Fotolitografía

En la fabricación de circuitos integrados, fotolitografía o litografía óptica es un término general que se utiliza para las técnicas que utilizan la luz para producir películas finas con patrones minuciosos de materiales adecuados sobre un sustrato, como como una oblea de silicio, para proteger áreas seleccionadas durante operaciones posteriores de grabado, deposición o implantación. Por lo general, la luz ultravioleta se usa para transferir un diseño geométrico de una máscara óptica a un químico sensible a la luz (fotoprotector) que recubre el sustrato. El fotoprotector se descompone o se endurece donde se expone a la luz. Luego se crea la película estampada eliminando las partes más blandas del recubrimiento con los solventes apropiados.

Los fotoprotectores convencionales suelen constar de tres componentes: resina, sensibilizador y disolvente.

Los procesos de fotolitografía se pueden clasificar según el tipo de luz utilizada, como ultravioleta, ultravioleta profundo, ultravioleta extremo o rayos X. La longitud de onda de la luz utilizada determina el tamaño mínimo de la característica que se puede formar en la fotoprotección.

La fotolitografía es una subclase de la microlitografía, el término general para los procesos que generan películas delgadas estampadas. Otras tecnologías en esta clase más amplia incluyen el uso de haces de electrones orientables o, más raramente, nanoimpresión, interferencia, campos magnéticos o sondas de exploración. En un nivel más amplio, puede competir con el autoensamblaje dirigido de micro y nanoestructuras.

La fotolitografía comparte algunos principios fundamentales con la fotografía en el sentido de que el patrón en la fotoprotección se crea al exponerlo a la luz, ya sea directamente por proyección a través de una lente o iluminando una máscara colocada directamente sobre el sustrato, como en la impresión por contacto. La técnica también puede verse como una versión de alta precisión del método utilizado para fabricar placas de circuito impreso. El nombre se originó a partir de una vaga analogía con el método fotográfico tradicional de producción de planchas para la impresión litográfica en papel; sin embargo, las etapas posteriores del proceso tienen más en común con el grabado que con la litografía tradicional.

La fotolitografía es el método más común para la fabricación de semiconductores de circuitos integrados ("ICs" o "chips"), como memorias de estado sólido y microprocesadores. Puede crear patrones extremadamente pequeños, de hasta unas pocas decenas de nanómetros de tamaño. Proporciona un control preciso de la forma y el tamaño de los objetos que crea y puede crear patrones en toda una oblea en un solo paso, de forma rápida y con un costo relativamente bajo. En circuitos integrados complejos, una oblea puede pasar por el ciclo fotolitográfico hasta 50 veces. También es una técnica importante para la fabricación de estructuras microscópicas en general, como los sistemas microelectromecánicos. Sin embargo, la fotolitografía no se puede utilizar para producir máscaras en superficies que no son perfectamente planas; y, como todos los procesos de fabricación de chips, requiere condiciones de operación extremadamente limpias.

Historia

Las raíces de las palabras foto, lito y grafía tienen todos orígenes griegos, con los significados 'luz', 'piedra' y 'escribir' respectivamente. Como sugiere el nombre compuesto por ellos, la fotolitografía es un método de impresión (originalmente basado en el uso de placas de impresión de piedra caliza) en el que la luz juega un papel esencial. En la década de 1820, Nicephore Niepce inventó un proceso fotográfico que utilizaba Betún de Judea, un asfalto natural, como el primer fotorresistente. Una fina capa de betún sobre una hoja de metal, vidrio o piedra se vuelve menos soluble cuando se expone a la luz; Luego, las partes no expuestas se podían enjuagar con un solvente adecuado, dejando al descubierto el material que se encontraba debajo, que luego se grababa químicamente en un baño ácido para producir una placa de impresión. La sensibilidad a la luz del betún era muy pobre y se requerían exposiciones muy largas, pero a pesar de la introducción posterior de alternativas más sensibles, su bajo costo y excelente resistencia a los ácidos fuertes prolongaron su vida comercial hasta principios del siglo XX. En 1940, Oskar Süß creó un fotorresistente positivo usando diazonaftoquinona, que funcionaba de manera opuesta: el revestimiento era inicialmente insoluble y se volvía soluble cuando se exponía a la luz. En 1954, Louis Plambeck Jr. desarrolló la plancha tipográfica polimérica Dycryl, que aceleró el proceso de fabricación de planchas.

