Кіріспе
Микрофабрикацияда жартылай өткізгіштерді өндіру процесі. Фотолитография (оптикалық литография деп те аталады) – интегралдық схемаларды өндіруде қолданылатын процесс. Бұл әдіс жарық көмегімен суретті субстратқа, әдетте кремний пластинкасына беруді қамтиды. Процесс фоторезистент деп аталатын фотосезімді материалды субстратқа жағудан басталады. Содан кейін фоторезистенттің үстіне қажетті суретті қамтитын фотомаска қойылады. Жарық фотомаска арқылы сәулелендіріліп, фоторезистің белгілі бір аймақтарын ашыққа шығарады. Ашыққа шыққан аймақтар химиялық өзгеріске ұшырап, оларды дамытушы ерітіндіде ерітуге немесе ерітпеуге мүмкіндік береді. Дамытудан кейін сурет, суреттеу, химиялық будың жиналуы немесе иондық имплантация процестері арқылы субстратқа түсіріледі. Әдетте, ультракүлгін (UV) сәулесі қолданылады. Фотолитографиялық процестерді қолданылатын жарық түріне қарай жіктеуге болады, оның ішінде ультракүлгін литографиясы, терең ультракүлгін литографиясы, ең жоғары ультракүлгін литографиясы (EUVL) және рентгендік литография. Қолданылатын жарықтың толқын ұзындығы фоторезистентте қалыптастырылатын ең кішкентай элемент өлшемін анықтайды. Фотолитография – қатты күйдегі жадтар мен микропроцессорлар сияқты интегралдық схемаларды ("IC" немесе "чиптер") жартылай өткізгіштерден жасаудың ең көп таралған әдісі. Ол бірнеше нанометрге дейін өте кішкентай суреттерді жасауға қабілетті. Ол жасалған нысандардың пішіні мен өлшемін дәл бақылайды. Ол бір қадамда, жылдам және салыстырмалы түрде төмен құнмен бүкіл пластинкаға суреттерді түсіре алады. Күрделі интегралдық схемаларда пластинка фотолитографиялық циклден 50 ретке дейін өтуі мүмкін. Бұған қоса, микроэлектромеханикалық жүйелерді жасау сияқты жалпы микроөндіру үшін маңызды әдіс болып табылады. Алайда, фотолитографияны толығымен тегіс емес беттерде маска жасау үшін қолдануға болмайды. Барлық чип өндіру процестері сияқты, ол да өте таза жұмыс жағдайларын талап етеді. Фотолитография – микролитографияның кіші класы, ол қалыпты жұқа пленкаларды жасау процестерінің жалпы атауы. Бұл кеңірек кластағы басқа технологияларға бағытталған электрондық сәулелерді пайдалану, немесе сирек кездесетін наножазбаларды, интерференцияны, магниттік өрістерді немесе сканерлеу зондтарын пайдалану жатады. Кеңірек деңгейде, ол микро және наноқұрылымдардың бағытталған өзін-өзі құрастыруымен бәсекелесе алады. Фотолитография фоторезистенттегі суретті оны тікелей линза арқылы проекциялау арқылы немесе тікелей субстратқа орналастырылған масканы жарықтандыру арқылы жарыққа шығару арқылы жасайды. Бұл әдісті баспалы схемаларды жасау үшін қолданылатын әдістің жоғары дәлдіктегі нұсқасы ретінде де қарастыруға болады. Атауы қағаз бетіне литографиялық басып шығару үшін пластиналар жасаудың дәстүрлі фотографиялық әдісімен еркін ұқсастықтан туындаған; 1954 жылы Луи Пламбек-младший пластина жасау процесін жылдамдату үшін Дикрил полимерлі баспа пластинасын жасады. Фоторезистентті дамыту бұрын пластинкалар топтамаларында (топтық өңдеу) жүзеге асырылатын, бірақ қазіргі процестер бір уақытта бір пластинканы (бір пластинкалы өңдеу) дамытуды жүзеге асырады. 