Fotolitografia

Na fabricação de circuitos integrados, fotolitografia ou litografia óptica é um termo geral usado para técnicas que usam luz para produzir filmes finos minuciosamente padronizados de materiais adequados sobre um substrato, como como um wafer de silício, para proteger áreas selecionadas dele durante operações subsequentes de corrosão, deposição ou implantação. Normalmente, a luz ultravioleta é usada para transferir um desenho geométrico de uma máscara óptica para um produto químico sensível à luz (fotoresistente) revestido no substrato. O fotorresiste quebra ou endurece onde é exposto à luz. O filme padronizado é então criado removendo as partes mais macias do revestimento com solventes apropriados.

Os fotorresistentes convencionais geralmente consistem em três componentes: resina, sensibilizador e solvente.

Os processos de fotolitografia podem ser classificados de acordo com o tipo de luz utilizada, como ultravioleta, ultravioleta profundo, ultravioleta extremo ou raio-X. O comprimento de onda da luz usada determina o tamanho mínimo do recurso que pode ser formado no fotorresiste.

A fotolitografia é uma subclasse da microlitografia, o termo geral para processos que geram filmes finos padronizados. Outras tecnologias nesta classe mais ampla incluem o uso de feixes de elétrons orientáveis ou, mais raramente, nanoimpressão, interferência, campos magnéticos ou sondas de varredura. Em um nível mais amplo, pode competir com a automontagem direcionada de micro e nanoestruturas.

A fotolitografia compartilha alguns princípios fundamentais com a fotografia, pois o padrão no fotorresiste é criado pela exposição à luz — diretamente por projeção através de uma lente ou iluminando uma máscara colocada diretamente sobre o substrato, como na impressão por contato. A técnica também pode ser vista como uma versão de alta precisão do método usado para fazer placas de circuito impresso. O nome originou-se de uma analogia vaga com o método fotográfico tradicional de produção de chapas para impressão litográfica em papel; no entanto, as etapas subsequentes do processo têm mais em comum com a gravura do que com a litografia tradicional.

A fotolitografia é o método mais comum para a fabricação de semicondutores de circuitos integrados ("ICs" ou "chips"), como memórias de estado sólido e microprocessadores. Ele pode criar padrões extremamente pequenos, com tamanho de até algumas dezenas de nanômetros. Ele fornece controle preciso da forma e do tamanho dos objetos que cria e pode criar padrões em um wafer inteiro em uma única etapa, rapidamente e com custo relativamente baixo. Em circuitos integrados complexos, um wafer pode passar pelo ciclo fotolitográfico até 50 vezes. É também uma técnica importante para a fabricação de estruturas microscópicas em geral, como sistemas microeletromecânicos. No entanto, a fotolitografia não pode ser usada para produzir máscaras em superfícies que não sejam perfeitamente planas; e, como todos os processos de fabricação de cavacos, requer condições operacionais extremamente limpas.

História

As palavras raiz foto, litho e grafia têm todas origens gregas, com os significados de 'luz', 'pedra' e 'escrita' respectivamente. Como sugere o nome composto a partir deles, a fotolitografia é um método de impressão (originalmente baseado no uso de chapas de impressão de calcário) no qual a luz desempenha um papel essencial. Na década de 1820, Nicephore Niepce inventou um processo fotográfico que usava o betume da Judéia, um asfalto natural, como o primeiro fotorresistente. Uma fina camada de betume sobre uma folha de metal, vidro ou pedra tornou-se menos solúvel quando exposta à luz; as partes não expostas poderiam então ser enxaguadas com um solvente adequado, descobrindo o material por baixo, que foi então quimicamente gravado em um banho de ácido para produzir uma placa de impressão. A sensibilidade à luz do betume era muito pobre 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 até o início do século XX. Em 1940, Oskar Süß criou um fotorresiste positivo usando diazonaftoquinona, que funcionava de maneira oposta: o revestimento era inicialmente insolúvel e tornou-se solúvel quando exposto à luz. Em 1954, Louis Plambeck Jr. desenvolveu a placa tipográfica polimérica Dycryl, que tornou o processo de fabricação de placas mais rápido.

