Фотолитографиялық жабдықтар және интегралдық схемалар өндірісінің эволюциясы

Кіріспе

Фотолитографиялық құрал
мотордың түрі

Степпер немесе пластиналық степпер – интегралдық схемаларды (ИС) өндіруде қолданылатын құрылғы. Ол фотолитография процесінің маңызды бөлігі болып табылады, бұл процесте кремний пластиналарының бетіне миллиондаған микроскопиялық схема элементтері жаратылады, олардан микрочиптер жасалады. Оның жұмыс принципі слайд-проекторға немесе фотосурет үлкейту құрылғысына ұқсас. Осы ИС компьютер процессорларының, жад чиптерінің және көптеген басқа да электрондық құрылғылардың негізгі бөлігін құрайды. Степпер – «қадам және қайталау камерасы» деген сөздің қысқартылған түрі. Степпер 1970 жылдардың соңында пайда болды, бірақ 1980 жылдарға дейін кеңінен қолданылмады. Бұл оның бұрынғы технологияны – маска туралау құрылғысын (aligner) ығыстыруының себебі болды. Маска туралау құрылғылары пластинаның бүкіл бетін бірден бейнелейтін, бір операцияда көптеген чиптерді шығаратын. Ал степпер бір уақытта тек бір чипті ғана бейнелейтін, сондықтан жұмыс істеуі әлдеқайда баяу болды. Мур заңының талаптары кішірек элемент өлшемдерін пайдалануды қажет еткенде, степпер ақырында маска туралау құрылғысын толығымен ығыстырды. Степпер бір уақытта бір чипке ғана бейне түсіретіндіктен, ол жоғарырақ ажыратымдылықты қамтамасыз етті және 1 микрон шегінен асатын алғашқы технология болды. Автоматты сәйкестендіру жүйелерін қосу бірнеше ИС-ті бейнелеуге қажетті орнату уақытын қысқартты, ал 1980 жылдардың соңына қарай степпер жоғары деңгейдегі нарықта маска туралау құрылғысын толығымен алмастырды. Степпердің өзі «қадам және сканерлеу» жүйелерімен (сканерлермен) ауыстырылды, олар ажыратымдылықты тағы бір есе арттырды. «Қадам және сканерлеу» жүйелері жеке ИС үшін масканың кішкентай бөлігін сканерлеу арқылы жұмыс істейді, сондықтан бастапқы степперлерге қарағанда жұмыс уақыты әлдеқайда ұзақ. «Қадам және сканерлеу» жүйелері 1990 жылдары кеңінен таралды және 2000 жылдары дерлік барлық жерде қолданылатын болды. Бүгінде «қадам және сканерлеу» жүйелері соншалықты кең таралғандықтан, оларды көбінесе жай ғана степпер деп атайды. «Қадам және сканерлеу» жүйесінің мысалы – ASML компаниясының PAS 5500 құрылғысы.

Тарих

1957 ж.: Электрондық схемаларды кішірейтуге жасалған әрекеттер 1957 жылы АҚШ армиясының Diamond Ordnance Fuze Laboratories мекемесінде Джей Латроп пен Джеймс Наллға US2890395A патенті беріліп, фотолитографиялық техниканы пайдалану арқылы керамикалық тақтаға дискретті транзисторларды қосу үшін қолданылатын жұқа металл жолақтарын жасайтын мүмкіндік туды. Сондай-ақ, бұл техника кремний диоксиді (SiO2) қабаттарында диодтар тізімдерін микрожасау үшін тесіктер ашуға қолданылды. Кейін, 1959 жылы Латроп «Texas Instruments» компаниясына, Джек Килбиге жұмысқа түсті, ал Налл «Fairchild Semiconductor» компаниясына қосылды. 1958 ж.: Олардың жұмыстарының негізінде Джей Ласт пен Роберт Нойс «Fairchild Semiconductor» компаниясында фотолитографияны қолдана отырып, бір вафлиде транзисторлардың бірдей үлгілерін қайталайтын алғашқы «қадам және қайталау» камераларының бірін құрды. Кейін компания «GCA Corporation/Mann» және «Perkin Elmer» компанияларына сатылды. Бұл машинаның өнімділігі бір уақытта 2 дюймдік бір вафлині өңдеуге жететін. «Cobilt» компаниясы, сонымен қатар шетелде де сауда жасады және Азияда (Гонконг, Корея және т.б.) зауыттары болды, ал Еуропада бастапқыда «Advanced Semiconductor Materials (ASM)» деп аталған компания арқылы өкілдік етілді, ол Голландияда 1960 жылдардың ортасында «ASML» компаниясын құрды. Шамамен 1971 жылы «Cobilt» компаниясы «Computervision» компаниясымен сатып алынды, ол «Cobilt» машинасының автоматтандырылуын күрт арттырды. 1973 ж.: «Perkin Elmer» компаниясы «Micralign» проекциялық тегістегішін ұсынды. Бұл жаңалық ақаулы чиптердің санын азайтуға және осылайша өнімділіктің төмендеуіне жол бермей, чиптердің бағасын төмендету арқылы интегралды схемалар индустриясын дамытуға көмектесті. «GCA» компаниясы 1975 жылы «DSW 4800» атты алғашқы табысты қадамдық машинаны ұсынды. Ол сол кездегі кез келген жүйеге қарағанда жақсырақ, 1 микрондық сынды өлшемге жете алды.