1952 жылы АҚШ әскері Джей В. Латроп пен Джеймс Р. Наллға Ұлттық стандарттар бюросында (кейіннен АҚШ армиясының алмаздық қару-жарақ фюзель лабораториясы, ақырында қазіргі Армияның ғылыми-зерттеу лабораториясын құру үшін біріктірілген) электрондық схемалардың көлемін азайтудың жолын табуды тапсырды. Фоторезистентті қолданудан шабыт алған Налл металл ұшақ қанаттарының бұрандаларындағы тесіктердің шекараларын белгілеу үшін қолданылатын фотосезімді сұйықтық, ұқсас процесті транзисторлардағы германийді қорғау үшін және тіпті бетті жарықпен суреттеу үшін қолдануға болатынын анықтады. Даму кезінде Латроп пен Налл осы техниканы қолдана отырып, транзисторлармен гибридті интегралдық схеманы миниатюралық 2D-да жасауға қол жеткізді. Электрондық компоненттердің фотолитографиясы әдеттегі литографиялық басылымдағыдай "шебер" шығару үшін тасты кесудің орнына металл көшірмелерін кесумен байланысты екеніне қарамастан, Латроп пен Налл "фотоэкшерлеу" орнына "фотолитография" терминін таңдады, өйткені ол "жоғары технология" деп естілді. Фотолитография кейіннен алғашқы жартылай өткізгіштік IC-лерді, сондай-ақ алғашқы микрочиптерді жасауға ықпал етті. Бұл жерде сипатталған процедурада кейбір озық емдеу әдістері, мысалы, сұйытушы заттар жоқ. Фотолитографиялық процесс пластинкалар желісі және степпер/сканер арқылы жүзеге асырылады, ал пластинкалар желісі және степпер/сканер бір-біріне жанында орнатылған. Пластинкалар желісі жүйелері пластинка жағып, дамыту жүйелері ретінде де белгілі, олар осы функцияларды орындайды. Пластинкалар желісі машина ішінде пластинкаларды тасымалдау үшін пайдаланылатын "жолдар" атынан алынған, бірақ қазіргі заманғы машиналар жолдарды пайдаланбайды.
semiconductor manufacturing
Photolithography (also known as optical lithography) is a process used in the manufacturing of integrated circuits. It involves using light to transfer a pattern onto a substrate, typically a silicon wafer. The process begins with a photosensitive material, called a photoresist, being applied to the substrate. A photomask that contains the desired pattern is then placed over the photoresist. Light is shone through the photomask, exposing the photoresist in certain areas. The exposed areas undergo a chemical change, making them either soluble or insoluble in a developer solution. After development, the pattern is transferred onto the substrate through etching, chemical vapor deposition, or ion implantation processes. Ultraviolet (UV) light is typically used. Photolithography processes can be classified according to the type of light used, including ultraviolet lithography, deep ultraviolet lithography, extreme ultraviolet lithography (EUVL), and X ray lithography. The wavelength of light used determines the minimum feature size that can be formed in the photoresist. Photolithography is the most common method for the semiconductor fabrication of integrated circuits ("ICs" or "chips"), such as solid state memories and microprocessors. It can create extremely small patterns, down to a few nanometers in size. It provides precise control of the shape and size of the objects it creates. It can create patterns over an entire wafer in a single step, quickly and with relatively low cost. In complex integrated circuits, a wafer may go through the photolithographic cycle as many as 50 times. It is also an important technique for microfabrication in general, such as the fabrication of microelectromechanical systems. However, photolithography cannot be used to produce masks on surfaces that are not perfectly flat. And, like all chip manufacturing processes, it requires extremely clean operating conditions. Photolithography is a subclass of microlithography, the general term for processes that generate patterned thin films. Other technologies in this broader class include the use of steerable electron beams, or more rarely, nanoimprinting, interference, magnetic fields, or scanning probes. On a broader level, it may compete with directed self assembly of micro and