Em 1952, os militares dos EUA designaram Jay W. Lathrop e James R. Nall no National Bureau of Standards (mais tarde o U.S. Army Diamond Ordnance Fuze Laboratory, que eventualmente se fundiu para formar o agora atual Army Research Laboratory) com o tarefa de encontrar uma maneira de reduzir o tamanho dos circuitos eletrônicos para melhor encaixar os circuitos necessários no espaço limitado disponível dentro de um fusível de proximidade. Inspirado pela aplicação de fotorresistente, um líquido fotossensível usado para marcar os limites dos orifícios dos rebites nas asas metálicas das aeronaves, Nall determinou que um processo semelhante pode ser usado para proteger o germânio nos transistores e até modelar a superfície com luz. Durante o desenvolvimento, Lathrop e Nall tiveram sucesso na criação de um circuito integrado híbrido miniaturizado 2D com transistores usando esta técnica. Em 1958, durante a conferência do 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.

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

Procedimento básico

Ilustração simplificada de gravação a seco usando fotoresista positiva durante um processo de fotolitografia em microfabricação semicondutora (não em escala).

Uma única iteração de fotolitografia combina várias etapas em sequência. Salas limpas modernas usam sistemas automatizados e robóticos de rastreamento de wafer para coordenar o processo. O procedimento descrito aqui omite alguns tratamentos avançados, como agentes diluentes ou remoção de bordas desfiadas. O processo de fotolitografia é realizado pelo wafer track e stepper/scanner, sendo que o sistema wafer track e o stepper/scanner são instalados lado a lado. Os sistemas de trilha de wafer foram substituídos por sistemas de revestimento/desenvolvedor de wafer, que executam as mesmas funções.

Limpeza

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

Preparação

O wafer é inicialmente aquecido a uma temperatura suficiente para eliminar qualquer umidade que possa estar presente na superfície do wafer; 150 °C por dez minutos é suficiente. Os wafers que estiveram armazenados devem ser limpos quimicamente para remover a contaminação. Um "promotor de adesão" líquido ou gasoso, como Bis(trimetilsilil)amina ("hexametildissilazano", HMDS), é aplicado para promover a adesão do fotorresistente ao wafer. A camada superficial de dióxido de silício no wafer reage com HMDS para formar dióxido de silício trimetilado, uma camada altamente repelente à água não muito diferente da camada de cera na pintura de um carro. Essa camada repelente à água evita que o revelador aquoso penetre entre a camada fotorresistente e a superfície do wafer, evitando assim o chamado levantamento de pequenas estruturas fotorresistentes no padrão (revelação). Para garantir o desenvolvimento da imagem, é melhor cobri-la e colocá-la sobre uma placa quente e deixar secar enquanto estabiliza a temperatura em 120 °C.

Aplicativo fotorresistente

O wafer é coberto com fotorresistente por revestimento giratório. Assim, a camada superior de resistência é rapidamente ejetada da borda do wafer, enquanto a camada inferior ainda rasteja lentamente radialmente ao longo do wafer. Desta forma, qualquer 'solavanco' ou 'cume' de resistir é removido, deixando uma camada muito plana. No entanto, filmes viscosos podem resultar em cordões de borda grandes cuja planarização tem limites físicos. A espessura final também é determinada pela evaporação dos solventes líquidos do resist. Para características muito pequenas e densas (< 125 ou mais nm), espessuras de resistência mais baixas (< 0,5 mícrons) são necessárias para superar os efeitos de colapso em altas proporções; proporções de aspecto típicas são < 4:1.

A bolacha revestida com fotorresistente é então pré-cozida para remover o excesso de solvente fotorresistente, normalmente a 90 a 100 °C por 30 a 60 segundos em uma placa de aquecimento. Um revestimento BARC (Bottom Anti-Reflectant Coating) pode ser aplicado antes que o fotorresiste seja aplicado, para evitar que ocorram reflexos sob o fotorresiste e para melhorar o desempenho do fotorresiste em nós semicondutores menores.

Exposição e desenvolvimento

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

Um cozimento pós-exposição (PEB) é realizado antes da revelação, geralmente para ajudar a reduzir os fenômenos de ondas estacionárias causados pelos padrões de interferência destrutiva e construtiva da luz incidente. Na litografia ultravioleta profunda, é usada a química de resistência quimicamente amplificada (CAR). Este processo é muito mais sensível ao tempo, temperatura e atraso do PEB, já que a maior parte da "exposição" A reação (criando ácido, tornando o polímero solúvel no revelador básico) realmente ocorre no PEB.