Степпердің фотолитографиядағы рөлі

Интегралды схемалар фотолитографиялық процесс арқылы жасалады. Бұл процесс жартылай өткізгіш материалдан жасалған, жоғары тазартылған үлкен цилиндрлі кристалл – бульден басталады. Бульден жұқа кесінділер кесіліп дискілер жасалады, содан кейін бастапқы өңдеуден өтіп, кремнийлі пластинка дайындалады. Интегралды схемада құрылатын тізбек элементтері шыны немесе пластик пластинаның бетінде фотомаска немесе ретикул деп аталатын мөлдір және мөлдір емес аймақтардың үлгісі түрінде көшіріледі. Пластинка фотосезімтал материал – фоторезистпен қапталады. Маска пластинканың үстіне орнатылып, әдетте ультракөк сәуле арқылы жарық шашыратылады. Жарыққа ұшырау процеске байланысты резистің бөліктерін қатайтады немесе жұмсартады. Экспозициядан кейін пластинка фотопленка сияқты проявкаланады, нәтижесінде фоторезист жарық мөлшеріне қарай белгілі бір аймақтарда еріп кетеді. Фоторезистің бар және жоқ аймақтары ретикулдағы үлгіні қайталайды. Проявкаланған пластинка кейін еріткіштерге ұшыратылады. Еріткіш фоторезист қаптамасымен қорғалмаған пластинканың бөліктеріндегі кремнийді жояды. Кремнийдің электрлік қасиеттерін өзгерту үшін басқа химиялық заттар қолданылады. Содан кейін пластинка тазаланып, қайтадан фоторезистпен қапталып, схеманы кремнийге қабаттама-қабаттама құру үшін процестен өтеді. Толық процесс аяқталғаннан кейін пластинка жеке чиптерге кесіледі, сынақтан өтеді және сатуға дайындалады.

