La fotolitografía (también conocida como litografía óptica ) es un proceso que se utiliza en la fabricación de circuitos integrados . Implica el uso de luz para transferir un patrón a un sustrato, normalmente una oblea de silicio .
El proceso comienza con la aplicación de un material fotosensible, llamado fotorresistencia , sobre el sustrato. Luego se coloca una fotomáscara que contiene el patrón deseado sobre la fotorresistencia. Se proyecta luz a través de la fotomáscara, exponiendo la fotorresistencia en ciertas áreas. Las áreas expuestas sufren un cambio químico, volviéndolas solubles o insolubles en una solución reveladora. Después del revelado, el patrón se transfiere al sustrato a través de procesos de grabado , deposición química de vapor o implantación de iones .
Generalmente se utiliza luz ultravioleta (UV) . [1]
Los procesos de fotolitografía se pueden clasificar según el tipo de luz utilizada, incluyendo la litografía ultravioleta, la litografía ultravioleta profunda, la litografía ultravioleta extrema (EUVL) y la litografía de rayos X. La longitud de onda de la luz utilizada determina el tamaño mínimo de la característica que se puede formar en la fotorresistencia.
La fotolitografía es el método más común para la fabricación de semiconductores de circuitos integrados ("CI" o "chips"), como memorias de estado sólido y microprocesadores . Puede crear patrones extremadamente pequeños, de hasta unos pocos nanómetros de tamaño. Proporciona un control preciso de la forma y el tamaño de los objetos que crea. Puede crear patrones sobre una oblea entera en un solo paso, rápidamente 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 microfabricación en general, como la fabricación de sistemas microelectromecánicos . Sin embargo, la fotolitografía no se puede utilizar para producir máscaras en superficies que no sean perfectamente planas. Y, como todos los procesos de fabricación de chips, requiere condiciones de operación extremadamente limpias.
La fotolitografía es una subclase de la microlitografía , el término general para los procesos que generan películas delgadas con patrones. Otras tecnologías de esta clase más amplia incluyen el uso de haces de electrones orientables o, más raramente, nanoimpresión , interferencia , campos magnéticos o sondas de escaneo . En un nivel más amplio, puede competir con el autoensamblaje dirigido de micro y nanoestructuras. [2]
La fotolitografía comparte algunos principios fundamentales con la fotografía , ya que el patrón en la fotorresistencia se crea al exponerla 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 hacer placas de circuitos impresos . El nombre se originó a partir de una analogía vaga con el método fotográfico tradicional de producir placas para impresión litográfica en papel; [3] sin embargo, las etapas posteriores del proceso tienen más en común con el grabado que con la litografía tradicional.
Las fotorresistencias convencionales normalmente constan de tres componentes: resina, sensibilizador y disolvente.
Las raíces de las palabras foto , litografía y grafía tienen orígenes griegos y significan "luz", "piedra" y "escritura", respectivamente. Como sugiere el nombre compuesto por ellas, la fotolitografía es un método de impresión (basado originalmente en el uso de placas de impresión de piedra caliza) en el que la luz juega un papel esencial.
En la década de 1820, Nicéphore Niepce inventó un proceso fotográfico que utilizaba betún de Judea , un asfalto natural, como la primera fotorresistencia . Una fina capa de betún sobre una lámina de metal, vidrio o piedra se volvía menos soluble al exponerse a la luz; las partes no expuestas podían entonces enjuagarse con un disolvente adecuado, dejando al descubierto el material que se encontraba debajo, que luego se grababa químicamente en un baño de ácido para producir una placa de impresión. La sensibilidad a la luz del betún era muy pobre y se requerían exposiciones muy prolongadas, pero a pesar de la introducción posterior de alternativas más sensibles, su bajo costo y su excelente resistencia a los ácidos fuertes prolongaron su vida comercial hasta principios del siglo XX.