A química revelada é entregue em um spinner, muito parecido com o fotorresistente. Os reveladores originalmente 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 limite do transistor e tornando mais difícil ou mais fácil transformar o transistor ligado ao longo do tempo). Reveladores livres de íons metálicos, como o hidróxido de tetrametilamônio (TMAH), são usados agora.

A bolacha resultante é então "cozida duramente" se uma resistência não amplificada quimicamente foi usada, normalmente de 120 a 180 °C por 20 a 30 minutos. O cozimento duro solidifica o fotorresistente restante, para criar uma camada protetora mais durável em futuras implantações de íons, corrosão química úmida ou corrosão por plasma.

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

Gravação, implantação

Na corrosão, um agente químico líquido ("úmido") ou plasma ("seco") remove a camada superior do substrato nas áreas que não são protegidas pelo fotorresistente. Na fabricação de semicondutores, geralmente são usadas técnicas de corrosão a seco, pois podem ser anisotrópicas, a fim de evitar uma redução significativa do padrão fotorresistente. Isso é essencial quando a largura dos recursos a serem definidos é semelhante ou menor 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 estruturas suspensas devem ser "liberadas" da camada subjacente.

O desenvolvimento do processo de condicionamento seco anisotrópico de baixa defectividade permitiu que as características cada vez menores definidas fotolitograficamente na resistência fossem transferidas para o material do substrato.

Remoção de fotorresistente

Depois que um fotorresiste não é mais necessário, ele deve ser removido do substrato. Isso geralmente requer um líquido "resiste stripper", que altera quimicamente o resist para que ele não adira mais ao substrato. Alternativamente, o fotorresiste pode ser removido por um plasma contendo oxigênio, que o oxida. Este processo é chamado de incineração e se assemelha à corrosão seca. O uso de solvente 1-Metil-2-pirrolidona (NMP) para fotorresistente é outro método usado para remover uma imagem. Quando a resistência for dissolvida, o solvente pode ser removido por aquecimento a 80 °C sem deixar nenhum resíduo.

Sistemas de exposição ("impressão")

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

Sistemas de exposição normalmente produzem uma imagem no wafer usando uma fotomáscara. 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 usar uma máscara, mas não é amplamente usada 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 a camadas impressas mais suaves, padrões menos ondulados e registro de eletrodo de fonte de drenagem mais preciso.

Contato e proximidade

Uma impressora de contato, o sistema de exposição mais simples, coloca uma fotomáscara em contato direto com o wafer e o 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 todos os moldes.

A impressão por contato pode danificar tanto a máscara quanto o wafer, e esse foi o principal motivo pelo qual foi abandonada para produção em 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 com precisão 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 proximidade, porque usa hardware barato e pode alcançar alta resolução óptica. A resolução na litografia de proximidade é aproximadamente a raiz quadrada do produto do comprimento de onda e a distância do intervalo. Portanto, exceto para a 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 próprio fotorresiste). Além disso, a litografia de nanoimpressão pode reavivar o interesse nesta 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 escala muito grande (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"). Sistemas de exposição de projeção (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 apenas move o wafer. Os alinhadores de máscara precedem os steppers e não movem a fotomáscara nem o wafer durante a exposição. Os 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 é a litografia de nanoimpressão.

Fotomáscaras

A imagem da máscara se origina de um arquivo de dados computadorizado. Este arquivo de dados é convertido em uma série de polígonos e gravado 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 percorre a superfície do substrato de maneira vetorial ou raster. Onde o fotorresiste na máscara é exposto, o cromo pode ser removido, deixando um caminho livre para a passagem da luz de iluminação no sistema de passo/scanner.

Resolução em sistemas de projeção

A iluminação fluorescente filtrada, LED amarelo ou iluminação de sódio de baixa pressão em salas limpas de fotolitografia não contém luz ultravioleta ou azul, a fim de evitar a exposição de fotorresistas. O espectro de luz emitida por tais dispositivos elétricos dá praticamente todos esses espaços uma cor amarela brilhante.

Espectro de ordem de difração com coerência parcial. O espectro de ordem de difração (até 3a ordem) de um padrão de espaço de linha (pitch<3 comprimento de onda/NA) é mostrado com cores diferentes indicando diferentes ângulos de iluminação em uma configuração de coerência parcial.