nanostructures. Photolithography shares some fundamental principles with photography in that the pattern in the photoresist is created by exposing it to light — either directly by projection through a lens, or by illuminating a mask placed directly over the substrate, as in contact printing. The technique can also be seen as a high precision version of the method used to make printed circuit boards. The name originated from a loose analogy with the traditional photographic method of producing plates for lithographic printing on paper; In 1954, Louis Plambeck Jr. developed the Dycryl polymeric letterpress plate, which made the platemaking process faster. Development of photoresists used to be carried out in batches of wafers (batch processing) dipped into a bath of developer, but modern process offerings do development one wafer at a time (single wafer processing) to improve process control. In 1952, the U. S. military assigned Jay W. Lathrop and James R. Nall at the National Bureau of Standards (later the U. S. Army Diamond Ordnance Fuze Laboratory, which eventually merged to form the now present Army Research Laboratory) with the task of finding a way to reduce the size of electronic circuits in order to better fit the necessary circuitry in the limited space available inside a proximity fuze. Inspired by the application of photoresist, a photosensitive liquid used to mark the boundaries of rivet holes in metal aircraft wings, Nall determined that a similar process can be used to protect the germanium in the transistors and even pattern the surface with light. During development, Lathrop and Nall were successful in creating a 2D miniaturized hybrid integrated circuit with transistors using this technique. Despite the fact that photolithography of electronic components concerns etching metal duplicates, rather than etching stone to produce a "master" as in conventional lithographic printing, Lathrop and Nall chose the term "photolithography" over "photoetching" because the former sounded "high tech." Photolithography would later contribute to the development of the first semiconductor ICs as well as the first microchips. The procedure described here omits some advanced treatments, such as thinning agents. The photolithography process is carried out by the wafer track and stepper/scanner, and the wafer track system and the stepper/scanner are installed side by side. Wafer track systems are also known as wafer coater/developer systems, which perform the same functions. Wafer tracks are named after the "tracks" used to carry wafers inside the machine, but modern machines do not use tracks.
Дайындық
Бастапқыда пластинканың бетінде болуы мүмкін ылғалды кетіру үшін жеткілікті температураға дейін қыздырылады; он минут бойы 150 °C жеткілікті. Сақтаудан алынған пластинкаларды ластануды жою үшін химиялық түрде тазалау қажет. Фоторезистті пластинкаға жабысуын жақсарту үшін Bis(trimethylsilyl)amine ("hexamethyldisilazane", HMDS) сияқты сұйық немесе газ тәрізді "жабысуды күшейтуші" қолданылады. Пластинкадағы кремний диоксидінің беткі қабаты HMDS-пен реакцияласып, триметилденген кремний диоксидін құрайды, бұл автомобиль бояуындағы балауыз қабаты сияқты суды жақсы тебілетін қабат. Бұл суды тебілетін қабат сулы дамытқыштың фоторезист қабаты мен пластинка беті арасына енуіне кедері келтіреді, соның салдарынан (дамыту) үлгісіндегі кішкентай фоторезист құрылымдарының көтерілуіне жол бермейді. Кескіннің дұрыс дамуын қамтамасыз ету үшін оны жауып, ыстық плитаға қойып, температураны 120 °C-қа дейін тұрақтандырып кептіру керек.