En 1952, el ejército de EE. UU. asignó a Jay W. Lathrop y James R. Nall a la Oficina Nacional de Normas (más tarde el Laboratorio de Espoleta de Artillería de Diamante del Ejército de EE. UU., que finalmente se fusionó para formar el actual Laboratorio de Investigación del Ejército) con el tarea de encontrar una manera de reducir el tamaño de los circuitos electrónicos para encajar mejor los circuitos necesarios en el espacio limitado disponible dentro de una espoleta de proximidad. Inspirándose en la aplicación de fotoprotector, un líquido fotosensible que se usa para marcar los límites de los orificios de los remaches en las alas metálicas de los aviones, Nall determinó que se puede usar un proceso similar para proteger el germanio en los transistores e incluso modelar la superficie con luz. Durante el desarrollo, Lathrop y Nall lograron crear un circuito integrado híbrido miniaturizado en 2D con transistores utilizando esta técnica. En 1958, durante la conferencia IRE Professional Group on Electron Devices (PGED) en Washington, D.C., presentaron el primer artículo que describía la fabricación de transistores utilizando técnicas fotográficas y adoptaron el término "fotolitografía" para describir el proceso, marcando el primer uso publicado del término para describir el patrón de dispositivos semiconductores.

A pesar de que la fotolitografía de componentes electrónicos se trata de grabar duplicados de metal, en lugar de grabar piedra para producir un "maestro" como en la impresión litográfica convencional, Lathrop y Nall eligieron el término "fotolitografía" sobre "fotograbado" porque el primero sonaba "alta tecnología". Un año después de la conferencia, la patente de fotolitografía de Lathrop y Nall se aprobó formalmente el 9 de junio de 1959. La fotolitografía contribuiría más tarde al desarrollo de los primeros circuitos integrados semiconductores, así como los primeros microchips.

Procedimiento básico

Ilustración simplificada del grabado seco utilizando fotoresist positivo durante un proceso fotolitografía en microfabricación semiconductor (no a escala).

Una sola iteración de fotolitografía combina varios pasos en secuencia. Las salas limpias modernas utilizan sistemas de seguimiento de obleas robóticos y automatizados para coordinar el proceso. El procedimiento descrito aquí omite algunos tratamientos avanzados, como agentes diluyentes o eliminación de rebordes. El proceso de fotolitografía se lleva a cabo mediante la pista de obleas y el escáner/paso a paso, y el sistema de seguimiento de obleas y el escáner/pasos se instalan uno al lado del otro. Los sistemas de seguimiento de obleas han sido reemplazados por sistemas de recubrimiento/revelado de obleas, que realizan las mismas funciones.

Limpieza

Si hay contaminaciones orgánicas o inorgánicas en la superficie de la oblea, generalmente se eliminan mediante un tratamiento químico húmedo, p. el procedimiento de limpieza RCA basado en soluciones que contienen peróxido de hidrógeno. También se pueden usar otras soluciones hechas con tricloroetileno, acetona o metanol para limpiar.

Preparación

La oblea se calienta inicialmente a una temperatura suficiente para eliminar la humedad que pueda estar presente en la superficie de la oblea; 150 °C durante diez minutos es suficiente. Las obleas que han estado almacenadas deben limpiarse químicamente para eliminar la contaminación. Se aplica un 'promotor de adhesión' líquido o gaseoso, como bis(trimetilsilil)amina ('hexametildisilazano', HMDS), para promover la adhesión del fotorresistente a la oblea. La capa superficial de dióxido de silicio en la oblea reacciona con HMDS para formar dióxido de silicio trimetilado, una capa altamente repelente al agua similar a la capa de cera en la pintura de un automóvil. Esta capa repelente al agua evita que el revelador acuoso penetre entre la capa fotorresistente y la superficie de la oblea, evitando así el llamado levantamiento de pequeñas estructuras fotorresistentes en el patrón (de revelado). Para asegurar el desarrollo de la imagen, es mejor cubrirlo y colocarlo sobre una placa caliente y dejarlo secar mientras se estabiliza la temperatura a 120 °C.

