Fotolitografia

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A fotolitografia , também chamada de litografia óptica ou litografia UV , é um processo usado na microfabricação para padronizar peças em um filme fino ou a maior parte de um substrato (também chamado de wafer ). Ele usa luz para transferir um padrão geométrico de uma fotomáscara (também chamada de máscara ótica ) para um fotorresiste químico fotossensível (isto é, sensível à luz) no substrato. Uma série de tratamentos químicos, em seguida, quer gravurao padrão de exposição no material ou permite a deposição de um novo material no padrão desejado sobre o material por baixo do fotorresiste. Em circuitos integrados complexos , um wafer CMOS pode passar pelo ciclo fotolitográfico até 50 vezes.

A fotolitografia compartilha alguns princípios fundamentais com a fotografia em que o padrão na gravação fotorresistente é criado expondo-o à luz , diretamente (sem usar uma máscara) ou com uma imagem projetada usando uma fotomáscara. Este procedimento é comparável a uma versão de alta precisão do método usado para fazer placas de circuito impresso . As etapas subsequentes do processo têm mais em comum com a gravação do que com a impressão litográfica . Este método pode criar padrões extremamente pequenos, até algumas dezenas de nanômetrosno tamanho. Ele fornece controle preciso da forma e do tamanho dos objetos que cria e pode criar padrões sobre uma superfície inteira de maneira econômica. Suas principais desvantagens são que ele requer um substrato plano para começar, não é muito eficaz na criação de formas que não sejam planas e pode exigir condições de operação extremamente limpas. A fotolitografia é o método padrão de placa de circuito impresso (PCB) e fabricação de microprocessador . A automontagem dirigida está sendo avaliada como uma alternativa à fotolitografia. [1]

História

As raízes das palavras foto , lito e grafia têm origens gregas, com os significados 'luz', 'pedra' e 'escrita', respectivamente. Como sugere o nome composto a partir delas, a fotolitografia é um método de impressão (originalmente baseado no uso de placas de impressão de calcário) em que a luz desempenha um papel essencial. Na década de 1820, Nicéphore Niepce inventou um processo fotográfico que utilizou o Betume da Judéia , um asfalto natural, como o primeiro fotorresiste. Uma fina camada de betume em uma folha de metal, vidro ou pedra tornou-se menos solúvel onde foi exposta à luz; as partes não expostas podiam então ser enxaguadas com um solvente adequado, desnudando o material por baixo, que era então quimicamente gravado em um banho de ácido para produzir uma chapa de impressão. A sensibilidade do betume à luz era muito fraca e eram necessárias exposições muito longas, mas, apesar da introdução posterior de alternativas mais sensíveis, seu baixo custo e excelente resistência a ácidos fortes prolongaram sua vida comercial no início do século XX. Em 1940, Oskar Süß criou um fotorresiste positivo usando diazonaftoquinona , que funcionou da maneira oposta: o revestimento era inicialmente insolúvel e se tornava solúvel quando exposto à luz. [2]Em 1954, Louis Plambeck Jr. desenvolveu a placa de impressão tipográfica Dycryl polimérica, que tornou o processo de fabricação de placas mais rápido. [3]

Em 1952, os militares dos EUA designaram Jay W. Lathrop e James R. Nall no National Bureau of Standards (mais tarde, o Laboratório de Artilharia de Diamante do Exército dos EUA , que acabou se fundindo para formar o atual Laboratório de Pesquisa do Exército ) com a tarefa de encontrar uma forma de reduzir o tamanho dos circuitos eletrônicos para melhor encaixar os circuitos necessários no espaço limitado disponível dentro de um fusível de proximidade . [4] Inspirado pela aplicação de fotoresiste, um líquido fotossensível usado para marcar os limites de orifícios de rebites em asas de aeronaves de metal, Nall determinou que um processo semelhante pode ser usado para proteger o germânio nos transistores e até mesmo padronizar a superfície com luz. [5]Durante o desenvolvimento, Lathrop e Nall tiveram sucesso na criação de um circuito integrado híbrido 2D miniaturizado com transistores usando esta técnica. [4] Em 1958, durante a conferência IRE Professional Group on Electron Devices (PGED) em Washington, DC, eles apresentaram o primeiro artigo para descrever a fabricação de transistores usando técnicas fotográficas e adotaram o termo "fotolitografia" para descrever o processo, marcando o primeiro uso publicado do termo para descrever a padronização de dispositivos semicondutores. [5] [6]