Фоторезистентті қолдану
Офистік айналумен жағу арқылы пластина фоторезист сұйықтығымен жабылады. Осылайша, резисттің үстіңгі қабаты пластина жиегінен жылдам шығарылады, ал төменгі қабаты пластина бойымен баяу радиалды түрде қозғалады. Бұл арқылы резисттегі кез келген "дөңгелек" немесе "тізбек" жойылады, нәтижесінде өте тегіс қабат қалдырылады. Дегенмен, тұтқыр пленкалар пластинаның немесе фотомасканың жиектерінде резист қалыңдығы артық болатын үлкен жиектік бұдырауларға әкелуі мүмкін, олардың жазықтау шектері бар. Көбінесе, қосымша резисті жою үшін Edge bead removal (EBR) процедурасы қолданылады, себебі бұл бөлшектермен ластануға себеп болуы мүмкін. Соңғы қалыңдық сұйық еріткіштердің булануымен де анықталады. Өте кішкентай, тығыз элементтер үшін (< 125 нм), жоғары көперіс қатынастарындағы құлау эффектісін жеңу үшін төменгі резист қалыңдығы (< 0,5 мкм) қажет; әдеттегі көперіс қатынастары < 4:1. Фоторезист жағылған пластина артық фоторезист еріткішін жою үшін алдын ала қыздырылады, әдетте, қыздырғыш плитада 90-100 °C температурада 30-60 секунд бойы. Фоторезист астындағы шағылысуды болдырмау және 45 нм және одан төменгі кішкентай жартылай өткізгіш түйіндерінде фоторезисттің өнімділігін арттыру үшін фоторезист жағар алдында BARC (Төменгі антирефлекстік жабын) жабылуы мүмкін. Жоғары антирефлекстік жабындар (TARC) да бар. EUV литографиясы металл оксидтері бар фоторезисттерді қолдануға мүмкіндік беретін ерекше технология.
Экспозиция және даму
Алдын ала пісіргеннен кейін фоторезист қарқынды жарық сәулесінің әсеріне ұшыратылады. Жарыққа ұшырау фоторезисттің бір бөлігін арнайы ерітіндімен – фоторезистке ұқсас «девелопер» деп аталатын құралмен – алып тастауға мүмкіндік беретін химиялық өзгеріске алып келеді. Ең көп қолданылатын оң фоторезист жарыққа ұшырағанда девелоперде ериді; ал теріс фоторезистте жарыққа ұшырамаған аймақтар девелоперде ериді. Даму процесінен бұрын экспозициядан кейінгі пісіру (PEB) жүргізіледі, әдетте, түскен жарықтың конструктивті және деструктивті интерференциясынан туындаған тұрақ толқын құбылысын азайту үшін. Терең ультракөк сәулелі литографияда химиялық күшейтілген резист (ХКР) химиясы қолданылады. Бұл резист PEB уақытына, температурасына және кешігуіне өте сезімтал, себебі резист фотондардың әсерінен қышқылды жасап, содан кейін «экспозиция» реакциясын (қышқылды жасау, полимерді негіздік девелоперде еритін ету және қышқылмен катализделген химиялық реакцияны орындау) өткізеді, бұл процестің көп бөлігі PEB кезінде жүреді. Девелоперлік химия фоторезист сияқты спиннерде қолданылады. Бастапқыда девелоперлерде көбінесе натрий гидроксиді (NaOH) болған. Алайда, натрий MOSFET өндірісінде өте жағымсыз ластаушы зат саналады, өйткені ол қақпа оксидтерінің оқшаулағыш қасиеттерін нашарлатады (әсіресе, натрий иондары қақпаға кіріп-шығып, транзистордың шекті кернеуін өзгертіп, уақыт өте келе транзисторды қосуды қиындатады немесе жеңілдетеді). Қазірде тетраметиламмоний гидроксиді (ТМАГ) сияқты металл иондары жоқ девелоперлер қолданылады. Девелопердің температурасы 20-30 минут бойы қос қабырғалы шлангтарды пайдалану арқылы 0,2°C-қа дейін қатаң түрде бақыланады. Қатты пісіру қалған фоторезистті бекітіп, болашақта иондық имплантация, ылғалды химиялық гравировка немесе плазмалық гравировка кезінде берік қорғаныш қабатын құрайды. Дайындаудан бастап осы қадамға дейін фотолитография процедурасы екі машинамен жүзеге асырылады: фотолитографиялық қадамдық машинасы немесе сканері және жағыштырушы/девелопер. Екі машина әдетте біріне-бірі жақын орнатылады және «байланыстырылған» болады.