Aplicación fotorresistente

La oblea está cubierta con fotorresistente mediante revestimiento giratorio. Por lo tanto, la capa superior de resistencia se expulsa rápidamente del borde de la oblea, mientras que la capa inferior todavía se desliza lentamente radialmente a lo largo de la oblea. De esta forma, cualquier 'golpe' o 'cresta' Se quita la capa protectora, dejando una capa muy plana. Sin embargo, las películas viscosas pueden dar como resultado grandes cordones de borde cuya planarización tiene límites físicos. El espesor final también está determinado por la evaporación de los solventes líquidos del resist. Para características muy pequeñas y densas (< 125 nm aproximadamente), se necesitan espesores de resistencia más bajos (< 0,5 micras) para superar los efectos de colapso en relaciones de aspecto altas; las relaciones de aspecto típicas son < 4:1.

Luego, la oblea recubierta con fotorresistente se precocina para eliminar el exceso de solvente fotorresistente, generalmente a una temperatura de 90 a 100 °C durante 30 a 60 segundos en una placa calefactora. Se puede aplicar un recubrimiento BARC (revestimiento antirreflectante inferior) antes de aplicar la fotoprotección, para evitar que se produzcan reflejos debajo de la fotoprotección y para mejorar el rendimiento de la fotoprotección en los nodos semiconductores más pequeños.

Exposición y revelado

Después del prehorneado, la fotoprotección se expone a un patrón de luz intensa. La exposición a la luz provoca un cambio químico que permite que parte de la fotorresistencia se elimine mediante una solución especial, llamada "revelador" por analogía con el revelador fotográfico. La fotoprotección positiva, el tipo más común, se vuelve soluble en el revelador cuando se expone; con fotoprotector negativo, las regiones no expuestas son solubles en el revelador.

Se realiza un horneado posterior a la exposición (PEB) antes del revelado, generalmente para ayudar a reducir los fenómenos de ondas estacionarias causados por los patrones de interferencia destructivos y constructivos de la luz incidente. En la litografía ultravioleta profunda, se utiliza la química de resistencia amplificada químicamente (CAR). Este proceso es mucho más sensible al tiempo, la temperatura y el retraso de PEB, ya que la mayor parte de la "exposición" La reacción (creación de ácido, que hace que el polímero sea soluble en el revelador básico) en realidad ocurre en el PEB.

La química de revelado se entrega en un rotor, muy similar a la fotoprotección. Los reveladores originalmente a menudo contenían hidróxido de sodio (NaOH). Sin embargo, el sodio se considera un contaminante extremadamente indeseable en la fabricación de MOSFET porque degrada las propiedades aislantes de los óxidos de la puerta (específicamente, los iones de sodio pueden migrar dentro y fuera de la puerta, cambiando el voltaje de umbral del transistor y dificultando o facilitando el giro). el transistor encendido con el tiempo). Ahora se utilizan reveladores sin iones metálicos como el hidróxido de tetrametilamonio (TMAH).

La oblea resultante se "hornea duro" si se usó una resistencia no amplificada químicamente, generalmente a una temperatura de 120 a 180 °C durante 20 a 30 minutos. El horneado duro solidifica el fotorresistente restante, para hacer una capa protectora más duradera en la futura implantación de iones, grabado químico húmedo o grabado con plasma.

Desde la preparación hasta este paso, el procedimiento de fotolitografía se ha llevado a cabo mediante dos máquinas: el paso a paso o escáner de fotolitografía y el recubridor/revelador. Las dos máquinas generalmente se instalan una al lado de la otra.