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

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

CD= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =k1)) λ λ NA[displaystyle CD=k_{1}cdot] Não. ?

onde

CD- Sim. é o tamanho mínimo do recurso (também chamado de dimensão crítica, regra do projeto do alvoou "meia-cozinha").

k1Não. , k_{1}} (geralmente chamado) fator k1) é um coeficiente que encapsula fatores relacionados ao processo, e tipicamente equivale a 0,4 para a produção. O tamanho mínimo do recurso pode ser reduzido diminuindo esse coeficiente através da litografia computacional.

λ λ {displaystyle ,lambda } é o comprimento de onda da luz usada

NA- Sim. é a abertura numérica da lente como visto a partir do wafer

Impacto de direção de iluminação. A iluminação em eixo fornece maior contraste, mas apenas a iluminação fora do eixo resolve o menor campo.

O critério 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 focado mais estreito e um tamanho de ponto menor). No entanto, esse método de design esbarra em uma restrição competitiva. Em sistemas modernos, a profundidade do foco também é uma preocupação:

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Toma. k2Não. ,k_{2}} é outro coeficiente relacionado ao processo. A profundidade de foco restringe a espessura do fotoresista e a profundidade da topografia na wafer. O polimento mecânico químico é frequentemente usado para achatar a topografia antes de etapas litográficas de alta resolução.

Da óptica clássica, k1=0,61 pelo critério de Rayleigh. 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 o desfoque.

A iluminação pode impactar significativamente o pitch aparente da imagem do mesmo objeto (um par de linhas brilhantes neste caso).

As bordas retas de características encurtadas são distorcidas em bordas curvas como o pitch é reduzido em ambas as direções.

Largura gordurosa vs. meio ponto. Quanto mais apertado o pitch de linha, maior a diferença entre as extremidades das linhas (perpendicular ao pitch).

A resolução também não é trivial em um contexto bidimensional. Por exemplo, um espaçamento de linha mais estreito resulta em intervalos maiores (na direção perpendicular) entre as extremidades das linhas. Mais fundamentalmente, as arestas retas tornam-se arredondadas para recursos retangulares encurtados, onde ambos os passos x e y estão próximos do limite de resolução.

Para nós avançados, o desfoque, em vez do comprimento de onda, torna-se o principal fator limitante da resolução. O pitch mínimo é dado por blur sigma/0.14. O desfoque é afetado pela dose, bem como pelo rendimento quântico, levando a uma compensação com defeitos estocásticos, no caso do EUV.

Efeitos estocásticos

Características com imagem de DUV (esquerda) têm muito menos variabilidade de posição de borda do que as imagens de EUV (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/nm². Isso se deve a menos fótons para a mesma dose de energia para um comprimento de onda mais curto (maior energia por fóton). Com menos fótons compondo a imagem, há ruído no posicionamento das bordas.

Os fotões são divididos entre vários pontos de origem. Os fótons que compõem a dose de exposição são divididos igualmente entre os pontos de origem (dois são mostrados aqui) que estão posicionados dentro do aluno.

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.

Fontes de luz

Um dos caminhos evolutivos da litografia tem sido o uso de comprimentos de onda mais curtos. Vale a pena notar que a mesma fonte de luz pode ser usada para 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 dos anos 1960 até meados dos anos 1980, as lâmpadas Hg foram usadas em litografia por suas linhas espectrais em 436 nm ("g-line"), 405 nm ("h-line") e 365 nm ("i-line"). No entanto, com a necessidade da indústria de semicondutores por resolução mais alta (para produzir chips mais densos e rápidos) e maior rendimento (para custos mais baixos), as ferramentas de litografia baseadas em lâmpadas não eram mais capazes de atender às altas exigências da indústria. requisitos finais.

Esse desafio foi superado em 1982, quando a litografia a laser excimer foi proposta e demonstrada na IBM por Kanti Jain. As máquinas de litografia a laser Excimer (steppers e scanners) tornaram-se as principais ferramentas na produção de microeletrônica e permitiram que os tamanhos mínimos de recursos na fabricação de chips diminuíssem de 800 nanômetros em 1990 para 7 nanômetros em 2018. De uma perspectiva científica e tecnológica ainda mais ampla, na 50 anos de história do laser desde sua primeira demonstração em 1960, a invenção e desenvolvimento da litografia a laser excimer foi reconhecida como um marco importante.