Apesar do fato de que a fotolitografia de componentes eletrônicos diz respeito à gravação de duplicatas de metal, ao invés de gravura de pedra para produzir um "mestre" como na impressão litográfica convencional, Lathrop e Nall escolheram o termo "fotolitografia" em vez de "fotoetching" porque a primeira parecia "alta tecnologia". " [4] Um ano após a conferência, a patente de Lathrop e Nall sobre fotolitografia foi formalmente aprovada em 9 de junho de 1959. [7] A fotolitografia mais tarde contribuiu para o desenvolvimento dos primeiros CIs semicondutores, bem como dos primeiros microchips. [4]

Procedimento básico

Ilustração simplificada de gravação a seco usando fotoresiste positivo durante um processo de fotolitografia na microfabricação de semicondutores (fora da escala).

Uma única iteração da fotolitografia combina várias etapas em sequência. Cleanrooms modernos usam, automatizados robóticos sistemas de pista de wafer para coordenar o processo. O procedimento descrito aqui omite alguns tratamentos avançados, como agentes de desbaste ou remoção do cordão da borda. [8] O processo de fotolitografia é realizado pelo wafer track e stepper / scanner, e o sistema wafer track e o stepper / scanner são instalados lado a lado. Os sistemas de faixa de wafer foram substituídos por sistemas de revestimento / revelação, que desempenham as mesmas funções.

Limpeza

Se contaminações orgânicas ou inorgânicas estiverem presentes na superfície do wafer, elas geralmente são removidas por tratamento químico úmido, por exemplo, o procedimento de limpeza RCA baseado em soluções contendo peróxido de hidrogênio . Outras soluções feitas com tricloroetileno, acetona ou metanol também podem ser usadas para limpar. [9]

Preparação

O wafer é inicialmente aquecido a uma temperatura suficiente para afastar qualquer umidade que possa estar presente na superfície do wafer; 150 ° C por dez minutos é suficiente. As bolachas que foram armazenadas devem ser limpas quimicamente para remover a contaminação . Um "promotor de adesão" líquido ou gasoso , como Bis (trimetilsilil) amina ("hexametildisilazano", HMDS), é aplicado para promover a adesão do fotorresiste ao wafer. A camada superficial de dióxido de silício no wafer reage com HMDS para formar dióxido de silício tri-metilado, uma camada altamente repelente de água não muito diferente da camada de cera na pintura de um carro. Esta camada repelente de água evita que o revelador aquoso penetre entre a camada fotorresistente e a superfície do wafer, evitando assim o chamado levantamento de pequenas estruturas fotoresistentes no padrão (revelador). Para garantir a revelação da imagem, é melhor tapá-la e colocá-la sobre uma placa quente e deixar secar enquanto estabiliza a temperatura a 120 ° C. [10]

Aplicação Photoresist

O wafer é coberto com fotorresiste por spin coating . Assim, a camada superior do resist é rapidamente ejetada da borda do wafer, enquanto a camada inferior ainda se arrasta radialmente ao longo do wafer. Desta forma, qualquer 'protuberância' ou 'crista' de resistência é removida, deixando uma camada muito plana. No entanto, filmes viscosos podem resultar em grandes grânulos de borda cuja planarização tem limites físicos. [11] A espessura final também é determinada pela evaporação de solventes líquidos da máscara. Para recursos muito pequenos e densos (<125 ou mais nm), espessuras resistentes mais baixas (<0,5 mícrons) são necessárias para superar os efeitos de colapso em razões de aspecto altas; as relações de aspecto típicas são <4: 1.

O wafer revestido com fotorresiste é então pré-cozido para remover o excesso de solvente de fotoresiste, normalmente de 90 a 100 ° C por 30 a 60 segundos em uma placa de aquecimento. Um revestimento BARC (revestimento antirreflexo inferior) pode ser aplicado antes da aplicação do fotorresiste, para evitar que ocorram reflexos sob o fotorresiste e para melhorar o desempenho do fotoresiste em nós semicondutores menores. [12] [13] [14]

Exposição e desenvolvimento

Após a pré-gravação, o fotorresiste é exposto a um padrão de luz intensa. A exposição à luz causa uma mudança química que permite que parte do fotorresiste seja removido por uma solução especial, chamada de "revelador" por analogia com o revelador fotográfico . Fotoresiste positivo, o tipo mais comum, torna-se solúvel no revelador quando exposto; com fotoresiste negativo, as regiões não expostas são solúveis no revelador.