Түзгіштер мен қадамшылдар

Степперлерден бұрын пластиналар маскаларды туралау құралдарымен ашық орналастырылды, бұл бүкіл пластинаны бірден өрнектендірді. Бұл жүйелер үшін маскалар маска бойында өрнектелген көптеген жеке интегралдық схемаларды (ИС) қамтиды. Әр қадам арасында оператор микроскоп арқылы пластинаны келесі қолданылатын маскамен дәлдестіреді. 1970 жылдары туралау құралдары әдетте 1:1 үлкейтумен жұмыс істеді, бұл пластинадағы егжей-тегжейлілік деңгейін маскада жасалатын деңгеймен шектеді. Мур заңына сәйкес, элементтердің өлшемдері кішірейген сайын, осы күрделі көп чипті маскаларды жасау өте қиын болды. 1975 жылы GCA маска жасау процесін жеңілдеткен алғашқы қадамдық және сканерлеу камерасын ұсынды. Бұл жүйеде бір аталық маска, яғни ретикул, механикалық тұрақты болуы үшін үлкен масштабта жасалды. Бұл фотопроектор арқылы бейнеленді, проекцияланған бейне 5-10 есе кішірейтілді. Механизм ретикулды фототәсілге түсіріп, ретикулды басқа позицияға жылжытып, осы процесті қайталап отырды. Нәтижесінде маскада бастапқы ретикулдың көптеген дәл көшірмелері болды. GCA аппаратты тікелей пластинаға жатқызу жүйесі ретінде дамытуды жалғастырды, ретикулдан маска жасау қажеттілігін жойып, оның орнына ретикулды тікелей пластинаны ашу үшін пайдаланды. Ретикул соңғы бейнеден әлдеқайда үлкен масштабта болғандықтан, бұрын масканың өзінің ажыратымдылығымен шектелген ажыратымдылықты жақсартуға болады. Бүкіл пластинаны өрнектеу үшін маска пластина бетімен бірнеше рет жылжытылады немесе қадаммен жылжытылады. Бұл қадамдық механизмнің өте дәл болуын қажет етеді, дәл туралауды талап етеді. Туралау процесі әдетте автоматтандырылады, қолмен басқаруды жояды. Әрбір экспозиция туралау құралындағы бүкіл маска сияқты көп уақыт алатындықтан, степперлер туралау құралдарына қарағанда пайдалануға баяу, сондықтан туралау құралдары жоғары ажыратымдылық қажет болмайтын жағдайларда қолданылады. Степперлер туралау құралдарына қарағанда ажыратымдылықты бірнеше есе арттырды және 1 микроннан кіші элементтерді жасауға мүмкіндік берген алғашқы жүйелер болды. Алайда, Мур заңының үздірсіз дамуы өнеркәсіпті проекция жүйесінде мүмкін болатын ең жоғары үлкейтулер элементтердің өлшемдерін одан әрі кішірейтуге жеткіліксіз болған деңгейге жеткізді. Бұл 1990 жылы қадамдық және сканерлік жүйелерді енгізуге әкелді, олар степпер жүйесін бір уақытта масканың тек бір бөлігін бейнелейтін сканермен біріктіреді. Бұл масканың кішкентай бөлігіне жақсырақ фокус беруге мүмкіндік береді, бірақ сонымен қатар ИС өндіріс процесін баяулатады. 2008 жылдың мәліметтері бойынша, қадамдық және сканерлік жүйелер жоғары деңгейдегі жартылай өткізгіш құрылғыларын жасау үшін ең көп қолданылатын жүйелер болып табылады.

Before steppers, wafers were exposed using mask aligners, which patterned the entire wafer at once. Masks for these systems would contain many individual ICs patterned across the mask. Between each step, the operator would use a microscope to align the wafer with the next mask to be applied. During the 1970s, aligners generally worked at a one to one magnification, which limited the amount of detail on the wafer to about whatever could be produced on the mask. As feature sizes shrank, following Moore's law, the construction of these complex multi chip masks became very difficult. In 1975, GCA introduced the first step and scan camera, which simplified the process of making masks. In this system, a single parent mask, known as the reticle, was produced at large scale so it could be mechanically robust. This was imaged through a photographic projector, shrinking the projected image 5 to 10 times. The mechanism imaged the reticle onto a photographic plate, moved the reticle to another position, and repeated this process. The result was a mask containing many precise images of the original reticle pattern. GCA continued development of the hardware as a direct to wafer system, eliminating the need to produce a mask from the reticle and instead using the reticle to expose the wafer directly. Because the reticle was at a much larger scale than the final image, the resolution could be improved, as this was formerly limited to the resolution of the mask itself. To pattern the entire wafer, the mask is repeatedly moved, or stepped, across the surface of the wafer. This requires the stepping mechanism to be incredibly accurate, demanding precise alignment. The alignment process is normally automated, eliminating manual operation. As each exposure takes as long as the entire mask in an aligner, steppers are inherently slower to use than aligners, so aligners remain in use for roles where higher resolutions are not required. Steppers increased the possible resolution many times over that of the aligners and were the first systems to allow features smaller than 1 micron. However, the relentless drive of Moore's law pushed the industry to the point where even the maximum magnifications possible in the projection system were not enough to continue shrinking the feature sizes. This led to the 1990 introduction of the step and scan systems, which combine a stepper system with a scanner that images only a portion of the mask at a time. Doing so allows much better focus over the tiny part of the mask, although it also makes the IC production process much slower. As of 2008, step and scan systems are the most widely used systems for high end semiconductor device fabrication.

