftreten können. Es ist allgemein bekannt, daß porenbedingte Fehler dadurch vermieden werden können, daß man zwei voneinander unabhängige opake Schichten auf eine Unterlage aufbringt und dann das Muster auf photolithographischem Wege bildet* Die statistische Wahrscheinlichkeit, dali Poren in den beiden übereinanderliegenden Schichten sich miteinander decken und somit die Gesamtschicht durchsetzen, ist sehr gering, so dall derartige Doppelschichtanordnungen verhältnismäßig lichtundurchlässig sind. Während also durch die Doppelschichtmethode die Porendefekte effektiv beseitigt werden, können mit dieser Methode Defekte, die beim Fertigätzen des Musters entstehen, nicht korrigiert werden, da hierbei beide Schichten im gleichen Maße betroffen sind.

Bei einer anderen Art von fehlerkorrigierter Photomaske sind auf beiden Seiten einer transparenten Zwischenlage oder eines aufgebrachten Films voneinander unabhängige opake Bilder vorgesehen. In diesem Falle werden die Bilder unabhängig hergestellt und sowohl Aufbringdefekte als auch Ätzdefekte effektiv unterbunden.

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Diese Masken sind zwar erheblich besser als die früheren Masken; jedoch sind sie immer noch nicht so fehlerfrei, wie es wünschenswert wäre. Mitunter ergibt sich eine Fehldeckung zwischen den beiden Bildern. Wenn die Zwischenlage ein aufgebrachter Film ist, ist der Film in den Gebieten zwischen den opaken Bildbereichen häufig nicht genügend transparent oder lichtdurchlässig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Photomaske zu schaffen, die von den oben erwähnten Mängeln bekannter Masken frei ist.

Die erfindungsgemäße Photomaske besteht aus einer transparenten Unterlage mit einem Muster von mehrschichtigen opaken Elementen vorbestimmter Form auf ihrer einen Oberfläche. Die opaken Elemente bestehen jeweils aus einer ersten Schicht aus einem Material, das durch eine Substanz, die das Substrat nicht ätzt, ätzbar ist, einer zweiten Schicht, die durch eine Substanz, welche die erste Schicht nicht ätzt, ätzbar ist, und einer dritten * Schicht aus einem Material, das durch eine Substanz, die auch die erste Schicht ätzt, ätzbar ist. Durch die Mehrschichtanordnung werden porenbedingte Fehler effektiv beseitigt, und die Zwischenschicht schützt die erste Schicht während des endgültigen Herausätzens des Musters, so daß die bei diesem Verfahrensschritt entstehenden Defekte korrigiert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Photomaske wird das Muster der mittleren, zweiten Schicht in einem eigenen Photoätzschritt getrennt von der Herstellung der ersten und der dritten Schicht und in anderer Weise hergestellt. Die Muster können unabhängig voneinander unter Verwendung verschiedener Vorlagen hergestellt werden, so daß die Wahrscheinlichkeit, daft Defekte an der gleichen Stelle in sämtlichen Schichten auftreten, äufterst gering ist.

In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 ein partieller Grundrii der erfindungsgemäien Photomaske, wobei bestimmte Defekte in der Maske stark übertrieben an-

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gedeutet sind;

Figur 2 bis 7 Querschnittsdarstellungen allgemein entsprechend der Schnittlinie 7-7 in Figur 1 zur Veranschaulichung verschiedener Verfahreneschritte bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Photomaske.

Die erfindungsgemäße Photomaske, allgemein bezeichnet mit 10, hat einen Körper oder eine Unterlage 12 aus transparentem (lichtdurchlässigem) Material wie Glas mit einer ebenen Oberfläche 14. An der Oberfläche 14 haftet ein Muster aus opakem Material, dessen einzelne Elemente allgemein mit 16 bezeichnet sind. Die Elemente 16 können beliebige Form und Größe haben, je nach den mit der/jeweiligen Maske 10 herzustellenden Halbleiterbauelementen. Während sie hier der Einfachheit halber als einfache Rechtecke dargestellt sind, haben in der Praxis die Elemente 16 gewöhnlich verhältnismäßig komplizierte Formen.