Um cozimento pós-exposição (PEB) é realizado antes do desenvolvimento, normalmente para ajudar a reduzir os fenômenos da onda estacionária causados ​​pelos padrões de interferência destrutivos e construtivos da luz incidente. Na litografia ultravioleta profunda , a química do resist amplificado quimicamente (CAR) é usada. Este processo é muito mais sensível ao tempo, temperatura e retardo do PEB, pois a maior parte da reação de "exposição" (criando ácido, tornando o polímero solúvel no revelador básico) realmente ocorre no PEB. [15]

A química de revelação é fornecida em um spinner, bem como fotorresiste. Os desenvolvedores geralmente continham hidróxido de sódio (NaOH). No entanto, o sódio é considerado um contaminante extremamente indesejável na fabricação de MOSFET porque degrada as propriedades isolantes dos óxidos de porta (especificamente, os íons de sódio podem migrar para dentro e para fora da porta, alterando a tensão de limiar do transistor e tornando mais difícil ou mais fácil girar o transistor ligado ao longo do tempo). Desenvolvedores livres de íons metálicos, como hidróxido de tetrametilamônio (TMAH), são usados ​​agora.

A pastilha resultante é então "endurecida" se uma máscara resistente não amplificada quimicamente foi usada, tipicamente de 120 a 180 ° C [16] por 20 a 30 minutos. O hard bake solidifica o fotorresiste restante, para formar uma camada protetora mais durável na futura implantação de íons , corrosão química úmida ou corrosão de plasma .

Desde a preparação até esta etapa, o procedimento de fotolitografia tem sido realizado por duas máquinas: o stepper ou scanner de fotolitografia e o coater / revelador. As duas máquinas geralmente são instaladas lado a lado.

Gravura

Na corrosão, um agente químico líquido ("úmido") ou de plasma ("seco") remove a camada superior do substrato nas áreas que não são protegidas por fotorresiste. Na fabricação de semicondutores , geralmente são utilizadas técnicas de corrosão a seco, pois podem ser anisotrópicas , a fim de evitar cortes significativos no padrão fotoresiste. Isso é essencial quando a largura dos recursos a serem definidos é semelhante ou menor do que a espessura do material que está sendo gravado (ou seja, quando a relação de aspecto se aproxima da unidade). Os processos de corrosão úmida são geralmente de natureza isotrópica, o que muitas vezes é indispensável para sistemas microeletromecânicos , onde as estruturas suspensas devem ser "liberadas" da camada subjacente.

O desenvolvimento do processo de corrosão seca anisotrópica de baixa defetividade permitiu que as características cada vez menores definidas fotolitograficamente na resistência fossem transferidas para o material do substrato.

Remoção Photoresist

Depois que um fotorresiste não for mais necessário, ele deve ser removido do substrato. Isso geralmente requer um "removedor de resistência" líquido, que altera quimicamente a resistência para que não adira mais ao substrato. Alternativamente, o fotorresiste pode ser removido por um plasma contendo oxigênio , que o oxida. Este processo é denominado incineração e assemelha-se ao ataque químico a seco. O uso de solvente 1-Metil-2-pirrolidona (NMP) para fotorresiste é outro método usado para remover uma imagem. Quando a máscara for dissolvida, o solvente pode ser removido por aquecimento a 80 ° C sem deixar qualquer resíduo. [17]

Sistemas de exposição ( "impressão")

A porção da faixa de wafer de um alinhador que usa luz ultravioleta de 365 nm

Os sistemas de exposição normalmente produzem uma imagem no wafer usando uma máscara fotográfica . A fotomáscara bloqueia a luz em algumas áreas e a deixa passar em outras. ( A litografia sem máscara projeta um feixe preciso diretamente no wafer sem o uso de máscara, mas não é amplamente utilizado em processos comerciais.) Os sistemas de exposição podem ser classificados pela ótica que transfere a imagem da máscara para o wafer.