Негізгі бөлшектер

Әдеттегі қадамдық құрылғыда келесі кіші жинақтар болады: пластина жүктеуіш, пластина сатысы, пластина туралау жүйесі, ретикула жүктеуіш, ретикула сатысы, ретикула туралау жүйесі, редукциялық линза және жарықтандыру жүйесі. Пластинаға басылатын әр қабатқа арналған процесс бағдарламалары, процесс бағдарламасын сақтайтын, оқитын және бағдарлама нұсқауларын орындау үшін қадамдық құрылғының әртүрлі кіші жинақтарымен байланысатын компьютерге негіделген басқару жүйесімен орындалады. Қадамдық құрылғының компоненттері герметикалық камерада орналасқан, онда температура тұрақты түрде сақталады, бұл температура өзгерісіне байланысты пластинаның кеңеюі немесе жиырылуы салдарынан басылған суреттерде бұрмаланудың алдын алуға мүмкіндік береді. Камерада сондай-ақ процесске қолдау көрсететін басқа да жүйелер бар, мысалы, кондиционер, қуат көздері, әртүрлі электрлік компоненттерге арналған басқару тақталары және т.б.

Негізгі жұмыс

Кремнийлі пластиналар фоторезистпен қапталады және бірнеше пластинаны сыйыратын кассетаға немесе "қайыққа" орналастырылады. Бұл, әдетте, степпердің төменгі жағында орналасқан пластина жүктеуіш деп аталатын степпердің бөлігіне орналастырылады. Пластина жүктеуіштегі робот кассетадан бір пластинаны алып, оны пластина сатысына жүктейді, онда ол кейінірек болатын нақтырақ дұрыстау процесіне дайындалады. Әр чиптің схемасы мөлдір кварцтан жасалған пластинаға жазылған хромды ретикулда сақталады. Степперлерде қолданылатын ретикулдың стандартты мөлшері 6 дюйм шаршы, ал пайдалануға болатын аймағы 104 мм x 132 мм. Процестің әр кезеңіне сәйкес келетін әртүрлі ретикулдар ретикул жүктеуішіндегі тіректе, әдетте степпердің жоғарғы жағында орналасқан. Пластинаға әсер ету алдында робот ретикул сатысына ретикулды жүктейді, онда ол өте дәл орналасады. Бір ретикулды көптеген пластиналарды әсер ету үшін пайдалануға болады, сондықтан ол бірнеше пластинаны әсер ету алдында бір рет жүктеледі және уақыт-уақытпен қайта дұрысталады. Пластина мен ретикул орналасқаннан және дұрыстағаннан кейін, пластина сатысы X және Y бағыттарында (алдыңғы жағынан артқа және солдан оңға) өте дәл қозғалады, бұл үшін құрт бұрандалары немесе сызықтық моторлар қолданылады, пластинаны линзаның астында, тікелей ретикулдың астында орналасқан көптеген үлгілердің (немесе "суреттердің") біріншісіне жеткізеді. Пластина пластина сатысына орналастырылғаннан кейін дұрыстау жүргізілсе де, бұл дұрыстау пластинаға басылатын схема қабатының бұрыннан бар қабаттарға дәл жабысуын қамтамасыз ету үшін жеткіліксіз. Сондықтан әрбір сурет әрбір соңғы интегралды схема чипінің үлгісінде орналасқан арнайы дұрыстау белгілерін пайдаланып дұрысталады. Бұл нақты дұрыстау аяқталғаннан кейін, сурет степпердің жарықтандыру жүйесінен шыққан жарықпен әсер етеді, ол ретикул арқылы, кішірейту линзасы арқылы және пластинаның бетіне өтеді. Процесс бағдарламасы немесе "рецепт" әсер ету ұзақтығын, қолданылатын ретикулды, сондай-ақ әсер етуге әсер ететін басқа да факторларды анықтайды. Әрбір сурет пластинада торлы үлгімен орналасқан және пластина линзаның астында алға-артқа жылжығанда кезекпен әсер етеді. Пластинадағы барлық суреттерге әсер етілгеннен кейін, пластина жүктеуші робот пластинаны түсіреді, ал сахнада басқа пластинаның орны болады. Әсер етілген пластина ақырында фоторезистті өшіретін құрылғыға көшіріледі, онда оның бетіндегі фоторезист ретикул арқылы өткен жарыққа ұшыраған-ұшырамағанына байланысты фоторезисттің аймақтарын жуу үшін химиялық заттарға ұшырайды. Содан кейін пайда болған бет фотолитографияның басқа процестеріне ұшырайды.

