फोटोमास्क

फोटोमास्क एक छिद्र या पारदर्शिता वाली अपारदर्शी प्लेट होती है, जो प्रकाश को एक परिभाषित पैटर्न में चमकने की अनुमति प्रदान करती है। ये सामान्यतः फोटोलिथोग्राफी और विशेष रूप से एकीकृत परिपथ (आईसी या "चिप") के उत्पादन में उपयोग की जाती हैं। मास्क का उपयोग अधःस्तर पर एक पैटर्न बनाने के लिए किया जाता है, सामान्यतः सिलिकॉन का एक पतला टुकड़ा, जिसे चिप निर्माण के मामले में वेफर के रूप में जाना जाता है। बदले में कई मास्क का उपयोग किया जाता है, जिनमें से प्रत्येक एक पूर्ण संरचना की परत को पुन: प्रस्तुत करता है, और सम्मिलित रूप से इन्हें मास्क सेट के रूप में जाना जाता है।

पूर्व में, फोटोमास्क का निर्माण रूबीलिथ और मायलर का उपयोग करके हाथों द्वारा किया जाता था। जटिलता बढ़ने के साथ-साथ किसी भी प्रकार के हस्तनिर्मित प्रसंस्करण कठिन होते चले गए। इसका समाधान प्रकाशिक पैटर्न जनित्र के प्रारंभ के साथ किया गया था, जो प्रारंभिक बड़े पैमाने के पैटर्न के उत्पादन की प्रक्रिया को स्वचालित करता था, जबकि चरण-और-पुनरावृत्त कैमरे पैटर्न की प्रतिलिपि को बहु-आईसी मास्क में स्वचालित करते थे। मध्यवर्ती मास्क को रेटिकल के रूप में जाना जाता है, और प्रारंभ में उसी फोटोग्राफिक प्रक्रिया का उपयोग करके इन्हें उत्पादन मास्क में प्रतिचित्रित किया गया था। तब से जनित्र द्वारा उत्पादित प्रारंभिक चरणों को इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी और लेजर-चालित प्रणालियों द्वारा प्रतिस्थापित कर दिया गया है। इन प्रणालियों में कोई भी रेटिकल नहीं हो सकता है, और मास्क को सीधे मूल कम्प्यूटरीकृत संरचना से उत्पन्न किया जा सकता है।

समय के साथ मास्क की सामग्री भी बदल गई है। प्रारंभ में, रूबीलिथ को सीधे मास्क के रूप में उपयोग किया जाता था। आकृति के आकार के संकुचन के कारण छवि को ठीक से केन्द्रित करने का एकमात्र तरीका था, कि इसे वेफर के सीधे संपर्क में रखा जाए। इन संपर्क लिथोग्राफियों ने प्रायः कुछ प्रकाश-रोधकों को वेफर से हटा दिया और मास्क को उपयोग से बाहर कर दिया। इसने रेटिकल को अपनाने में सहायता प्रदान की, जिनका उपयोग हजारों मास्क को बनाने के लिए किया गया था। मास्कों को उजागर करने वाले लैंपों की शक्ति में वृद्धि होने के साथ ही, फिल्में ऊष्मीय कारणों से विरूपण के अधीन हो गई, जिन्हें सोडा ग्लास पर सिल्वर हैलाइड द्वारा प्रतिस्थापित किया गया। इसी प्रक्रिया ने विस्तार को नियंत्रित करने के लिए बोरोसिलिकेट और फिर क्वार्ट्ज, एवं सिल्वर हैलाइड के स्थान पर क्रोमियम का उपयोग किया, जिसमें लिथोग्राफी प्रक्रिया में उपयोग किये जाने वाले पराबैंगनी प्रकाश के लिए बेहतर अपारदर्शिता होती है।

इतिहास
1960 के दशक में आईसी उत्पादन के लिए, 1970 के दशक के दौरान, मास्टर मास्क बनाने के लिए एक पारदर्शी माइलर पर एक आवरित अपारदर्शी रूबीलिथ फिल्म का उपयोग किया गया था। कटाई मशीन (प्लॉटर) एक स्टैंसिल को काटती थी, जिसे बाद में छील दिया जाता था। एक उप-मास्टर प्लेट बनाने के लिए प्रतिरूपित माइलर को प्रकाशित आलेखन तालिका से फोटोग्राफी के उपयोग द्वारा छोटा किया गया था, जिसे वेफर पर पैटर्न बनाने के लिए आगे चरण-और-पुनरावृत्ति प्रक्रिया में उपयोग किया गया था। अर्धचालक निर्माण में आकृति के आकार के संकुचन के साथ ही वेफर का आकार भी बढ़ता गया और एक ही प्रिंट को कई आईसी चिपों के उत्पादन की अनुमति देते हुए संरचना की कई प्रतियाँ मास्क पर प्रतिरूपित की गईं। संरचना की जटिलता बढ़ने के साथ ही इस प्रकार के मास्क का निर्माण कठिन होता गया। इसका समाधान रूबीलिथ पैटर्न को बहुत बड़े आकार में काटकर, प्रायः कक्ष की दीवारों को भरकर, और फिर उन्हें फ़ोटोग्राफिक फिल्म और तत्पश्चात प्लेट पर वैकल्पिक रूप से संकुचित करके किया गया था।