A fotolitografia produz melhores estruturas de transistor de filme fino do que a eletrônica impressa , devido às camadas impressas mais suaves, padrões menos ondulados e registro mais preciso do eletrodo dreno-fonte. [18]

Contacto e proximidade

Uma impressora de contato, o sistema de exposição mais simples, coloca uma fotomáscara em contato direto com o wafer e a expõe a uma luz uniforme. Uma impressora de proximidade coloca um pequeno espaço entre a fotomáscara e o wafer. Em ambos os casos, a máscara cobre todo o wafer e, simultaneamente, padroniza cada matriz.

A impressão por contato pode danificar a máscara e o wafer, e esse foi o principal motivo pelo qual foi abandonada para produção de alto volume. Tanto a litografia de contato quanto a de proximidade exigem que a intensidade da luz seja uniforme em todo o wafer e que a máscara se alinhe precisamente aos recursos já existentes no wafer. Como os processos modernos usam wafers cada vez maiores, essas condições se tornam cada vez mais difíceis.

Os processos de pesquisa e prototipagem geralmente usam litografia de contato ou de proximidade, porque usa hardware barato e pode atingir alta resolução óptica. A resolução em litografia de proximidade é aproximadamente a raiz quadrada do produto do comprimento de onda e a distância do intervalo. Portanto, exceto para litografia de projeção (veja abaixo), a impressão por contato oferece a melhor resolução, porque sua distância de lacuna é aproximadamente zero (desprezando a espessura do fotorresiste em si). Além disso, a litografia de nanoimpressão pode reavivar o interesse por essa técnica familiar, especialmente porque se espera que o custo de propriedade seja baixo; no entanto, as deficiências da impressão por contato discutidas acima permanecem como desafios.

Projeção

A litografia de integração em grande escala (VLSI) usa sistemas de projeção. Ao contrário das máscaras de contato ou proximidade, que cobrem um wafer inteiro, as máscaras de projeção (conhecidas como "retículas") mostram apenas uma matriz ou uma matriz de matrizes (conhecida como "campo"). Os sistemas de projeção de exposição (steppers ou scanners) projetam a máscara no wafer muitas vezes para criar o padrão completo. A diferença entre steppers e scanners é que, durante a exposição, um scanner move a fotomáscara e o wafer simultaneamente, enquanto um stepper move apenas o wafer. Os alinhadores de máscara precedem os steppers e não movem a fotomáscara nem o wafer durante a exposição. Scanners de litografia de imersão usam uma camada de água ultrapura entre a lente e o wafer para aumentar a resolução.Uma alternativa à fotolitografia élitografia de nanoimpressão .

Máscaras

A imagem da máscara se origina de um arquivo de dados computadorizado. Este arquivo de dados é convertido em uma série de polígonos e escrito em um quadrado de substrato de quartzo fundido coberto com uma camada de cromo usando um processo fotolitográfico. Um feixe de laser (gravador de laser) ou um feixe de elétrons (gravador de feixe eletrônico) é usado para expor o padrão definido pelo arquivo de dados e viaja sobre a superfície do substrato em uma varredura vetorial ou de varredura. Onde o fotorresiste na máscara é exposto, o cromo pode ser removido, deixando um caminho livre para a luz de iluminação no sistema de passo / scanner passar.

Resolução em sistemas de projecção

A iluminação fluorescente filtrada , LED amarelo ou iluminação de sódio de baixa pressão em salas limpas de fotolitografia não contém luz ultravioleta ou azul para evitar a exposição de fotoresiste. O espectro de luz emitido por tais luminárias dá a virtualmente todos esses espaços uma cor amarela brilhante.
Espectro de ordem de difração com coerência parcial. O espectro de ordem de difração (até a 3ª ordem) de um padrão de espaço de linha (pitch <3 comprimento de onda / NA) é mostrado com cores diferentes indicando ângulos de iluminação diferentes em uma configuração de coerência parcial.

A capacidade de projetar uma imagem nítida de um pequeno recurso no wafer é limitada pelo comprimento de onda da luz que é usada e a capacidade do sistema de lentes de redução de capturar ordens de difração suficientes da máscara iluminada. As ferramentas atuais de fotolitografia de última geração usam luz ultravioleta profunda (DUV) de lasers de excímero com comprimentos de onda de 248 e 193 nm (a tecnologia de litografia dominante hoje é, portanto, também chamada de "litografia a laser excimer"), que permite tamanhos mínimos de recursos para baixo a 50 nm. A litografia a laser excimer desempenhou um papel crítico no avanço contínuo da Lei de Moore nos últimos 20 anos (veja abaixo [19] ).