The silicon wafers are coated with photoresist, and placed in a cassette or "boat" that holds a number of wafers. This is then placed in a part of the stepper called the wafer loader, usually located at the lower front of the stepper. A robot in the wafer loader picks up one of the wafers from the cassette and loads it onto the wafer stage where it is aligned to enable another, finer alignment process that will occur later on. The pattern of the circuitry for each chip is contained in a pattern etched in chrome on the reticle, which is a plate of transparent quartz. A typical reticle used in steppers is 6 inches square and has a usable area of 104mm by 132mm. A variety of reticles, each appropriate for one stage in the process, are contained in a rack in the reticle loader, usually located at the upper front of the stepper. Before the wafer is exposed a reticle is loaded onto the reticle stage by a robot, where it is also very precisely aligned. Since the same reticle can be used to expose many wafers, it is loaded once before a series of wafers is exposed, and is realigned periodically. Once the wafer and reticle are in place and aligned, the wafer stage, which is moved very precisely in the X and Y directions (front to back and left to right) by worm screws or linear motors, carries the wafer so that the first of the many patterns (or "shots") to be exposed on it is located below the lens, directly under the reticle. Although the wafer is aligned after it is placed on the wafer stage, this alignment is not sufficient to ensure that the layer of circuitry to be printed onto the wafer exactly overlays previous layers already there. Therefore, each shot is aligned using special alignment marks that are located in the pattern for each final IC chip. Once this fine alignment is completed, the shot is exposed by light from the stepper's illumination system that passes through the reticle, through a reduction lens, and on to the surface of the wafer. A process program or "recipe" determines the length of the exposure, the reticle used, as well as other factors that affect the exposure. Each shot located in a grid pattern on the wafer and is exposed in turn as the wafer is stepped back and forth under the lens. When all shots on the wafer are exposed, the wafer is unloaded by the wafer loader robot, and another wafer takes its place on the stage. The exposed wafer is eventually moved to a developer where the photoresist on its surface is exposed to developing chemicals that wash away areas of the photoresist, based on whether or not they were exposed to the light passing through the reticle. The developed surface is then subjected to other processes of photolithography.