Этшілеу, имплантация
Этчілеу кезінде сұйық ("ылғал") немесе плазмалық ("құрғақ") химиялық зат фоторезистпен қорғалмаған аймақтардағы субстраттың жоғарғы қабатын жояды. Жартылай өткізгіштерді жасауда, фоторезист үлгісінің айтарлықтай бұзылуын болдырмау үшін құрғақ этчілеу әдістері көбінесе қолданылады, себебі оларды анизотроптық етуге болады. Бұл, анықталатын элементтердің ені, этчіленетін материалдың қалыңдығымен шамалас немесе одан кем болғанда (яғни, қатынас бірлікке жақындағанда) аса маңызды. Ылғал этчілеу процестері көбінесе изотропты болып келеді, бұл микроэлектромеханикалық жүйелер үшін жиі қажет, онда аспалы құрылымдар негізгі қабаттан "босатылуы" тиіс. Төмен дефектілі анизотроптық құрғақ этчілеу процесінің дамуы, резисте фотолитографиялық жолмен анықталған, әрқашан кішірейтілген элементтерді субстрат материалына көшіруге мүмкіндік берді.
Фоторезисті алып тастау
Фоторезист қажет болмаған соң, оны субстраттан алып тастау қажет. Бұл әдетте сұйық "резист жоғарылатушы" (resist stripper) арқылы жасалады, ол резистің химиялық құрамын өзгертіп, оның субстратқа жабысуын тоқтатады. Балама ретінде, фоторезист оттегі бар плазма арқылы алынып тасталуы мүмкін, ол оны тотықтырады. Бұл процеске плазмалық күйдіру (plasma ashing) деп аталады және ол құрғақ гравировкаға (dry etching) ұқсас. Фоторезистті 1 метил-2-пирролидон (NMP) еріткішімен өңдеу – бейнені жоюға қолданылатын тағы бір әдіс. Резист ерігеннен кейін, еріткішті 80°C-қа дейін қыздыру арқылы қалдықсыз жоюға болады.
Экспозиция ("басу") жүйелері
Экспозиция жүйелері әдетте фотомаска арқылы пластинкаға кескіш түсіреді. Фотомаска кейбір аймақтарда жарықты тоқтатады, ал кейбіреулерінен өтеді. (Маскасыз литография масканы пайдаланбай, тікелей пластинкаға дәл шоқты ұстаса да, коммерциялық өндірісте кеңінен қолданылмайды.) Экспозиция жүйелерін маскадан пластинкаға кескішті жеткізетін оптикалық құралдар бойынша жіктеуге болады. Фотолитография, баспа электроникаға қарағанда жақсы жұқа пленкалық транзистор құрылымдарын жасауға мүмкіндік береді, себебі баспа қабаттары тегіс, өрнектері аз толқынды және ағын-көз электродтарының орналасуы дәлдеу болады.
Байланыс және жақындық
Контактты туралаушы, ең қарапайым экспозиция жүйесі, фотомасканы тікелей пластинкаға жанастырады және оны біркелкі жарыққа шағылыстырады. Жақындықты туралаушы фотомаска мен пластинканың арасына шамамен 5 микрондық кішкентай аралық қояды. Экспозиция кезінде фотомасканы да, пластинканы да қозғалмайды және бүкіл пластинканы жабатын маскаларды пайдаланады. Суға батыру литографиялық сканерлері линза мен пластинканың арасына ультра таза су қабатын қолданып, ажыратымдылықты арттырады. Фотолитографияға балама ретінде нанобейімдеу литографиясы қолданылады. Пластинкаға проекцияланатын суреттің ең үлкен мөлшері ретикул шегі деп аталады.
Фотоқаптамалар
Масканың бейнесі компьютерлік деректер файлынан жасалған. Бұл деректер файлы полигондар тізбегіне түрлендіріліп, фотолитографиялық әдіс арқылы хром қабаты жабылған, балқытылған кварц негіздің квадратына жазылады. Лазерлік сәуле (лазерлік жазу құралы) немесе электрондық сәуле (электрондық сәуле жазу құралы) деректер файлында белгіленген суретті ашу үшін пайдаланылады және негіздің бетімен векторлық немесе растрлық түрде сканерлейді. Маскадағы фоторезист ашық қалған жерлерде хром кесіліп, қадамдық/сканерлік жүйедегі жарық сәулесінің өтуіне арналған таза жол қалдырылады.