O tamanho mínimo de recurso que um sistema de projeção pode imprimir é dado aproximadamente por:

Onde

é o tamanho mínimo do recurso (também chamado de dimensão crítica , regra de design de destino ). Também é comum escrever 2 vezes o meio-tom .

(comumente chamado de fator k1 ) é um coeficiente que encapsula fatores relacionados ao processo e normalmente é igual a 0,4 para a produção. O tamanho mínimo do recurso pode ser reduzido diminuindo esse coeficiente por meio de litografia computacional .

é o comprimento de onda da luz usada

é a abertura numérica da lente vista a partir do wafer

Impacto da direção da iluminação. A iluminação no eixo fornece maior contraste, mas apenas a iluminação fora do eixo resolve a menor afinação.
O critério de Rayleigh define a separação mínima para preservar a distância entre dois pontos na imagem projetada.

De acordo com esta equação, os tamanhos mínimos de recursos podem ser diminuídos diminuindo o comprimento de onda e aumentando a abertura numérica (para obter um feixe focalizado mais estreito e um tamanho de ponto menor). No entanto, esse método de design é executado em uma restrição competitiva. Em sistemas modernos, a profundidade do foco também é uma preocupação:

Aqui, é outro coeficiente relacionado ao processo. A profundidade do foco restringe a espessura do fotorresiste e a profundidade da topografia do wafer. O polimento químico-mecânico é freqüentemente usado para nivelar a topografia antes das etapas litográficas de alta resolução.

Da ótica clássica, k1 = 0,61 pelo critério de Rayleigh . [20] A imagem de dois pontos separados por menos de 1,22 comprimento de onda / NA não manterá essa separação, mas será maior devido à interferência entre os discos de Airy dos dois pontos. Também deve ser lembrado, porém, que a distância entre dois recursos também pode mudar com a desfocagem. [21]

A iluminação pode impactar significativamente o tom aparente da imagem do mesmo objeto (um par de linhas brilhantes neste caso).
As arestas retas de recursos encurtados são distorcidas em arestas curvas à medida que o passo é reduzido em ambas as direções.
Largura do intervalo vs. meio-passo. Quanto mais estreito for o pitch da linha, maior será o intervalo entre as extremidades das linhas (perpendicular ao pitch).

A resolução também não é trivial em um contexto bidimensional. Por exemplo, um passo de linha mais estreito resulta em intervalos mais largos (na direção perpendicular) entre as extremidades das linhas. [22] [23] Mais fundamentalmente, as bordas retas tornam-se arredondadas para recursos retangulares encurtados, onde as distâncias xey estão perto do limite de resolução. [24] [25]

Para nós avançados, desfoque, em vez de comprimento de onda, torna-se o principal fator de limitação de resolução. O pitch mínimo é dado por blur sigma / 0,14. [26] O desfoque é afetado pela dose [27] [28] [29] , bem como pelo rendimento quântico, [30] levando a uma compensação com defeitos estocásticos, no caso de EUV. [31] [32] [33]

Os efeitos estocásticos

Os recursos capturados por DUV (à esquerda) têm muito menos variabilidade de posição de borda do que aqueles capturados por EUV (à direita).

Como a luz consiste em fótons , em doses baixas a qualidade da imagem depende, em última análise, do número de fótons. Isso afeta o uso de litografia ultravioleta extrema ou EUVL, que se limita ao uso de baixas doses da ordem de 20 fótons / nm 2 . [34] Isso é devido a menos fótons para a mesma dose de energia para um comprimento de onda mais curto (energia mais alta por fóton). Com menos fótons compondo a imagem, há ruído no posicionamento da borda. [35]

Os fótons são divididos entre vários pontos de origem. Os fótons que constituem a dose de exposição são divididos igualmente entre os pontos de origem (dois são mostrados aqui) que estão posicionados dentro da pupila.

Os efeitos estocásticos se tornariam mais complicados com padrões de pitch maiores com mais ordens de difração e usando mais pontos de fonte de iluminação. [36] [37]

Fontes de luz

Um dos caminhos evolutivos da litografia tem sido o uso de comprimentos de onda mais curtos. É importante notar que a mesma fonte de luz pode ser usada por várias gerações de tecnologia.