अवलोकन
लिथोग्राफिक फोटोमास्क सामान्यतः ऐसे पारदर्शी संगलित सिलिका प्लेट होते हैं, जो क्रोमियम (Cr) या Fe2O3 धातु अवशोषित फिल्म के साथ परिभाषित पैटर्न से ढके होते हैं। फोटोमास्क का उपयोग 365 नैनोमीटर, 248 नैनोमीटर और 193 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य पर किया जाता है। फोटोमास्क को विकिरण के अन्य रूपों जैसे 157 नैनोमीटर, 13.5 नैनोमीटर (ईयूवी), एक्स-रे, इलेक्ट्रॉनों और आयनों के लिए भी विकसित किया गया है; लेकिन इन्हें अधःस्तर और पैटर्न फिल्म के लिए पूरी तरह से नई सामग्री की आवश्यकता होती है।

फोटोमास्क का एक समूह प्रत्येक एकीकृत परिपथ निर्माण में एक पैटर्न परत को परिभाषित करता है, जिसे एक फोटोलिथोग्राफी स्टेपर या स्कैनर में फीड किया जाता है, और व्यक्तिगत रूप से अनावरण के लिए चयनित किया जाता है। मल्टी पैटर्निंग तकनीकों में, एक फोटोमास्क परत पैटर्न के उपसमूह के अनुरूप होता है।

एकीकृत परिपथ उपकरणों के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए फोटोलिथोग्राफी में सामान्यतः फोटोरेटिकल या केवल रेटिकल शब्द सर्वाधिक उपयुक्त होता है। फोटोमास्क की स्थिति में, मास्क पैटर्न और वेफर पैटर्न के बीच एक-से-एक सम्प्रेषण होता है। यह 1:1 मास्क संरेखकों के लिए एक मानक था जो कि स्टेपर और स्कैनर द्वारा अपचयन प्रकाशिकी के साथ सफल हुए था। स्टेपर और स्कैनर में उपयोग के अनुरूप, रेटिकल में सामान्यतः संरचित किए गए बहुत बड़े पैमाने पर एकीकरण परिपथ की केवल एक परत होती है। (हालांकि, कुछ फोटोलिथोग्राफी निर्माण में एक ही मास्क पर पैटर्न वाली एक से अधिक परत वाले रेटिकलों का उपयोग किया जाता है)।

पैटर्न को वेफर की सतह पर चार या पाँच बार परियोजित और संकुचित किया जाता है। पूर्ण वेफर आवरण प्राप्त करने के लिए वेफर को पूर्ण प्रदर्शन प्राप्त होने तक बार-बार प्रकाशिक स्तम्भ के तहत स्थिति से स्थिति में "स्टेप" किया जाता है।

150 नैनोमीटर या उससे कम आकार की आकृतियों में सामान्यतः छवि गुणवत्ता को स्वीकार्य मूल्यों तक बढ़ाने के लिए चरण-शिफ्ट मास्क की आवश्यकता होती है। इसे कई विधियों से प्राप्त किया जा सकता है। छोटी तीव्रता के शिखरों के अंतर को बढ़ाने या निक्षारित और अनिक्षारित क्षेत्रों के बीच के किनारे का उपयोग लगभग शून्य तीव्रता की छवि के लिए किये जा सकने हेतु अनावरित क्वार्ट्ज के निक्षारण के लिए मास्क पर एक क्षीण चरण-स्थानांतरण पृष्ठभूमि फिल्म का उपयोग करने की दो सबसे सामान्य विधियाँ हैं। दूसरी स्थिति में, अवांछित किनारों को दूसरे अनावरक के साथ तराशने की आवश्यकता होगी। क्षीण चरण-स्थानांतरण विधि, इसकी पहली विधि है, जिसे प्रायः कमजोर वर्धन माना जाता है, जिसमें सर्वाधिक वृद्धि के लिए विशेष प्रकाश की आवश्यकता होती है, जबकि बाद वाली विधि को वैकल्पिक-छिद्र चरण-स्थानांतरण के रूप में जाना जाता है, जो सबसे लोकप्रिय मजबूत वर्धन तकनीक है।