Grabado, implantación

En el grabado, un agente químico líquido ("húmedo") o plasma ("seco") elimina la capa superior del sustrato en las áreas que no están protegidas por la fotoprotección. En la fabricación de semiconductores, generalmente se utilizan técnicas de grabado en seco, ya que pueden hacerse anisotrópicas, para evitar una socavación significativa del patrón fotorresistente. Esto es esencial cuando el ancho de las características a definir es similar o menor que el grosor del material que se está grabando (es decir, cuando la relación de aspecto se aproxima a la unidad). Los procesos de grabado húmedo son generalmente de naturaleza isotrópica, lo que a menudo es indispensable para los sistemas microelectromecánicos, donde las estructuras suspendidas deben ser "liberadas" de la capa subyacente.

El desarrollo del proceso de grabado en seco anisotrópico de baja defectividad ha permitido que las características cada vez más pequeñas definidas fotolitográficamente en la resistencia se transfieran al material del sustrato.

Eliminación de fotorresistentes

Después de que ya no se necesite una fotoprotección, se debe quitar del sustrato. Por lo general, esto requiere un "removedor de resistencia" líquido, que altera químicamente la resistencia para que ya no se adhiera al sustrato. Alternativamente, la fotoprotección puede eliminarse mediante un plasma que contiene oxígeno, que la oxida. Este proceso se llama incineración y se parece al grabado en seco. El uso del solvente 1-metil-2-pirrolidona (NMP) para la fotoprotección es otro método que se usa para eliminar una imagen. Cuando se haya disuelto la resistencia, el disolvente se puede eliminar calentando a 80 °C sin dejar ningún residuo.

Sistemas de exposición ("impresión")

La parte de la pista de wafer de un aligner que utiliza la luz ultravioleta de 365 nm

Los sistemas de exposición normalmente producen una imagen en la oblea usando una fotomáscara. La fotomáscara bloquea la luz en algunas zonas y la deja pasar en otras. (La litografía sin máscara proyecta un haz preciso directamente sobre la oblea sin usar una máscara, pero no se usa mucho en los procesos comerciales). Los sistemas de exposición pueden clasificarse por la óptica que transfiere la imagen de la máscara a la oblea.

La fotolitografía produce mejores estructuras de transistores de película delgada que la electrónica impresa, debido a capas impresas más suaves, patrones menos ondulados y un registro de electrodos de fuente de drenaje más preciso.

Contacto y proximidad

Una impresora de contacto, el sistema de exposición más simple, pone una fotomáscara en contacto directo con la oblea y la expone a una luz uniforme. Una impresora de proximidad deja un pequeño espacio entre la fotomáscara y la oblea. En ambos casos, la máscara cubre toda la oblea y, simultáneamente, modela cada troquel.

La impresión por contacto puede dañar tanto la máscara como la oblea, y esta fue la razón principal por la que se abandonó para la producción de gran volumen. Tanto la litografía de contacto como la de proximidad requieren que la intensidad de la luz sea uniforme en toda la oblea y que la máscara se alinee con precisión con las características que ya están en la oblea. Dado que los procesos modernos utilizan obleas cada vez más grandes, estas condiciones se vuelven cada vez más difíciles.

Los procesos de investigación y creación de prototipos suelen utilizar litografía de contacto o de proximidad, ya que utiliza hardware económico y puede lograr una alta resolución óptica. La resolución en litografía de proximidad es aproximadamente la raíz cuadrada del producto de la longitud de onda y la distancia de separación. Por lo tanto, a excepción de la litografía de proyección (ver más abajo), la impresión por contacto ofrece la mejor resolución, porque su distancia de separación es aproximadamente cero (sin tener en cuenta el grosor de la propia fotoprotección). Además, la litografía de nanoimpresión puede revivir el interés en esta técnica familiar, especialmente porque se espera que el costo de propiedad sea bajo; sin embargo, las deficiencias de la impresión por contacto discutidas anteriormente siguen siendo desafíos.