Historicamente, a fotolitografia usou luz ultravioleta de lâmpadas de descarga de gás usando mercúrio , às vezes em combinação com gases nobres como o xenônio . Essas lâmpadas produzem luz em um amplo espectro com vários picos fortes na faixa ultravioleta. Este espectro é filtrado para selecionar uma única linha espectral. Desde o início da década de 1960 até meados da década de 1980, as lâmpadas de Hg foram usadas em litografia para suas linhas espectrais em 436 nm ("linha g"), 405 nm ("linha h") e 365 nm ("linha i" ) No entanto, com a necessidade da indústria de semicondutores de maior resolução (para produzir chips mais densos e mais rápidos) e maior rendimento (para custos mais baixos), as ferramentas de litografia baseadas em lâmpada não eram mais capazes de atender aos requisitos de ponta da indústria.

Esse desafio foi superado quando, em um desenvolvimento pioneiro em 1982, a litografia a laser excimer foi proposta e demonstrada na IBM por Kanti Jain, [38] [39] [40] [41] e agora as máquinas de litografia a laser excimer (steppers e scanners) são os ferramentas primárias usadas em todo o mundo na produção de microeletrônica. Com os rápidos avanços feitos na tecnologia de ferramentas nas últimas duas décadas, é a visão da indústria de semicondutores [19] que a litografia a laser excimer tem sido um fator crucial no avanço contínuo da Lei de Moore, permitindo que tamanhos mínimos de recursos na fabricação de chips diminuam de 800 nanômetros em 1990 a 7 nanômetros em 2018. [42] [43]De uma perspectiva científica e tecnológica ainda mais ampla, nos 50 anos de história do laser, desde sua primeira demonstração em 1960, a invenção e o desenvolvimento da litografia a laser excimer foi reconhecida como um marco importante. [44] [45] [46]

Os lasers de excímero ultravioleta profundo comumente usados em sistemas de litografia são o laser de fluoreto de criptônio (KrF) no comprimento de onda de 248 nm e o laser de fluoreto de argônio (ArF) no comprimento de onda de 193 nm. Os principais fabricantes de fontes de luz laser excimer na década de 1980 foram Lambda Physik (agora parte da Coherent, Inc.) e Lumonics. Desde meados da década de 1990, a Cymer Inc. se tornou o fornecedor dominante de fontes de laser excimer para os fabricantes de equipamentos de litografia, com a Gigaphoton Inc.como seu rival mais próximo. Geralmente, um excimer laser é projetado para operar com uma mistura de gás específica; portanto, mudar o comprimento de onda não é uma questão trivial, já que o método de geração do novo comprimento de onda é completamente diferente e as características de absorção dos materiais mudam. Por exemplo, o ar começa a absorver significativamente em torno do comprimento de onda de 193 nm; mover para comprimentos de onda abaixo de 193 nm exigiria a instalação de bomba de vácuo e equipamento de purga nas ferramentas de litografia (um desafio significativo). Às vezes, uma atmosfera de gás inerte pode ser usada como substituto do vácuo, para evitar a necessidade de encanamentos rígidos. Além disso, materiais isolantes como o dióxido de silício , quando expostos a fótons com energia maior do que o gap, liberam elétrons livres e lacunas que, subsequentemente, causam carga adversa.

A litografia óptica foi ampliada para apresentar tamanhos abaixo de 50 nm usando o excimer laser ArF de 193 nm e técnicas de imersão em líquido. Também chamada de litografia de imersão , permite o uso de óptica com aberturas numéricas superiores a 1,0. O líquido usado é normalmente água desionizada ultra-pura, que fornece um índice de refração acima do espaço de ar normal entre a lente e a superfície do wafer. A água é continuamente circulada para eliminar distorções induzidas termicamente. A água só permitirá NA 's de até ~ 1,4, mas os fluidos com índices de refração mais altos permitiriam que o NA efetivo fosse aumentado ainda mais.

A alteração do comprimento de onda da litografia é significativamente limitada pela absorção. O ar é absorvido abaixo de c.  185 nm .