जैसे-जैसे अग्रिम-किनारे वाली अर्धचालक आकृतियाँ संकुचित होती हैं, वैसे-वैसे 4 गुना बड़ी फोटोमास्क आकृतियों को अनिवार्य रूप से संकुचित होना चाहिए। यह चुनौतियों का सामना कर सकता है क्योंकि अवशोषक फिल्म को पतला और इस कारण कम अपारदर्शी होने की आवश्यकता होती है। आईएमईसी द्वारा वर्ष 2005 के एक अध्ययन में पाया गया कि पतले अवशोषक छवि के अंतर को कम करते हैं, इसलिए ये अत्याधुनिक फोटोलिथोग्राफी उपकरण का उपयोग करके रेखाओं के किनारे की असमतलता में योगदान करते हैं। एक संभावना यह है कि अवशोषक को पूर्णतः समाप्त करके "रंगहीन" मास्क का उपयोग किया जाए, जो छविकरण के लिए पूरी तरह से चरण-स्थानांतरण पर निर्भर करता है।

आप्लावन लिथोग्राफी के उद्भव का फोटोमास्क की आवश्यकताओं पर एक मजबूत प्रभाव पड़ता है। पैटर्न वाली फिल्म के माध्यम से लंबे प्रकाशिक पथ के कारण सामान्यतः उपयोग किया जाने वाला क्षीणित चरण-स्थानांतरण मास्क "हाइपर-एनए" लिथोग्राफी में प्रयुक्त उच्च आपतन कोणों के प्रति अधिक संवेदनशील होता है।

फोटोमास्क, एक तरफ क्रोम प्लेटिंग के साथ क्वार्ट्ज अधःस्तर पर प्रकाश-रोधक लगाकर और मास्कहीन लिथोग्राफी नामक प्रक्रिया में लेजर या इलेक्ट्रॉन बीम का उपयोग करके इसे अनावरित करके बनाए जाते हैं। तब प्रकाश-रोधक को विकसित करके क्रोम के साथ असुरक्षित क्षेत्रों को उकेरा जाता है, और शेष प्रकाश-रोधकों को हटा दिया जाता है, जो स्टैंसिल के रूप में प्राप्त होते हैं।

चरम पराबैंगनी लिथोग्राफी (ईयूवी लिथोग्राफी)
चरम पराबैंगनी लिथोग्राफी में फोटोमास्क प्रकाश-अवरोधकों की तुलना में अधिक परिष्कृत होते हैं। ईयूवी मास्क परावर्तक सतहों और प्रकाश-अवरोधक तत्वों से मिलकर बने होते हैं, जो पराबैंगनी विकिरण के संपर्क में आने पर आवश्यक पैटर्न उत्पन्न करते हैं।

मास्क त्रुटि वृद्धि कारक (एमईईएफ)
अंतिम चिप पैटर्न की अग्रिम-किनारे वाले फोटोमास्क (पूर्व-संशोधित) की छवियों को चार गुना आवर्धित किया जाता है। यह आवर्धन कारक छवि की त्रुटियों के प्रति पैटर्न संवेदनशीलता को कम करने में महत्वपूर्ण रूप से लाभदायक रहा है। हालाँकि, सुविधाओं के संकुचन के साथ ही दो रुझान चलन में आते हैं: पहला यह है कि मास्क त्रुटि कारक एक से अधिक होने लगता है, अर्थात् वेफर पर आयाम त्रुटि, मास्क पर आयाम त्रुटि के 1/4 भाग से अधिक हो सकती है, और दूसरा यह है कि मास्क का आकार छोटा होता जा रहा है, और आयाम की सहनशीलता कुछ नैनोमीटर के करीब पहुंच रही है। उदाहरण के लिए, एक 25 नैनोमीटर के वेफर पैटर्न को 100 नैनोमीटर मास्क पैटर्न के अनुरूप होना चाहिए, लेकिन वेफर सहनशीलता 1.25 नैनोमीटर (5% कल्पना) हो सकती है, जो फोटोमास्क पर 5 नैनोमीटर में परिवर्तित हो जाती है। फोटोमास्क पैटर्न को सीधे चित्रित करने में इलेक्ट्रॉन बीम के बिखराव की भिन्नता सरलता से इससे अधिक हो सकती है।