En 1940, Oskar Süß creó una fotorresistencia positiva utilizando diazonaftoquinona , que funcionaba de manera opuesta: el recubrimiento era inicialmente insoluble y se volvía soluble cuando se exponía a la luz. [4] En 1954, Louis Plambeck Jr. desarrolló la placa de impresión tipográfica polimérica Dycryl, que aceleró el proceso de fabricación de placas. [5] El desarrollo de fotorresistencias solía llevarse a cabo en lotes de obleas (procesamiento por lotes) sumergidas en un baño de revelador, pero las ofertas de procesos modernos realizan el desarrollo de una oblea a la vez (procesamiento de una sola oblea) para mejorar el control del proceso. [6]
En 1957, Jules Andrus patentó un proceso fotolitográfico para la fabricación de semiconductores, mientras trabajaba en Bell Labs. [7] [8] Al mismo tiempo, Moe Abramson y Stanislaus Danko del Cuerpo de Señales del Ejército de los EE. UU. desarrollaron una técnica para imprimir circuitos. [8]
En 1952, el ejército de los EE. UU. asignó a Jay W. Lathrop y James R. Nall en la Oficina Nacional de Normas (más tarde el Laboratorio de Espoletas de Artillería de Diamante del Ejército de los EE. UU. , que finalmente se fusionó para formar el ahora actual Laboratorio de Investigación del Ejército ) la tarea de encontrar una forma de reducir el tamaño de los circuitos electrónicos para que se ajusten mejor a los circuitos necesarios en el espacio limitado disponible dentro de una espoleta de proximidad . [9] Inspirado por la aplicación de fotorresistencia, un líquido fotosensible utilizado para marcar los límites de los orificios de los remaches en las alas metálicas de los aviones, Nall determinó que se puede utilizar un proceso similar para proteger el germanio en los transistores e incluso modelar la superficie con luz. [10] Durante el desarrollo, Lathrop y Nall tuvieron éxito en la creación de un circuito integrado híbrido miniaturizado en 2D con transistores utilizando esta técnica. [9] En 1958, durante la conferencia del Grupo Profesional de Dispositivos Electrónicos (PGED) del IRE en Washington, DC, presentaron el primer artículo para describir 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 modelado de dispositivos semiconductores. [10] [3]
A pesar de que la fotolitografía de componentes electrónicos se ocupa del grabado de 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" en lugar de "fotograbado" porque el primero sonaba a "alta tecnología". [9] Un año después de la conferencia, la patente de Lathrop y Nall sobre fotolitografía fue aprobada formalmente el 9 de junio de 1959. [11] La fotolitografía contribuiría más tarde al desarrollo de los primeros circuitos integrados de semiconductores, así como de los primeros microchips. [9]
Una única iteración de fotolitografía combina varios pasos en secuencia. Las salas blancas modernas utilizan sistemas automatizados de seguimiento de obleas robóticos para coordinar el proceso. [12] El procedimiento descrito aquí omite algunos tratamientos avanzados, como los agentes diluyentes. [13] El proceso de fotolitografía se lleva a cabo mediante el seguimiento de obleas y el escáner/escáner, y el sistema de seguimiento de obleas y el escáner/escáner están instalados uno al lado del otro. Los sistemas de seguimiento de obleas también se conocen como sistemas de recubrimiento/revelado de obleas, que realizan las mismas funciones. [14] [15] Los seguimientos de obleas reciben su nombre de las "pistas" que se utilizan para transportar las obleas dentro de la máquina, [16] pero las máquinas modernas no utilizan seguimientos. [15]
Si hay contaminaciones orgánicas o inorgánicas en la superficie de la oblea, generalmente se eliminan mediante un tratamiento químico húmedo, por ejemplo, el procedimiento de limpieza RCA basado en soluciones que contienen peróxido de hidrógeno . También se pueden utilizar otras soluciones elaboradas con tricloroetileno, acetona o metanol para la limpieza. [17]
La oblea se calienta inicialmente a una temperatura suficiente para eliminar cualquier 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 la bis(trimetilsilil)amina ("hexametildisilazano", HMDS) , para promover la adhesión de la fotorresistencia a la oblea. La capa superficial de dióxido de silicio en la oblea reacciona con el HMDS para formar dióxido de silicio trimetilado, una capa altamente repelente al agua no muy diferente 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 de fotorresistencia y la superficie de la oblea, evitando así el llamado levantamiento de pequeñas estructuras de fotorresistencia en el patrón (de revelado). Para asegurar el revelado de la imagen, es mejor cubrirla y colocarla sobre una placa caliente y dejarla secar mientras se estabiliza la temperatura a 120 °C. [18]
La oblea se cubre con líquido fotorresistente mediante recubrimiento por centrifugación . De este modo, la capa superior de la resina se expulsa rápidamente del borde de la oblea mientras que la capa inferior sigue arrastrándose lentamente de forma radial a lo largo de la oblea. De esta forma, se elimina cualquier "bulto" o "cresta" de la resina, dejando una capa muy plana. Sin embargo, las películas viscosas pueden dar lugar a grandes perlas de borde que son áreas en los bordes de la oblea o fotomáscara [19] con un mayor espesor de la resina cuya planarización tiene límites físicos. [20] A menudo, se lleva a cabo la eliminación de perlas de borde (EBR), normalmente con una boquilla, para eliminar esta resina adicional, ya que de lo contrario podría causar contaminación por partículas. [21] [22] [23] El espesor final también está determinado por la evaporación de los disolventes líquidos de la resina. Para características muy pequeñas y densas (< 125 nm aproximadamente), se necesitan espesores de resina más bajos (< 0,5 micrones) para superar los efectos de colapso en relaciones de aspecto altas; las relaciones de aspecto típicas son < 4:1.