Jedes der Elemente 16 des Musters besteht aus einer dreischichtigen Anordnung mit einer ersten Schicht 18, einer zweiten oder mittleren Schicht 20 und einer dritten Schicht 22. Die zweite Schicht 20 hat die gleiche Form wie die erste und die dritte Schicht, ist jedoch etwas kleiner, d.h. ihre Ränder sind gegenüber den Rändern der ersten und der dritten Schicht nach einwärts versetzt. Dadurch wird die Toleranz bezüglich Fehldeckungen zwischen der zweiten Schicht und den anderen Schichten vergrößert.

Als Material für die erste Schicht 18 sollte ein solches gewählt werden, das am Material der Unterlage 12 anhaftet und das durch eine Substanz, die das Material der Unterlage 12 nicht angreift, geätzt werden kann. Ein für die Schicht 18 geeignetes Material ist Chrom. Die Zwischenschicht 20 sollte am Material der Schicht 18 anhaften und durch eine Substanz, die das Material der Schicht 18 und der Schicht 22 nicht angreift, geätzt werden können, Geeignete Materialien fUr die Zwischenschicht 20 sind Kupfer und Siliciumdioxyd. Die Erfordernisse für das Material der oberen Schicht 22 sind die gleichen wie die für die untere Schicht 18. Zusätzlich sollte die obere Schicht 22 relativ hart und scheuerfest

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sein. Chrom ist daher ein geeignetes Material für die obere Schicht 22 sowie für die untere Schicht 18.

Einige der Defekte, die bei der vorliegenden Photomaske auftreten können und aufgrund ihres konstruktiven Aufbaus effektiv beseitigt werden, sind in den Zeichnungen in übertriebener Form dargestellt. Beispielsweise können in jeder der drei Schichten 18, 20 und 22 Porendefekte auftreten, wie bei 24, 26 bzw. 28 angedeutet. Porendefekte treten in der Form feiner Löcher mit relativ geringer seitwärtiger Ausdehnung, welche die gesamte Schicht durchsetzen, auf. In den verschiedenen Schichten können auch größere Löcher, die zu groß sind, als daß sie noch als Poren bezeichnet werden können, auftreten, wie bei 30 in der Schicht 22 angedeutet. In der mittleren Schicht 20 können Randdefekte auftreten, wie bei 32 angedeutet. Ebenso können in der oberen Schicht 22 solche Defekte auftreten, wie bei 34 angedeutet. Ferner kann es geschehen, daß auf der Oberfläche 14 an unerwünschten Stellen überschüssiges Material hängenbleibt, wie bei 35 in Figur 5 angedeutet. Diese letztgenannten Defekte sind nicht immer störend und können gewünschtenfalls leicht von der Maske entfernt werden.

Die Gesamtwirkung sämtlicher oben genannten Defekte ist bei dem vorliegenden Schichtaufbau vernachlässigbar. Die Wahrscheinlichkeit, daÄ Poren oder sogar größere Löcher in den drei Schichten aufeinandertreffen, ist minimal. Die Zwischenschicht 20 schützt die darunterliegenden Teile der Schicht l8 und verhindert damit, daft ein grober Ätzfehler in der Oberschicht 22 auch in der Unterschicht l8 auftritt. Die Zwischenschicht 20 sollte zwar, wie oben erwähnt, vorzugsweise etwas kleiner sein als das gewünschte Muster) jedoch sollte dieser Grööenunterschied gegenüber der Größe des gewünschten Musters so gering sein, daß er vernachlässigt werden kann. Ferner werden -Defekte wie der bei 32 in der /,wischenschicht 20 durch die Kombination der Schichten l8 und 22 korrigiert,

Ln Figur 2 bLs 7 sind verschiedene VerfahrensschrLtte bei der Herstellung der vorliegenden Photomnuke veranschauLicht.