Proyección

La litografía de integración a muy gran escala (VLSI) utiliza sistemas de proyección. A diferencia de las máscaras de contacto o de proximidad, que cubren toda una oblea, las máscaras de proyección (conocidas como "retículas") muestran solo un troquel o una serie de troqueles (conocido como "campo"). Los sistemas de exposición de proyección (paso a paso o escáneres) proyectan la máscara sobre la oblea muchas veces para crear el patrón completo. La diferencia entre los motores paso a paso y los escáneres es que, durante la exposición, un escáner mueve la fotomáscara y la oblea simultáneamente, mientras que un motor paso a paso solo mueve la oblea. Los alineadores de máscara precedieron a los escaladores y no mueven la fotomáscara ni la oblea durante la exposición. Los escáneres de litografía de inmersión utilizan una capa de agua ultrapura entre la lente y la oblea para aumentar la resolución. Una alternativa a la fotolitografía es la litografía de nanoimpresión.

Fotomáscaras

La imagen de la máscara se origina a partir de un archivo de datos computarizado. Este archivo de datos se convierte en una serie de polígonos y se escribe en un sustrato cuadrado de cuarzo fundido cubierto con una capa de cromo mediante un proceso fotolitográfico. Se utiliza un rayo láser (escritor láser) o un rayo de electrones (escritor de haz electrónico) para exponer el patrón definido por el archivo de datos y viaja sobre la superficie del sustrato en forma de escaneo vectorial o de trama. Cuando se expone la fotoprotección de la máscara, el cromo se puede grabar, dejando un camino despejado para que la luz de iluminación del sistema de escáner/paso a paso se desplace.

Resolución en sistemas de proyección

La iluminación fluorescente filtrada, el LED amarillo o la iluminación de sodio de baja presión en las salas de limpieza fotolitografía no contiene luz ultravioleta o azul para evitar exponer fotoresistas. El espectro de luz emitido por tales accesorios da prácticamente todos estos espacios un color amarillo brillante.

espectro de órdenes de difacciones con coherencia parcial. El espectro de orden de difracción (hasta 3o orden) de un patrón line-space (pitch 3 longitud de onda/NA) se muestra con diferentes colores indicando diferentes ángulos de iluminación en un entorno de coherencia parcial.

La capacidad de proyectar una imagen clara de una característica pequeña en la oblea está limitada por la longitud de onda de la luz que se utiliza y la capacidad del sistema de lentes de reducción para capturar suficientes órdenes de difracción de la máscara iluminada. Las herramientas de fotolitografía de vanguardia actuales utilizan luz ultravioleta profunda (DUV) de láseres excimer con longitudes de onda de 248 (KrF) y 193 (ArF) nm (la tecnología de litografía dominante en la actualidad también se denomina "litografía láser excimer"), que permite tamaños mínimos de características de hasta 50 Nuevo Méjico. Por lo tanto, la litografía con láser excimer ha desempeñado un papel fundamental en el avance continuo de la Ley de Moore durante los últimos 20 años (ver más abajo).

El tamaño mínimo de función que puede imprimir un sistema de proyección viene dado aproximadamente por:

CD=k1⋅ ⋅ λ λ NA{displaystyle CD=k_{1}cdot {frac {fnMicrode - Sí.

dónde

CD{displaystyle ,CD} es tamaño mínimo (también llamado el dimensión crítica, norma de diseño de objetivos, o "media perra").

k1{displaystyle # (comúnmente llamado k1 factor) es un coeficiente que encapsula factores relacionados con el proceso, y normalmente equivale a 0.4 para la producción. El tamaño mínimo de la característica puede reducirse disminuyendo este coeficiente a través de la litografía computacional.

λ λ {displaystyle ,lambda } es la longitud de onda de la luz utilizada

NA{displaystyle ,NA} es la abertura numérica de la lente como se ve desde la onda

Impacto de la dirección de iluminación. La iluminación en eje proporciona mayor contraste, pero sólo la iluminación fuera del eje resuelve el lanzamiento más pequeño.