La oblea recubierta de fotorresistencia se cuece previamente para eliminar el exceso de disolvente de fotorresistencia, normalmente a 90 a 100 °C durante 30 a 60 segundos en una placa calefactora. [24] Se puede aplicar un revestimiento BARC (revestimiento antirreflectante inferior) antes de aplicar la fotorresistencia, para evitar que se produzcan reflejos debajo de la fotorresistencia y para mejorar el rendimiento de la fotorresistencia en nodos semiconductores más pequeños, como 45 nm y menores. [25] [26] [27] También existen revestimientos antirreflectantes superiores (TARC). [28] La litografía EUV es única en el sentido de que permite el uso de fotorresistencias con óxidos metálicos. [29]
Después de la cocción previa, la fotorresistencia se expone a un patrón de luz intensa. La exposición a la luz provoca un cambio químico que permite eliminar parte de la fotorresistencia mediante una solución especial, llamada "revelador", por analogía con el revelador fotográfico . La fotorresistencia positiva, el tipo más común, se vuelve soluble en el revelador cuando se expone; con la fotorresistencia negativa, las regiones no expuestas son solubles en el revelador.
Antes del revelado se realiza un horneado posterior a la exposición (PEB), 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 resina amplificada químicamente (CAR). Esta resina es mucho más sensible al tiempo, la temperatura y el retardo de la PEB, ya que la resina funciona creando ácido cuando es golpeada por fotones y luego sufre una reacción de "exposición" (creando ácido, haciendo que el polímero sea soluble en el revelador básico y realizando una reacción química catalizada por ácido) que ocurre principalmente en la PEB. [30] [31]
La química del revelador se entrega en un centrifugador, de forma muy similar a la fotorresistencia. Originalmente, los reveladores solían contener 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 compuerta (en concreto, los iones de sodio pueden entrar y salir de la compuerta, modificando el voltaje umbral del transistor y haciendo que sea más difícil o más fácil encender el transistor con el tiempo). Ahora se utilizan reveladores sin iones metálicos, como el hidróxido de tetrametilamonio (TMAH). La temperatura del revelador se puede controlar estrictamente utilizando mangueras encamisadas (de doble pared) con una precisión de 0,2 °C. [6] La boquilla que recubre la oblea con el revelador puede influir en la cantidad de revelador necesaria. [32] [15]
La oblea resultante se "hornea" si se utilizó una resina fotorresistente no amplificada químicamente, normalmente a 120 a 180 °C [33] durante 20 a 30 minutos. El horneado duro solidifica la fotorresistencia restante, para crear una capa protectora más duradera en futuras implantaciones de iones , grabado químico húmedo o grabado de plasma .