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Figur 2 veranschaulicht ein frühes Ilerstellungsstadium, bei welchem die Unterlage 12 auf ihrer Oberfläche 14 mit einem Belag 36 versehen ist, von dem bestimmte Teile später die erste Schidit l8 der Elemente l6 bilden. Der Belag 36 kann Poren aufweisen, wie bei 24 angedeutet. Auf dem Belag 36 befindet sich ein Belag 37 aus einem Material wie Siliciumdioxyd, von dem entsprechende Teile später die zweite Schicht 20 der Elemente l6 bilden, üer Belag 37 kann ebenfalls Poren aufweisen, wie bei 26 angedeutet. Auf dem Üelag 37 sind zwei Stücke 38 und 30 aus ätzbeständigem Material angebracht, welche die gewünschte Form, Größe und Lage k der Elemente l6 der fertigen Maske bestimmen. Zu Erläuterungszwecken ist das Stück 39 als mit einem groben Defekt an seinem rechten Rand 40 behaftet dargestellt, indem ein Teil des Materials, das an sich da sein sollte, angedeutet durch die gestrichelte Linie 42, fehlt. Die Stücke 38 und 39 können nach bekannten Methoden, beispielsweise auf photolithographischem Wege mittels einer geeigneten Vorlage hergestellt werden.

Die Anordnung nach Figur 2 wird einer Ätzbehandlung unterzogen, um diejenigen Teile des Belages 37 zu entfernen, die nicht durch die Ätzlackstücke 38 und 39 geschützt sind. Als Ätzmittel für das Entfernen der unerwünschten Teile des Belages 37 verwendet man eine Substanz, durch die das Material des Belages 3ö ψ nicht angegriffen wird, beispielsweise, wenn die Schicht 37 aus SiO,, besteht, ein Gemisch aus 4 Teilen einer Ammoniumfluoridlösung (8 Gewichtsteile NII, auf I¹J Gewichtsteile entionisiertes

Wasser) und 1 Teil konzentrierter HF-Lösung.

Nach Beendigung dieses Ätzvorganges ergibt sich die in Figur 3 gezeigte Anordnung. Die ÄtzLackstücke 38 und 39 überlagern jetzt die restlichen, geschützten Teile des Belages,37» d.h. die Schihten 20. Die Schichten 20 werden Ln ihrer Größe etwas kleiner als das gewünschte Muster gemacht, vorzugsweise durch iberätzen des BeLuges 37» d.h. indem man langer iitzt, aLs es für das Entfernen der unerwünschten TeILe notwendig Lst. Die Schichten 20 haben daher in Figur 3 gegenübet· den entsprechenden Riindern der ÄtzLackr.bücke 38 und 39 /.urück'gosetz te oder einspringende Rander 44· An

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der rechten Seite des Stückes 39 ist die darunterliegende Schicht 20 mit einem dem Defekt bei 40 am rechten Rand des Stückes 39 entsprechenden Defekt behaftet.

Manchmal kommt es vor, daß die unerwünschten Teile des Belages 37 nicht vollständig entfernt werden, sondern zwischen den gewünschten Teilen kleine Teile stehenbleiben, wie durch den Teil 45 iⁿ Figur 3 angedeutet.

Als nächstes werden die Lack- oder Ätzreservagestücke 38 und 39 mittels eines geeigneten Lösungsmittels entfernt. Sodann wird ein Belag 46 aufgebracht, von dem bestimmte Teile später die dritte Schicht 22 der Elemente 16 bilden (Figur 4).

Sodann wird ein neues Ätzreservagemuster auf dem Belag angebracht, wie durch die Stücke 47 und 48 in Figur 4 angedeutet. Die Stücke 47 und 48 werden vorzugsweise auf photolithographischem Wege unter Verwendung einer anderen Unterlage als für die ursprünglichen Ätzreservagestücke 38 und 39 hergestellt. Dadurch wird erreicht, daß etwaige Defekte in den beiden Vorlagen höchstwahrscheinlich nicht an der gleichen Stelle auftreten. Jedoch können die Ätzreservagestücke 47 und 48 Defekte aufweisen, wobei zwei solche Defekte in Figur 4 angedeutet sind. Und zwar hat das Stück 47 seinen linken Rand 50 an falscher Stelle , und es fehlt ein durch die gestrichelte Linie 51 angedeuteter Teil dieses Stückes. Das Stück 48 hat ein großes Loch 52.