Os excimer lasers ultravioleta profundos 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. tornou-se a principal fornecedora de fontes de laser excimer para os fabricantes de equipamentos de litografia, tendo a Gigaphoton Inc. como sua rival mais próxima. Geralmente, um excimer laser é projetado para operar com uma mistura de gás específica; portanto, alterar o comprimento de onda não é uma questão trivial, pois 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-se 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 que o intervalo de banda, liberam elétrons livres e buracos que subsequentemente causam carregamento adverso.

A litografia óptica foi estendida para tamanhos de recursos abaixo de 50 nm usando o excimer laser ArF de 193 nm e técnicas de imersão em líquido. Também denominada litografia de imersão, permite o uso de óptica com aberturas numéricas superiores a 1,0. O líquido usado é tipicamente água deionizada ultrapura, que fornece um índice de refração acima do intervalo de ar usual entre a lente e a superfície do wafer. A água circula continuamente para eliminar as distorções induzidas termicamente. A água permitirá apenas NA's de até ~1,4, mas fluidos com índices de refração mais altos permitiriam que o NA efetivo fosse aumentado ainda mais.

Alterar o comprimento de onda da litografia é significativamente limitado pela absorção. Absorvente de ar abaixo C.185 nm.

Foram construídas ferramentas experimentais usando o comprimento de onda de 157 nm do excimer laser F2 de maneira semelhante aos sistemas de exposição atuais. Eles já foram direcionados para suceder a litografia de 193 nm no nó de tamanho de recurso de 65 nm, mas agora foram praticamente eliminados pela introdução da litografia de imersão. Isso ocorreu 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 menores que 30 nm foram demonstrados pela IBM usando essa técnica.

Excimer lasers UV demonstraram cerca de 126 nm (para Ar₂*). As lâmpadas de arco de mercúrio são projetadas para manter uma corrente DC constante de 50 a 150 Volts, porém os excimer lasers têm uma resolução mais alta. Excimer lasers são sistemas de luz à base de gás que geralmente são preenchidos com gases inertes e haletos (Kr, Ar, Xe, F e Cl) que são carregados por um campo elétrico. Quanto maior a frequência, maior a resolução da imagem. Os lasers KrF são capazes de funcionar a uma frequência de 4 kHz. Além de operar em uma frequência mais alta, os excimer lasers 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 antirreflexo. Ao configurar vários lasers e espelhos, a quantidade de perda de energia é minimizada, também porque as lentes são revestidas com material antirreflexo, a intensidade da luz permanece relativamente a mesma desde quando saiu do laser até quando atingiu o wafer.

Lasers têm sido usados para gerar indiretamente luz UV extrema 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 CO₂laser. A fabricação de tamanhos de recurso de 10 nm foi demonstrada em ambientes de produção, mas ainda não nas taxas necessárias para comercialização. No entanto, isso é esperado para 2016. Essa técnica não requer um síncrotron e as fontes EUV, como observado, não produzem luz coerente. No entanto, 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 na borda do espectro de raios-X (que começa em 10 nm). A partir de 2020, o EUV está em uso em produção em massa por fundições de ponta, como TSMC e Samsung.

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

Lasers de femtosegundo visíveis e infravermelhos também foram aplicados para litografia. Nesse caso, as reações fotoquímicas são iniciadas pela absorção multifotônica. O uso dessas fontes de luz tem muitos benefícios, incluindo a possibilidade de fabricar objetos 3D verdadeiros e processar materiais semelhantes a vidro não fotossensibilizados (puros) com excelente resiliência óptica.

Métodos experimentais

A fotolitografia tem derrotado as previsões de seu fim por muitos anos. Por exemplo, no início da década de 1980, muitos na indústria de semicondutores começaram a acreditar que características menores que 1 mícron não poderiam ser impressas opticamente. Técnicas modernas usando litografia a laser excimer já imprimem recursos com dimensões de uma fração do comprimento de onda da luz usada – um feito óptico incrível. Novas técnicas, como litografia de imersão, resistência de tom duplo 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 de feixe de elétrons, litografia de raios-X, litografia ultravioleta extrema e litografia de projeção de íons. A litografia ultravioleta extrema está em produção em massa a partir de 2020 pela Samsung.

Economia

Em 2001, a publicação do NIST relatou que o processo de fotolitografia constituía cerca de 35% do custo total dos custos de processamento de um wafer.

Em 2021, a indústria de fotolitografia foi avaliada em mais de 8 bilhões de dólares.