Ferramentas experimentais usando o comprimento de onda de 157 nm do excimer laser F2 de uma maneira semelhante aos sistemas de exposição atuais foram construídas. Eles já foram direcionados para suceder a litografia de 193 nm no nó de tamanho de feição de 65 nm, mas agora foram eliminados com a introdução da litografia de imersão. Isso foi devido a problemas técnicos persistentes com a tecnologia de 157 nm e considerações econômicas que forneceram fortes incentivos para o uso contínuo da tecnologia de litografia a laser excimer de 193 nm. A litografia de imersão de alto índice é a mais nova extensão da litografia de 193 nm a ser considerada. Em 2006, recursos com menos de 30 nm foram demonstrados pela IBM usando essa técnica. [47]

Lasers de excímero de UV foram demonstrados em cerca de 126 nm (para Ar 2*). As lâmpadas de arco de mercúrio são projetadas para manter uma corrente contínua constante de 50 a 150 Volts, no entanto, os lasers de excimer têm uma resolução mais alta. Excimer lasers são sistemas de luz baseados em gás que geralmente são preenchidos com gases inertes e halogenados (Kr, Ar, Xe, F e Cl) que são carregados por um campo elétrico. Quanto mais alta for a frequência, maior será a resolução da imagem. Os lasers KrF são capazes de funcionar a uma frequência de 4 kHz. Além de funcionar em uma frequência mais alta, os lasers de excimer são compatíveis com máquinas mais avançadas do que as lâmpadas de arco de mercúrio. Eles também são capazes de operar a distâncias maiores (até 25 metros) e são capazes de manter sua precisão com uma série de espelhos e lentes com revestimento anti-reflexo. Ao configurar vários lasers e espelhos, a quantidade de perda de energia é minimizada,Além disso, como as lentes são revestidas com material anti-reflexo, a intensidade da luz permanece relativamente a mesma desde quando saiu do laser até quando atinge o wafer.[48]

Os lasers têm sido usados ​​para gerar indiretamente luz ultravioleta não coerente (EUV) a 13,5 nm para litografia ultravioleta extrema . A luz EUV não é emitida pelo laser, mas sim por um plasma de estanho ou xenônio que é excitado por um excimer ou laser de CO2. [49] A fabricação de tamanhos de recursos de 10 nm foi demonstrada em ambientes de produção, mas ainda não nas taxas necessárias para comercialização. No entanto, isso é esperado para 2016. [50]Esta técnica não requer um síncrotron, e as fontes EUV, como observado, não produzem luz coerente. No entanto, os sistemas de vácuo e uma série de novas tecnologias (incluindo energias EUV muito mais altas do que as produzidas agora) são necessários para trabalhar com UV no limite do espectro de raios-X (que começa em 10 nm). A partir de 2020, EUV está em produção em massa para uso em fundições de ponta, como TSMC e Samsung.

Teoricamente, uma fonte de luz alternativa para fotolitografia, especialmente se e quando os comprimentos de onda continuam a diminuir para ultravioleta ou raio-X extremos, é o laser de elétrons livres (ou pode-se dizer xaser para um dispositivo de raio-X). Os lasers de elétrons livres podem produzir feixes de alta qualidade em comprimentos de onda arbitrários.

Lasers de femtossegundo visível e infravermelho também foram aplicados para litografia. Nesse caso, as reações fotoquímicas são iniciadas por absorção multifotônica. O uso dessas fontes de luz tem muitos benefícios, incluindo a possibilidade de fabricar objetos 3D verdadeiros e processar materiais semelhantes ao vidro não fotossensibilizado (puro) com excelente resiliência óptica. [51]

Métodos experimentais

A fotolitografia vem derrotando as previsões de sua morte há muitos anos. Por exemplo, no início da década de 1980, muitos na indústria de semicondutores passaram a acreditar que recursos menores que 1 mícron não podiam ser impressos opticamente. As técnicas modernas que usam a litografia a laser excimer já imprimem recursos com dimensões uma fração do comprimento de onda da luz usada - um feito óptico incrível. Novas técnicas, como litografia por imersão , resistência de dois tons e padronização múltipla, continuam a melhorar a resolução da litografia de 193 nm. Enquanto isso, a pesquisa atual está explorando alternativas ao UV convencional, como litografia por feixe de elétrons , litografia de raios-X , litografia ultravioleta extrema elitografia de projeção de íons . A litografia ultravioleta extrema está em uso de produção em massa em 2020 pela Samsung.

Veja também

Referências

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