Die Anordnung 10 nach Figur 4 wird einer Ätzbehandlung in einem Lösungsmittel für das Material der Schichten 36 und 46 unterzogen. Für Chrom ist zu diesem Zweck eine Ätzlösung aus 25 g Kaliueihydroxyd und 50 g Kaliumferricyanid in 500 cm destilliertes Wasser geeignet. Figur 5 zeigt die Maske 10 nach diesem Ätzvorgang und nach dem Entfernen der Ätzreservagestücke 47 und Wegen des Loches 52 im Ätzreservagestück 48 kann die Ätzlösung die Schicht 22 angreifen und den bei 30angedeuteten Defekt erzeugen. Aufgrund des fehlenden Teils des Ätzreservagestückes kann die Ätzlösunß die linken Randteile der Schichten 22 und abtragen. Die mittlere Schicht 20 wirkt jedoch als Maske, welche

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die untere Schicht l8 schützt, so daß ein Muster entsteht, das genau die gleiche Form hat und nur etwas kleiner ist als das gewünschte Muster. Man beachte in diesem Zusammenhang das Musterelement 16 in der unteren linken Ecke von Figur 1, wo die zweite Schicht 20 unter der Schicht 2 2 vorsteht.

Es kann sein, daß die für die Herstellung der Stücke 47 und 48 verwendete Vorlage sich nicht genau mit den Schichten 20 deckt und daß sich infolge von Unterschieden im Abstand zwischen einzelnen Elementen der Vorlage Fehldeckungen zwischen den Schichten 22 und 20 in einzelnen Elementen 16 der Maske 10 ergeben. Durch die geringfügige Verkleinerung der seitwärtigen Ausdehnung der Schichten 20 wird jedoch die Wahrscheinlichkeit erhöht, daß die Flächenbereiche der Schichten 20 sich gänzlich innerhalb der Flächenbereiche der Schichten 22 befinden. Die Gesamtfläche eines Musterelements 16 kann daher etwas kleiner als gewünscht sein, jedoch ist es nicht wahrscheinlich, daß sie größer ist. Der Abstand zwischen den Elementen 16 ist oft kritisch, so daß eine kleinere Fläche und mithin ein größerer Abstand gewöhnlich vorzuziehen ist. Der kleine Teil 45 des Belags 37 zwischen den Musterelementen l6 schützt das darunterliegende Material des Belags und ruft somit den Defekt 35 hervor.

Die in Figur 5 gezeigte Maske 10 eignet sich für viele Anwendungszwecke. Gewöhnlich sind Defekte wie das stehengebliebene Material bei 35 unerheblich. Die übrigbleibenden Defekte 35 ("Chromflecken») können bei behandelten Siliciumplättchen mittels einer Doppelbelichtungsmethode mit der Maske 10 leicht entfernt werden. Gemäß einer typischen Doppelbelichtungsmethode wird ein zusammengesetztes Bild auf Negativphotolack durch Belichtung mit zwei unabhängigen Maskenbildern (erhalten durch Verschieben oder Fortschalten um eine Reihe bei jeder Belichtung) auf der Maske hergestellt. Da es unwahrscheinlich ist, da* Chromfleckendefekte auf voneinander unabhängigen Bildern zusammenfallen, wird aufgrund statistischer Wahrscheinlichkeit der Photolack bei der zweiten Belichtung in denjenigen Bereichen belichtet, die zuvor wegen der Chromfleckendefekte unbelichtet geblieben sind, ohne

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daß dadurch weitere Fehler infolge von porenbedingten Defekten auf der Maske entstehen. In diesem wichtigen Punkt sind die vorliegenden Photoraasken den herkömmlichen Masken überlegen, die normalerweise sowohl durch fehlende als auch durch unerwünschte überschüssige Musterteile bedingte Defekte aufweisen. Bei den herkömmlichen Masken würde die Anwendung der gleichen Doppelbelichtungsmethode zu keiner systematischen Verbesserung der Vollkommenheit der Maske führen. Obwohl nämlich die durch überschüssige Musterteile bedingten Defekte verringert würden, würden zugleich die durch Poren und durch fehlende Musterteile bedingten Defekte verdoppelt.