El criterio de Rayleigh define la separación mínima para preservar la distancia entre dos puntos en la imagen proyectada.

De acuerdo con esta ecuación, los tamaños mínimos de las características se pueden reducir disminuyendo la longitud de onda y aumentando la apertura numérica (para lograr un haz más enfocado y un tamaño de punto más pequeño). Sin embargo, este método de diseño se encuentra con una restricción competitiva. En los sistemas modernos, la profundidad de enfoque también es una preocupación:

DF=k2⋅ ⋅ λ λ NA2{displaystyle D_{F}=k_{2}cdot {frac {fnMicrode {fnMicrosoft Sans}

Aquí, k2{displaystyle # es otro coeficiente relacionado con el proceso. La profundidad del foco restringe el espesor del fotoresist y la profundidad de la topografía en la cintura. El pulido mecánico químico se utiliza a menudo para aplanar la topografía antes de pasos litográficos de alta resolución.

De la óptica clásica, k1=0,61 por el criterio de Rayleigh. La imagen de dos puntos separados por menos de 1,22 longitud de onda/NA no mantendrá esa separación sino que será mayor debido a la interferencia entre los discos de Airy de los dos puntos. Sin embargo, también debe recordarse que la distancia entre dos características también puede cambiar con el desenfoque.

La iluminación puede impactar significativamente el aparente tono de la imagen del mismo objeto (un par de líneas brillantes en este caso).

Los bordes rectos de las características acortadas se distorsionan en los bordes inclinados, ya que el campo se reduce en ambas direcciones.

Gap ancho vs. medio punto. Cuanto más apretado sea el tono de la línea, mayor será la brecha entre los extremos de las líneas (perpendicular al tono).

La resolución tampoco es trivial en un contexto bidimensional. Por ejemplo, un paso de línea más cerrado da como resultado espacios más amplios (en la dirección perpendicular) entre los extremos de las líneas. Más fundamentalmente, los bordes rectos se redondean para las características rectangulares acortadas, donde los pasos x e y están cerca del límite de resolución.

Para los nodos avanzados, el desenfoque, en lugar de la longitud de onda, se convierte en el factor clave que limita la resolución. El tono mínimo viene dado por blur sigma/0.14. El desenfoque se ve afectado tanto por la dosis como por el rendimiento cuántico, lo que lleva a una compensación con defectos estocásticos, en el caso de EUV.

Efectos estocásticos

Las características imaginadas por DUV (izquierda) tienen mucho menos variabilidad de posición de borde que las imaginadas por EUV (derecha).

Como la luz se compone de fotones, en dosis bajas la calidad de la imagen depende en última instancia del número de fotones. Esto afecta al uso de la litografía ultravioleta extrema o EUVL, que se limita al uso de dosis bajas del orden de 20 fotones/nm². Esto se debe a que hay menos fotones para la misma dosis de energía para una longitud de onda más corta (mayor energía por fotón). Con menos fotones formando la imagen, hay ruido en la ubicación de los bordes.

Los fotones se dividen entre múltiples puntos de origen. Los fotones que componen la dosis de exposición se dividen por igual entre los puntos fuente (dos se muestran aquí) que están colocados dentro del alumno.

Los efectos estocásticos se volverían más complicados con patrones de tono más grandes con más órdenes de difracción y usando más puntos de fuente de iluminación.

Fuentes de luz

Uno de los caminos evolutivos de la litografía ha sido el uso de longitudes de onda más cortas. Vale la pena señalar que la misma fuente de luz puede ser utilizada para varias generaciones tecnológicas.

