Die Fotomaske: das „Negativ“ des Teilscheibenmusters

Jeder Strich auf einer Teilscheibe wird von einer Fotomaske kopiert. Wie die Maske entsteht, wie ihre Genauigkeit und Defekte auf jede Scheibe übertragen werden, warum man in Master und Arbeitsmaske trennt und wie man die Maskenlebensdauer verlängert – das erklärt dieser Artikel der Reihe nach.

Geht eine Teilscheibentype in Serie, können Tausende Stücke entstehen – ihre Striche kommen aber alle aus derselben Quelle: der Fotomaske. Die Maske ist wie ein fotografisches Negativ: Was auf dem Negativ steht, erscheint auf jedem Abzug, Gutes wie Schlechtes.

Was eine Fotomaske ist

Eine Fotomaske ist eine ebene Glasplatte mit einem Chrommuster auf der Oberfläche – strukturell der Glas-Teilscheibe selbst sehr ähnlich. Bei 1:1-Kopien wie Teilscheiben ist das Muster auf der Maske so groß wie auf der Scheibe; oft liegen mehrere Teilscheibenmuster auf einer Platte, sodass eine Belichtung mehrere Stücke ergibt.

Übliche Substrate sind Kalk-Natron-Glas und Quarzglas. Der lineare Ausdehnungskoeffizient von Quarzglas liegt bei etwa 0,5 × 10⁻⁶/K, der von Kalk-Natron-Glas bei etwa 9 × 10⁻⁶/K. Bei einer Temperaturänderung von 1 K ändert sich bei Radius 20 mm die Abmessung einer Kalk-Natron-Maske um etwa 0,18 μm, Quarzglas nur um etwa 0,01 μm. Eine gleichmäßige proportionale Ausdehnung ändert die Winkelposition der Striche nicht, und die Teilungsperiode bei festem Radius bleibt gleich – der Spuradius folgt aber der Ausdehnung; auf die Teilscheibe gedruckt bedeutet das, dass die Spur vom Auslegeradius abweicht. Ist die Maskentemperatur ungleichmäßig, dehnen sich die Stellen unterschiedlich und erzeugen direkt Winkelabweichungen. Deshalb verwendet man bei hohen Genauigkeitsanforderungen oft Quarzglas-Masken und führt die Temperatur bei der Belichtung.

Wie eine Fotomaske entsteht

Die erste Maske hat kein „Negativ“ zum Kopieren; sie kann nur direkt aus den Designdaten „gezeichnet“ werden. Üblich ist Laser- oder Elektronenstrahl-Direktschreiben: Das Gerät scannt punkt- und zeilenweise nach den Daten, belichtet eine lackbeschichtete Chromplatte, und nach Entwickeln, Ätzen und Strippen entsteht das Chrommuster. Für kreisförmige Muster gibt es auch Verfahren, bei denen das Substrat auf einem Präzisionsdrehtisch rotiert und die Striche in Polarkoordinaten geschrieben werden; die Winkelgenauigkeit der Striche hängt dann vom Drehtisch und dem Winkelmesssystem ab.

Eine fertige Maske wird Punkt für Punkt geprüft: Strichbreite, Strichlage, Konzentrizität von Muster und Zentrierring sowie Defekte. Überschüssige Chrompunkte und fehlendes Chrom lassen sich auf Spezialanlagen reparieren und danach erneut prüfen.

Wie Maskenfehler auf die Teilscheibe übertragen werden

Fotolithografie ist „Kopieren“: Probleme der Maske erscheinen unverändert auf jeder Teilscheibe (siehe Abb. 2):

• Strichlagenfehler → Teilungsfehler der Scheibe, auf jedem Stück gleich.
• Strichbreitenabweichung → Abweichung des Tastverhältnisses.
• Muster und Zentrierring nicht konzentrisch → die Scheibe bleibt nach Montage am Zentrierring exzentrisch.
• Defekte und Partikel → derselbe Defekt an derselben Stelle auf jedem Stück – siehe Abb. 1.

Das ist Vorteil und Anforderung zugleich. Vorteil ist die Konsistenz: Scheiben derselben Maske teilen fast dasselbe Fehlerbild. Anforderung ist, dass die Maske selbst deutlich genauer sein muss als die Scheibenspezifikation, weil spätere Belichtung und Ätzen nur Fehler addieren – sie verbessern sie nie.

Master, Arbeitsmaske und Maskenlebensdauer

Bei Kontaktbelichtung liegt die Maske jedes Mal am Lack an, nimmt Lack und Partikel auf und kann sogar verkratzt werden. Nutzt man die direkt geschriebene Maske in der Serie und beschädigt sie, muss die ganze Musterung neu gemacht werden.

Üblich ist eine Zweistufung: die direkt geschriebene Platte ist der Master, nach bestandener Prüfung sorgfältig gelagert und nur zum Kopieren genutzt; daraus werden mehrere Arbeitsmasken für die Tagesproduktion kopiert und bei Verschleiß vom Master ersetzt.

Die Maskenpflege lässt sich als Checkliste fassen:

1. Nach vorgeschriebener Stückzahl oder Intervall reinigen, Lackreste und Partikel entfernen;
2. Regelmäßig unter Leuchttisch oder Mikroskop auf Defekte und Kratzer prüfen;
3. In speziellen Reinraumboxen lagern; Stapeln und Berühren mit bloßer Hand vermeiden;
4. Überschreiten neue Defekte die Zulässigkeit, Arbeitsmaske stilllegen und ersetzen.

Die Lebensdauer einer Maske zählt nicht nach Kalenderzeit, sondern vor allem nach Nutzungszahl und Prüfergebnis.

Kurzfassung

Die Fotomaske ist die Quelle des Teilscheibenmusters: ihre Genauigkeit setzt die Obergrenze der Scheibengenauigkeit, ihre Defekte wiederholen sich auf jedem Stück. Substrate mit geringer Ausdehnung, strenge Musterprüfung, Master-/Arbeitsmasken-Hierarchie sowie regelmäßige Reinigung und Prüfung sind die Basis für Charge um Charge konsistenter Scheiben.

Übersetzung des chinesischen Originalartikels (0026). ENC7 – Hersteller von Encoderscheiben (Anfrage) · Fachartikel · https://enc7.com

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