पतली झिल्ली
शब्द "पेलिकल" का अर्थ "फिल्म", "पतली फिल्म", या "झिल्ली" है। 1960 के दशक के प्रारंभ में धात्विक ढाँचे पर फैली पतली फिल्म (पेलिकल) का उपयोग प्रकाशिक उपकरणों के लिए बीम विभाजक के रूप में किया जाता था। इसका उपयोग कई उपकरणों में इसकी छोटी फिल्म मोटाई के कारण प्रकाशिक पथ के बदलाव के बिना प्रकाश की किरण को विभाजित करने के लिए किया गया है। वर्ष 1978 में आईबीएम में शिया एट अल ने एक फोटोमास्क या रेटिकल की सुरक्षा के लिए धूल के आवरण के रूप में "पतली झिल्ली" का उपयोग करने के लिए एक प्रक्रिया का पेटेंट कराया। इस प्रविष्टि के संदर्भ में, "पेलिकल" का अर्थ है "एक फोटोमास्क की रक्षा के लिए पतली फिल्म वाला धूल आवरण"।

अर्धचालक निर्माण में कण संदूषण एक महत्वपूर्ण समस्या हो सकती है। फोटोमास्क एक पेलिकल द्वारा कणों से सुरक्षित होता है - जो एक ढाँचे पर फैली हुई पतली पारदर्शी फिल्म होती है जो फोटोमास्क के एक तरफ चिपकी होती है। पतली झिल्ली मास्क पैटर्न से काफी दूर होती है, ताकि झिल्ली पर उतरने वाले मध्यम से छोटे आकार के कण मुद्रित करने के लिए फोकस से बहुत दूर होंगे। यद्यपि इनकी संरचना कणों को दूर रखने के लिए की गई है, फिर भी ये झिल्लियाँ छवि प्रणाली का हिस्सा बन जाती हैं और इनके प्रकाशिक गुणों को ध्यान में रखे जाने की आवश्यकता होती है। नाइट्रोसेल्यूलोज, इन झिल्लियों की सामग्री है, जिसे विभिन्न संचरण तरंग दैर्ध्य के लिए निर्मित किया गया है।

प्रमुख व्यावसायिक फोटोमास्क निर्माता
एसपीआईई वार्षिक सम्मेलन, फोटोमास्क प्रौद्योगिकी सेमाटेक मास्क उद्योग का मूल्यांकन दर्ज करता है, जिसमें वर्तमान उद्योग विश्लेषण और उनके वार्षिक फोटोमास्क निर्माताओं के सर्वेक्षणों के परिणाम सम्मिलित होते हैं। निम्नलिखित कंपनियों को उनके वैश्विक बाजार हिस्सेदारी (2009 की जानकारी) के क्रम में सूचीबद्ध किया गया है:
 * डाई निप्पॉन प्रिंटिंग
 * टॉपपैन फोटोमास्क
 * फोटोनिक्स आईएनसी
 * होया कॉर्पोरेशन
 * ताइवान मास्क कॉर्पोरेशन
 * कॉम्प्यूग्राफिक्स

इंटेल, ग्लोबलफाउंड्रीज, आईबीएम, एनईसी निगम, टीएसएमसी, यूनाइटेड माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक कॉर्पोरेशन, सैमसंग और माइक्रोन प्रौद्योगिकी जैसे प्रमुख चिप निर्माताओं की स्वयं की बड़ी मास्क निर्माता सुविधाएँ हैं या उपर्युक्त कंपनियों के साथ संयुक्त उद्यम हैं।

वर्ष 2012 में विश्व भर में फोटोमास्क बाजार का अनुमान 3.2 बिलियन डॉलर और वर्ष 2013 में 3.1 बिलियन डॉलर था। जिसमें लगभग आधा बाजार प्रमुख चिप निर्माताओं की घरेलू मास्क की दुकानों से था।

वर्ष 2005 में 180 नैनोमीटर प्रक्रियाओं के लिए नई मास्क दुकान बनाने की अनुमानित लागत 40 मिलियन डॉलर और 130 नैनोमीटर के लिए 100 मिलियन डॉलर थी ।

वर्ष 2006 में, एक फोटोमास्क का क्रय मूल्य एकल हाई-एंड फेज-शिफ्ट मास्क के लिए $250 से $100,000 तक हो सकता था। एक पूर्ण मास्क सेट के निर्माण के लिए अलग-अलग कीमत के 30 मास्कों की आवश्यकता हो सकती है।

यह भी देखें

 * एकीकृत परिपथ विन्यास संरचना सुरक्षा (या मास्क कार्य)
 * मास्क निरीक्षण
 * एसएमआईएफ अंतर्पृष्ठ
 * नैनोचैनल काँच सामग्री
 * पुनरीक्षण स्तर

संदर्भ
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