Desde la preparación hasta este paso, el procedimiento de fotolitografía se ha llevado a cabo con dos máquinas: el fotolitografíador o escáner y el recubridor/revelador. Las dos máquinas suelen instalarse una al lado de la otra y están "conectadas" entre sí. [34] [27] [35]
En el grabado, un agente químico líquido ("húmedo") o de plasma ("seco") elimina la capa superior del sustrato en las áreas que no están protegidas por la fotorresistencia. En la fabricación de semiconductores , generalmente se utilizan técnicas de grabado en seco , ya que pueden hacerse anisotrópicas , para evitar un socavado significativo del patrón de la fotorresistencia. Esto es esencial cuando el ancho de las características que se van a definir es similar o menor que el espesor del material que se está grabando (es decir, cuando la relación de aspecto se acerca 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 "liberarse" de la capa subyacente.
El desarrollo de un proceso de grabado en seco anisotrópico de baja defectuosidad ha permitido que las características cada vez más pequeñas definidas fotolitográficamente en la resina se transfieran al material del sustrato.
Una vez que ya no se necesita una fotorresistencia, se la debe retirar del sustrato. Esto suele requerir un "decapante" líquido, que altera químicamente la fotorresistencia para que ya no se adhiera al sustrato. Alternativamente, la fotorresistencia se puede eliminar mediante un plasma que contenga oxígeno , que la oxida. Este proceso se denomina calcinación con plasma y se parece al grabado en seco. El uso del disolvente 1-metil-2-pirrolidona (NMP) para la fotorresistencia es otro método utilizado para eliminar una imagen. Cuando la fotorresistencia se ha disuelto, el disolvente se puede eliminar calentándolo a 80 °C sin dejar ningún residuo. [36]
Los sistemas de exposición suelen producir una imagen en la oblea mediante una fotomáscara . La fotomáscara bloquea la luz en algunas áreas y la deja pasar en otras. ( La litografía sin máscara proyecta un haz preciso directamente sobre la oblea sin utilizar una máscara, pero no se utiliza mucho en los procesos comerciales). Los sistemas de exposición se pueden clasificar según la óptica que transfiere la imagen desde 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 drenaje-fuente más preciso. [37]
Un alineador de contacto, el sistema de exposición más simple, coloca una fotomáscara en contacto directo con la oblea [38] y la expone a una luz uniforme. Un alineador de proximidad coloca un pequeño espacio de alrededor de 5 micrones entre la fotomáscara y la oblea. [38] En ambos casos, la máscara cubre toda la oblea y, simultáneamente, modela cada chip.
La impresión por contacto o litografía puede dañar tanto la máscara como la oblea [38] , y esta fue la razón principal por la que se abandonó para la producción en grandes volúmenes. Tanto la litografía por 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 se encuentran en la oblea. A medida 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 la litografía de contacto o de proximidad, ya que utiliza hardware económico y puede lograr una alta resolución óptica. La resolución en la litografía de proximidad es aproximadamente la raíz cuadrada del producto de la longitud de onda por 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 espesor de la propia fotorresistencia). Además, la litografía por nanoimpresión puede reavivar el interés en esta técnica tan conocida, especialmente porque se espera que el costo de propiedad sea bajo; sin embargo, las deficiencias de la impresión por contacto que se analizaron anteriormente siguen siendo un desafío.
La litografía de integración a muy gran escala (VLSI) utiliza sistemas de proyección. A diferencia de las máscaras de contacto o proximidad, que cubren una oblea entera, las máscaras de proyección (conocidas como "retículas") muestran solo una matriz de matrices (conocida como "campo") en una porción de la oblea a la vez. Los sistemas de exposición por proyección (escaladores o escáneres) proyectan la máscara sobre la oblea muchas veces, cambiando la posición de la oblea con cada proyección, para crear el patrón completo, modelando completamente la oblea. La diferencia entre los escalonadores y los escáneres es que, durante la exposición, un escáner mueve la fotomáscara y la oblea simultáneamente, mientras que un escalonador solo mueve la oblea. Los alineadores de máscara de contacto, proximidad y proyección precedieron a los escalonadores [39] [40] y no mueven la fotomáscara ni la oblea durante la exposición y usan máscaras que cubren toda la oblea. Los escáneres de litografía por inmersión usan una capa de agua ultrapura entre la lente y la oblea para aumentar la resolución. Una alternativa a la fotolitografía es la litografía por nanoimpresión . El tamaño máximo de la imagen que se puede proyectar sobre una oblea se conoce como límite de retícula.