Жарықтандыру және ажырату қабілетін жақсартудың қиындықтары

Пластина бетіндегі ең нәзік сызықтарды жасау мүмкіндігіне ең үлкен шектеу – экспозиция жүйесінде қолданылатын жарықтың толқын ұзындығы болды. Қажетті сызықтар тарлау келе жатқанда, прогрессивті түрде қысқа толқын ұзындығы бар жарық шығаратын жарықтандыру көздері қадамдық және сканерлерде қолдануға енгізілді. Конвенциялық жарық негізіндегі литографияға балама ретінде наноимпринт литографиясы қолданылады. Степпер сияқты экспозиция жүйесінің тар сызықтарды ажырату қабілеті жарықтандыру үшін қолданылатын жарықтың толқын ұзындығымен, линзаның жарықты (немесе дифракция реттерін) қабылдау қабілетімен (сандық апертура немесе С.А.) және процестің өзін жақсарту арқылы шектеледі. Бұл келесі теңдеумен көрсетіледі: , мұнда – сындық өлшем, яғни ең ұсақ ажыратылатын сызық, – процеске байланысты факторларды көрсететін коэффициент, – жарықтың толқын ұзындығы, ал – сандық апертура. Жарықтандыру жүйесіндегі жарықтың толқын ұзындығын қысқарту степпердің ажырату күшін арттырады. Жиырма жыл бұрын, сынап спектрінің "g сызығы" (436 нм) сынап шамдарын жарық көзі ретінде пайдаланған степперлерде 750 нм диапазонындағы сызықтар жасалды. Бірнеше жылдан кейін, 350 нм-ге дейін сызықтар жасау үшін сынап шамдарынан алынған ультракөк сәулелі "i сызығын" (365 нм) пайдаланатын жүйелер енгізілді. Қажетті сызық ендері жақындағанда және тіпті жасау үшін қолданылатын жарықтың толқын ұзындығынан тар бола бастағанда, бұны іске асыру үшін фазалық ығысу торлары және экспозициялық жарықтың бұрыштарын басқарудың әртүрлі әдістері сияқты ажыратымдылықты арттыру әдістері әзірленді, осылайша линзаның ажырату қабілетін максималды деңгейге жеткізуге болады. Бірақ, ақырында, қажетті сызық ендері сынап шамдарын пайдалану арқылы мүмкін болатын шектен тар болды, сондықтан 2000 жылдардың ортасында жартылай өткізгіш өнеркәсібі криптон фториді (KrF) эксимерлік лазерлерін қолданатын степперлерге көшті, олар 248 нм жарық шығарды. Мұндай жүйелер қазір 110 нм диапазонындағы сызықтарды жасау үшін қолданылады. Аргон фториді (ArF) эксимерлік лазерлерін пайдаланатын, 193 нм толқын ұзындығы бар жарық шығаратын өндірістік степперлер 32 нм-ге дейін сызықтарды ажырата алады. Фторлы (F2) лазерлер 157 нм жарық шығаратын болғанымен, олардың төмен қуаты және фоторезист пен степперде қолданылатын басқа материалдарды тез тозуына байланысты практикалық емес. Бұл толқын ұзындығы бұдан қысқа жарық көздері қол жетімді болмағандықтан, өндірушілер жарықтандыру жүйесі мен тор арқылы өтетін жарықты басқару әдістерін одан әрі жетілдіру арқылы, сондай-ақ экспозициядан бұрын және кейін пластинаны өңдеу әдістерін жақсарту арқылы процестік коэффициентті қысқартуға тырысты. Сонымен қатар, өндірушілер сандық апертураны арттыру үшін үлкен және қымбат линзаларды енгізді. Дегенмен, бұл әдістер олардың практикалық шегіне жақындап қалды және 45 нм диапазонындағы сызық ендері конвенциялық дизайнмен қол жеткізілетін ең жақсы нәтиже болып көрінеді. Соңында, электрондық сәулелер, рентген сәулелері немесе көрінетін жарықтан әлдеқайда қысқа толқын ұзындығы бар басқа электромагниттік энергия көздері сияқты басқа жарықтандыру көздерін пайдалану қажет болады. Алайда, жаңа жарықтандыру технологиясын қабылдаудың жоғары шығындары мен қиындықтарын мүмкіндігінше ұзаққа созу үшін, өндірушілер бұрын микроскоптарда қолданылған, линзаның сандық апертурасын жарықтың ауаның орнына су арқылы өтуіне рұқсат беру арқылы арттыру әдісіне жүгінді. Бұл әдіс – суға батырып литография – қазіргі заманғы практикалық өндіріс технологиясының ең соңғы жетістігі. Бұл әдіс жұмыс істейді, өйткені сандық апертура линзаға кіретін жарықтың ең үлкен бұрышының және жарық өтетін ортаның сындыру көрсеткішінің функциясы болып табылады. Су орта ретінде қолданылғанда, ол сандық апертураны айтарлықтай арттырады, өйткені оның 193 нм-де сындыру көрсеткіші 1,44-ке тең, ал ауаның көрсеткіші 1,0003-ке тең. Осы технологияны қолданатын қазіргі өндіріс машиналары 32 нм диапазонындағы сызықтарды ажырата алады және болашақта 30 нм сызықтарға қол жеткізе алады.

The greatest limitation on the ability to produce increasingly finer lines on the surface of the wafer has been the wavelength of the light used in the exposure system. As the required lines have become narrower and narrower, illumination sources producing light with progressively shorter wavelengths have been put into service in steppers and scanners. An alternative to conventional light based lithography is nanoimprint lithography. The ability of an exposure system, such as a stepper, to resolve narrow lines is limited by the wavelength of the light used for illumination, the ability of the lens to capture light (or actually orders of diffraction) coming at increasingly wider angles (called numerical aperture or N. A. ), and various improvements in the process itself. This is expressed by the following equation:

is the critical dimension, or finest line resolvable, is a coefficient expressing process related factors, is the wavelength of the light, and is the numerical aperture. Decreasing the wavelength of the light in the illumination system increases the resolving power of the stepper. Twenty years ago, the "g line" (436 nm) of the mercury spectrum was used to create lines in the 750 nm range in steppers that employed mercury lamps as their illumination source. Several years later systems employing the ultraviolet "i line" (365 nm) from mercury lamps were introduced to create lines as low as 350 nm. As the desired line widths approached and eventually became narrower than the wavelength of the light used to create them, a variety of resolution enhancement techniques were developed to make this possible, such as phase shifting reticles and various techniques for manipulating the angles of the exposure light in order to maximize the resolving power of the lens. Eventually however, the desired line widths became narrower than what was possible using mercury lamps, and near the middle of the 2000s, the semiconductor industry moved towards steppers that employed krypton fluoride (KrF) excimer lasers producing 248 nm light. Such systems are currently being used to produce lines in the 110 nm range. Lines as low as 32 nm are being resolved by production capable steppers using argon fluoride (ArF) excimer lasers that emit light with a wavelength of 193 nm. Although fluoride (F2) lasers are available that produce 157 nm light, they are not practical because of their low power and because they quickly degrade photoresist and other materials used in the stepper. Since practical light sources with wavelengths narrower than these lasers have not been available, manufacturers have sought to improve resolution by reducing the process coefficient This is done by further improving techniques for manipulating the light as it passes through the illumination system and the reticle, as well as improving techniques for processing the wafer before and after exposure. Manufacturers have also introduced ever larger and more expensive lenses as a means of increasing the numerical aperture. However, these techniques are approaching their practical limit, and line widths in the 45 nm range appear to be near the best that can be achieved with conventional design. Ultimately, other sources of illumination will have to be put to use, such as electron beams, x rays or similar sources of electromagnetic energy with wavelengths much shorter than visible light. However, in order to delay as long as possible the vast expense and difficulty of adopting a whole new type of illumination technology, manufacturers have turned to a technique, previously used in microscopes, for increasing the numerical aperture of the lens by allowing the light to pass through water instead of air. This method, called immersion lithography, is the current cutting edge of practical production technology. It works because numerical aperture is a function of the maximum angle of light that can enter the lens and the refractive index of the medium through which the light passes. When water is employed as the medium, it greatly increases numerical aperture, since it has a refractive index of 1.44 at 193 nm, while air has an index of 1.0003. Current production machines employing this technology are capable of resolving lines in the 32 nm range, and may eventually be able to achieve lines of 30 nm.

Сканнерлер

Қазіргі сканерлер – экспозиция кезінде ретикулалық саты мен пластиналық сатыны бір-біріне қарама-қарсы бағытта жылжыту арқылы әрбір кадрда (экспозиция өрісі) ашылатын аймақтың ұзындығын ұлғайтатын қадамдық сканерлер. Бүкіл өрісті бірден экспозициялаудың орнына, экспозиция экспозиция өрісінің енімен тең, бірақ оның ұзындығының бір бөлігі ғана болатын (мысалы, 35x25 мм өріс үшін 9x25 мм саңылау) "экспозиция саңылауы" арқылы жасалады. Экспозиция саңылауынан алынған кескін экспозиция аймағы бойынша сканерленеді. Бұл техниканың бірнеше артықшылықтары бар. Өріс ретикуладан пластинаға дейінгі өлшемді азайту арқылы (мысалы, сканерде 4 есе азайту, ал қадамдық құрылғыда 5 есе азайтумен салыстырғанда) экспозициялана алады, сонымен бірге өрістің мөлшері әдеттегі қадамдық құрылғыда экспозицияланатын мөлшерден әлдеқайда үлкен болады. Сондай-ақ, проекциялық линзаның оптикалық қасиеттерін проекциялық саңылаудың кескіні өтетін аймақта оңтайландыруға болады, ал осы аймақтан тыс оптикалық аберрацияларды ескермеуге болады, себебі олар пластинадағы экспозицияланған аймаққа әсер етпейді. Сканды сәтті жүзеге асыру үшін экспозиция кезінде жылжымалы ретикула мен пластина сатыларының өте дәл синхронизациясы қажет. Бұл мақсатқа жету көптеген технологиялық қиындықтарды тудырады.