Históricamente, la fotolitografía ha utilizado luz ultravioleta de lámparas de descarga de gas que utilizan mercurio, a veces en combinación con gases nobles como el xenón. Estas lámparas producen luz en un amplio espectro con varios picos fuertes en el rango ultravioleta. Este espectro se filtra para seleccionar una sola línea espectral. Desde principios de la década de 1960 hasta mediados de la década de 1980, las lámparas de Hg se habían utilizado en litografía por sus líneas espectrales a 436 nm ("línea g"), 405 nm ("línea h") y 365 nm ("i-line"). Sin embargo, con la necesidad de la industria de semiconductores tanto de una resolución más alta (para producir chips más densos y más rápidos) como de un mayor rendimiento (para costos más bajos), las herramientas de litografía basadas en lámparas ya no pudieron cumplir con los altos requisitos de la industria. -Requisitos finales.

Este desafío se superó en 1982 cuando Kanti Jain propuso y demostró en IBM la litografía con láser excimer. Las máquinas de litografía láser excimer (pasos a paso y escáneres) se convirtieron en las principales herramientas en la producción de microelectrónica y han permitido que los tamaños mínimos de características en la fabricación de chips se reduzcan de 800 nanómetros en 1990 a 7 nanómetros en 2018. Desde una perspectiva científica y tecnológica aún más amplia, en el 50 años de historia del láser desde su primera demostración en 1960, la invención y el desarrollo de la litografía con láser excimer ha sido reconocido como un hito importante.

Los láseres de excimer ultravioleta profundo comúnmente utilizados en los sistemas de litografía son el láser de fluoruro de criptón (KrF) a una longitud de onda de 248 nm y el láser de fluoruro de argón (ArF) a una longitud de onda de 193 nm. Los principales fabricantes de fuentes de luz láser excimer en la década de 1980 fueron Lambda Physik (ahora parte de Coherent, Inc.) y Lumonics. Desde mediados de la década de 1990, Cymer Inc. se ha convertido en el principal proveedor de fuentes de láser excimer para los fabricantes de equipos de litografía, con Gigaphoton Inc. como su rival más cercano. Generalmente, un láser excimer está diseñado para operar con una mezcla de gases específica; por lo tanto, cambiar la longitud de onda no es un asunto trivial, ya que el método para generar la nueva longitud de onda es completamente diferente y las características de absorción de los materiales cambian. Por ejemplo, el aire comienza a absorber significativamente alrededor de la longitud de onda de 193 nm; cambiar a longitudes de onda inferiores a 193 nm requeriría instalar una bomba de vacío y un equipo de purga en las herramientas de litografía (un desafío importante). A veces se puede usar una atmósfera de gas inerte como sustituto de una aspiradora, para evitar la necesidad de tuberías difíciles. Además, los materiales aislantes como el dióxido de silicio, cuando se exponen a fotones con una energía mayor que la banda prohibida, liberan electrones libres y huecos que posteriormente provocan una carga adversa.

La litografía óptica se ha ampliado a tamaños de características inferiores a 50 nm mediante el láser excimer ArF de 193 nm y técnicas de inmersión en líquidos. También denominada litografía de inmersión, permite el uso de ópticas con aperturas numéricas superiores a 1,0. El líquido utilizado suele ser agua desionizada ultrapura, que proporciona un índice de refracción superior al del espacio de aire habitual entre la lente y la superficie de la oblea. El agua circula continuamente para eliminar las distorsiones inducidas térmicamente. El agua solo permitirá NA' de hasta ~1.4, pero los fluidos con índices de refracción más altos permitirían aumentar aún más la NA efectiva.

Cambiar la longitud de onda de litografía es significativamente limitada por la absorción. El aire absorbe abajo c.185 nm.

Se han construido herramientas experimentales que utilizan la longitud de onda de 157 nm del láser excimer F2 de manera similar a los sistemas de exposición actuales. Estos fueron una vez destinados a suceder a la litografía de 193 nm en el nodo de tamaño de característica de 65 nm, pero ahora casi han sido eliminados por la introducción de la litografía de inmersión. Esto se debió a problemas técnicos persistentes con la tecnología de 157 nm y consideraciones económicas que proporcionaron fuertes incentivos para el uso continuado de la tecnología de litografía por láser excimer de 193 nm. La litografía de inmersión de alto índice es la última extensión de la litografía de 193 nm a considerar. En 2006, IBM demostró características de menos de 30 nm utilizando esta técnica.