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 sobre un cuadrado de sustrato 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 rayos e) 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. En los lugares donde la fotorresistencia de la máscara está expuesta, el cromo se puede eliminar, dejando un camino libre para que la luz de iluminación del sistema de escáner/motor paso a paso pueda pasar a través de él.
La capacidad de proyectar una imagen clara de una pequeña característica sobre 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 última generación 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 permiten tamaños de características mínimos de hasta 50 nm. Por lo tanto, la litografía láser excimer ha desempeñado un papel fundamental en el avance continuo de la Ley de Moore durante los últimos 20 años (ver a continuación [41] ).
El tamaño mínimo de característica que un sistema de proyección puede imprimir viene dado aproximadamente por:
donde es el tamaño mínimo de la característica (también llamado dimensión crítica , regla de diseño del objetivo o " medio paso "), es la longitud de onda de la luz utilizada y es la apertura numérica de la lente vista desde la oblea.
(comúnmente llamado factor k1 ) es un coeficiente que encapsula factores relacionados con el proceso y normalmente es igual a 0,4 para la producción. ( en realidad, es una función de factores del proceso, como el ángulo de la luz incidente en una retícula y la distribución de la intensidad de la luz incidente. Es fijo por proceso). El tamaño mínimo de la característica se puede reducir disminuyendo este coeficiente a través de la litografía computacional .
Según 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 enfrenta a una limitación competitiva. En los sistemas modernos, la profundidad de enfoque también es una preocupación:
Aquí hay otro coeficiente relacionado con el proceso. La profundidad de enfoque restringe el espesor de la fotorresistencia y la profundidad de la topografía en la oblea. El pulido químico-mecánico se utiliza a menudo para aplanar la topografía antes de los pasos litográficos de alta resolución.
Según la óptica clásica, k1=0,61 según el criterio de Rayleigh . [42] La imagen de dos puntos separados por menos de 1,22 longitudes de onda/AN no mantendrá esa separación, sino que será más grande 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. [43]
La resolución tampoco es trivial en un contexto bidimensional. Por ejemplo, una distancia entre líneas más estrecha da como resultado espacios más amplios (en la dirección perpendicular) entre los extremos de las líneas. [44] [45] Más fundamentalmente, los bordes rectos se redondean para las características rectangulares acortadas, donde las distancias entre x e y están cerca del límite de resolución. [46] [47] [48] [49]
En el caso de 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 se obtiene mediante el desenfoque sigma/0,14. [50] El desenfoque se ve afectado por la dosis [51] [52] [53] así como por el rendimiento cuántico, [54] lo que lleva a una compensación con defectos estocásticos, en el caso de EUV. [55] [56] [57]
Como la luz está formada por 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/nm 2 . [58] 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 que componen la imagen, hay ruido en la colocación de los bordes. [59]
Los efectos estocásticos se volverían más complicados con patrones de tono más grandes con más órdenes de difracción y utilizando más puntos de fuente de iluminación. [60] [61]
Los electrones secundarios en la litografía EUV agravan las características estocásticas. [62]
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 a lo largo de 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 ("línea i"). Sin embargo, con la necesidad de la industria de semiconductores tanto de una mayor resolución (para producir chips más densos y rápidos) como de un mayor rendimiento (por menores costos), las herramientas de litografía basadas en lámparas ya no podían satisfacer los requisitos de alta gama de la industria.
Este desafío se superó en 1982 cuando Kanti Jain propuso y demostró la litografía láser excimer en IBM. [63] [64] [ 65] [66] Las máquinas de litografía láser excimer (pasos y escáneres) se convirtieron en las herramientas principales 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. [67] [68] Desde una perspectiva científica y tecnológica aún más amplia, en los 50 años de historia del láser desde su primera demostración en 1960, la invención y el desarrollo de la litografía láser excimer han sido reconocidos como un hito importante. [69] [70] [71]
Los láseres excimer ultravioleta profundo más utilizados en los sistemas de litografía son el láser de fluoruro de criptón (KrF) con una longitud de onda de 248 nm y el láser de fluoruro de argón (ArF) con 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 proveedor dominante de fuentes de luz láser excimer para los fabricantes de equipos de litografía, con Gigaphoton Inc. como su rival más cercano. Generalmente, un láser excimer está diseñado para funcionar con una mezcla de gases específica; por lo tanto, cambiar la longitud de onda no es una cuestión trivial, ya que el método de generación de 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; pasar 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 utilizar una atmósfera de gas inerte como sustituto del vacío, para evitar la necesidad de tuberías rígidas. 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 causan una carga adversa.