In Fällen, wo ein hoher Präzisionsgrad erforderlich ist, solltenjedoch sogar die Chromfleckendefekte 35 beseitigt werden. In Figur 6 und 7 ist veranschaulicht, wie dies mittels eines dritten Photoätzschrittes erreicht werden kann. Wie in Figur 6 gezeigt, wird auf der Maske ein drittes Muster mit Stücken 53 und 54 aus Photolaokmaterial angebracht. Die nunmehr ungeschützte Defektstelle 35 kann jetzt durch Behandeln der Anordnung mit einem Lösungemittel für das Material des Belages 36 entfernt werden. Die fertige Maske 10, nach dem Entfernen der Ätzreservagestücke 53 und 54, ist in Figur 1 und 7 dargestellt.

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Claims (8)

1. Patentansprüche

   Photomaske zur Verwendung beim photographischen Kontaktdrucken von Photolackmustern, gekennzeichnet durch einen Körper (12) aus transparentem Material, auf dessen einer Seite ein Muster von mehrschichtigen opaken Elementen (l6) bestimmter Form mit je einer ersten Schicht (l8) aus einem Material, das durch eine Substanz, die das Material des Körpers nicht ätzt, ätzbar ist, und einer darüberliegenden zweiten Schicht (20) aus einem Material, das durch eine Substanz, welche das Material der ersten Schicht nicht ätzt, ätzbar ist, angebracht i st.
2. 2. Photomaske nach Anspruch 1, dadurch gekenjn zeichnet, daß .-jedes der Elemente (l6) außerdem eine dritte Schicht (22) aus einem Material, das durch eine Substanz, die auch die erste Schicht (l8) ätzt, ätzbar ist, aufweist, und dad die Ränder der zweiten, mittleren Schicht normalerweise gegenüber den Rändern der ersten und der dritten Schicht nach einwärts versetzt sind.
3. 3. Photomaske nach Anspruch 2, dadurch gekenii zeichnet, daß das Material der dritten Schicht (22) scheuerfest ist.
4. 4. Photomaske nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, dai die dritte Schicht aus Chrom besteht.
5. 5. Photomaske nach einem der Ansprüche 2 bis 4» da- % durch gekennzeichnet, dai der Körper (12)? au·

   Glaa, die erste (l8) und die dritte (22) Schicht aus Chrom und die zweite Schicht (20) aus Kupfer bestehen.
6. 6. Photomaske nach einem der Ansprüche 2 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daft der Körper (12)

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   aus Glas, die erste (l8) und die dritte (22) Schicht aus Chrom
   und die zweite Schicht (20) aus Siliciumdioxyd bestehen.
7. 7. Verfahren zur Herstellung einer Photomaske nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Oberfläche eines transparenten Körpers ein erster
   Belag" aus einem opaken Material, das durch eine Substanz, die das Material des Körpers nicht angreift, ätzbar ist, aufgebracht wirdj daß auf den ersten Belag ein zweiter Belag aus einem anderen Material, das durch eine Substanz, die das Material des ersten Belags nicht angreift, ätzbar ist, aufgebracht wird, daß der zweite Belag selektiv weggeätzt wird, derart, daß Teile von ihm auf dem ersten Belag in einem vorbestimmten Muster zurückbleibenj daß

   auf diese Teile des zweiten Belags und die freiliegenden Teile
   des ersten Belags ein dritter Belag aus einem Material, das durch eine Substanz, die auch das Material des ersten Belags ätzt, ätzbar ist, aufgebracht wirdj und daß der erste und der dritte Belag, selektiv weggeätzt werden, derart, daß ein dem gewünschten Photolackmuster entsprechendes Muster zurückbleibt.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7 > dadurch gekennzeichnet, daö das Ätzen des zweiten Belags in der Weise erfolgt, daft auf diesen ßelag ein ätzbeständiges Material in einem dem gewünschten Photolackmuster entsprechenden Muster aufgebracht Wird und der zweite Belag dem Ätzmittel solange ausgesetzt wird, dai er gegenüber den Rändern des ätzbeständxgen Materials hinterätzt wird.

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