Se ha demostrado que los láseres excimer UV alcanzan aproximadamente 126 nm (para Ar₂*). Las lámparas de arco de mercurio están diseñadas para mantener una corriente continua constante de 50 a 150 voltios; sin embargo, los láseres excimer tienen una resolución más alta. Los láseres excimer son sistemas de luz a base de gas que generalmente están llenos de gases inertes y haluros (Kr, Ar, Xe, F y Cl) que se cargan mediante un campo eléctrico. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la resolución de la imagen. Los láseres KrF pueden funcionar a una frecuencia de 4 kHz. Además de funcionar a una frecuencia más alta, los láseres excimer son compatibles con máquinas más avanzadas que las lámparas de arco de mercurio. También pueden operar desde distancias mayores (hasta 25 metros) y pueden mantener su precisión con una serie de espejos y lentes con revestimiento antirreflectante. Al configurar múltiples láseres y espejos, la cantidad de pérdida de energía se minimiza, además, dado que las lentes están recubiertas con material antirreflectante, la intensidad de la luz permanece relativamente igual desde que sale del láser hasta que golpea la oblea.

Los láseres se han utilizado para generar indirectamente luz UV extrema no coherente (EUV) a 13,5 nm para la litografía ultravioleta extrema. La luz EUV no es emitida por el láser, sino por un plasma de estaño o xenón que es excitado por un excimer o CO₂láser. La fabricación de tamaños de características de 10 nm se ha demostrado en entornos de producción, pero aún no a las velocidades necesarias para la comercialización. Sin embargo, esto se espera para 2016. Esta técnica no requiere un sincrotrón y las fuentes EUV, como se señaló, no producen luz coherente. Sin embargo, se necesitan sistemas de vacío y una serie de tecnologías novedosas (incluidas energías EUV mucho más altas que las que se producen ahora) para trabajar con UV en el límite del espectro de rayos X (que comienza en 10 nm). A partir de 2020, EUV está en uso de producción en masa por parte de fundiciones de vanguardia como TSMC y Samsung.

Teóricamente, una fuente de luz alternativa para la fotolitografía, especialmente si las longitudes de onda continúan disminuyendo hasta los rayos UV o X extremos, es el láser de electrones libres (o se podría decir xaser para un dispositivo de rayos X). Los láseres de electrones libres pueden producir haces de alta calidad en longitudes de onda arbitrarias.

También se aplicaron láseres de femtosegundo visibles e infrarrojos para la litografía. En ese caso, las reacciones fotoquímicas se inician por absorción multifotónica. El uso de estas fuentes de luz tiene muchos beneficios, incluida la posibilidad de fabricar objetos 3D reales y procesar materiales similares al vidrio no fotosensibilizados (puros) con una excelente resistencia óptica.

Métodos experimentales

La fotolitografía ha estado derrotando las predicciones de su desaparición durante muchos años. Por ejemplo, a principios de la década de 1980, muchos en la industria de los semiconductores habían llegado a creer que las características de menos de 1 micrón no se podían imprimir ópticamente. Las técnicas modernas que utilizan la litografía con láser excimer ya imprimen características con dimensiones de una fracción de la longitud de onda de la luz utilizada, una hazaña óptica increíble. Las nuevas técnicas, como la litografía de inmersión, la resistencia de dos tonos y los patrones múltiples, continúan mejorando la resolución de la litografía de 193 nm. Mientras tanto, la investigación actual está explorando alternativas a la UV convencional, como la litografía por haz de electrones, la litografía por rayos X, la litografía ultravioleta extrema y la litografía por proyección de iones. La litografía ultravioleta extrema está en uso de producción en masa a partir de 2020 por Samsung.

Economía

En 2001, una publicación del NIST informó que el proceso de fotolitografía constituía alrededor del 35 % del costo total de los costos de procesamiento de una oblea.