La litografía óptica se ha extendido a tamaños de elementos inferiores a 50 nm utilizando el láser excimer ArF de 193 nm y técnicas de inmersión en líquido. También denominada litografía de inmersión , permite el uso de ópticas con aperturas numéricas superiores a 1,0. El líquido utilizado es normalmente 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 aperturas numéricas de hasta ~1,4, pero los fluidos con índices de refracción más altos permitirían aumentar aún más la apertura numérica efectiva.
Se han construido herramientas experimentales que utilizan la longitud de onda de 157 nm del láser excimer F2 de una manera similar a los sistemas de exposición actuales. En su día, estas herramientas estaban destinadas a reemplazar a la litografía de 193 nm en el nodo de tamaño de característica de 65 nm, pero ahora han sido prácticamente eliminadas 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 continuo de la tecnología de litografía con láser excimer de 193 nm. La litografía de inmersión de alto índice es la extensión más reciente de la litografía de 193 nm que se debe considerar. En 2006, IBM demostró características de menos de 30 nm utilizando esta técnica. [72] Estos sistemas usaban lentes de fluoruro de calcio CaF2. [ 73] [74] Se exploró la litografía de inmersión a 157 nm. [75]
Los láseres excimer UV han demostrado su eficacia hasta aproximadamente 126 nm (para Ar 2 *). 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 basados en gases 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 instalar múltiples láseres y espejos, se minimiza la cantidad de pérdida de energía; además, como 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. [76]
Los láseres se han utilizado para generar indirectamente luz ultravioleta extrema (EUV) no coherente 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 láser excimer o de CO 2 . [77] 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 borde del espectro de rayos X (que comienza a 10 nm). A partir de 2020, EUV se utiliza en producción en masa en fundiciones de vanguardia como TSMC y Samsung.
En teoría, una fuente de luz alternativa para la fotolitografía, especialmente si las longitudes de onda continúan disminuyendo hasta llegar a los rayos X o UV 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.
Los láseres de femtosegundos visibles e infrarrojos también se han aplicado a la litografía. En ese caso, las reacciones fotoquímicas se inician mediante la absorción multifotónica. El uso de estas fuentes de luz tiene muchas ventajas, incluida la posibilidad de fabricar objetos tridimensionales reales y procesar materiales similares al vidrio no fotosensibilizado (puro) con una excelente resiliencia óptica. [78]
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 semiconductores habían llegado a creer que las características más pequeñas de 1 micrón no podían imprimirse ópticamente. Las técnicas modernas que utilizan la litografía láser excimer ya imprimen características con dimensiones de una fracción de la longitud de onda de la luz utilizada, una hazaña óptica asombrosa. Nuevas técnicas como la litografía de inmersión , la resistencia de doble tono y el patrón múltiple 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 de rayos X , la litografía ultravioleta extrema y la litografía de proyección de iones . La litografía ultravioleta extrema ha entrado en uso de producción en masa, a partir de 2018 por Samsung [79] y otros fabricantes han seguido su ejemplo.
La litografía por haz de electrones masivamente paralela se ha explorado como una alternativa a la fotolitografía y fue probada por TSMC, pero no tuvo éxito y la tecnología del desarrollador principal de la técnica, MAPPER, fue adquirida por ASML, aunque la litografía por haz de electrones se utilizó en un momento en la producción de chips por IBM. [80] [81] La litografía por haz de electrones solo se utiliza en aplicaciones de nicho como la producción de fotomáscaras. [82] [83] [84] [85] [86]
En una publicación del NIST de 2001 se informó que el proceso de fotolitografía constituía aproximadamente el 35% del costo total de procesamiento de una oblea. [87] : 11
En 2021, la industria de la fotolitografía se valoró en más de 8 mil millones de dólares. [88]
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