Стохастикалық әсерлер
Жарық фотондардан құралғандықтан, төмен дозаларда сурет сапасы тікелей фотондар санына байланысты. Бұл 20 фотон/нм² шамасындағы төмен дозаларды қолданумен шектелген экстремалды ультракүлгін литографиясының (EUVL) қолданылуына әсер етеді. Бұл қысқа толқын ұзындығындағы бірдей энергия дозасына фотондардың азаюымен (әр фотонға жоғары энергия) байланысты. Суретті құрайтын фотондардың саны азайғандықтан, шеттердің орналасуында шу пайда болады. Үлкен пішін үлгілерінде, көп дифракциялық реттерде және жарықтандыру көзінің көп нүктелерін пайдаланғанда стохастикалық әсерлер күрделене түседі. EUV литографиясындағы екіншілік электрондар бұл стохастикалық сипаттамаларды одан әрі күшейтеді.
Жарық көздері
Тарихи тұрғыдан алғанда, фотолитографияда сынапты пайдаланатын газды разряд шамдарының ультракүлгін сәулесі қолданылады, кейде ксенон сияқты асыл газдармен бірге қолданылады. Бұл шамдар кең спектрде жарық шығарады, ультракүлгін диапазонында бірнеше күшті шыңы бар. Бұл спектр бір ғана спектрлік сызықты таңдау үшін сүзгіленеді. 1960 жылдардың басынан 1980 жылдардың ортасына дейін Hg шамдары литографияда 436 нм ("g сызығы"), 405 нм ("h сызығы") және 365 нм ("i сызығы") спектрлік сызықтары үшін қолданылған. Алайда, жартылай өткізгіш өнеркәсібінің жоғары ажыратымдылық (тығыз және жылдам микросхемаларды өндіру үшін) және жоғары өнімділік (төмен құн үшін) қажеттілігімен, шамға негізделген литографиялық құралдар енді өнеркәсіптің жоғары талаптарына сай бола алмады. Бұл қиындық 1982 жылы Канти Джайн эксимерлік лазерлік литографияны ұсынғаннан кейін IBM-де көрсетілді. Эксимерлік лазерлік литография машиналары (степперлер мен сканерлер) микроэлектроника өндірісінің негізгі құралы болды және микросхемаларды өндірудегі ең кішкентай элементтердің мөлшерін 1990 жылы 800 нанометрден 2018 жылы 7 нанометрге дейін қысқартуға мүмкіндік берді. Лазердің 50 жылдық тарихында, 1960 жылы алғаш көрсетілгеннен бері, экцимерлік лазерлік литографияның ойлап табуы мен дамуы маңызды кезең ретінде танылды. Литографиялық жүйелерде кеңінен қолданылатын терең ультракүлгін экцимерлік лазерлер — 248 нм толқын ұзындығындағы криптонофторидті (KrF) лазер және 193 нм толқын ұзындығындағы аргон фторидті лазер (ArF). 1980-ші жылдары экцимерлік лазерлік жарық көздерінің негізгі өндірушілері Lambda Physik (қазір Coherent, Inc.) және Lumonics болды. 1990 жылдардың ортасынан бастап Cymer Inc. литографиялық жабдық өндірушілеріне экцимерлік лазерлік көздерді жеткізуші болды, ал Gigaphoton Inc. олардың ең жақын бәсекелесі болды. Жалпы, экцимерлік лазер белгілі бір газ қоспасымен жұмыс істеуге арналған; сондықтан толқын ұзындығын өзгерту оңай мәселе емес, себебі жаңа толқын ұзындығын жасау әдісі мүлдем басқа, ал материалдардың сіңіру қасиеттері өзгереді. Мысалы, ауа 193 нм толқын ұзындығының шамасында едәуір сіңіре бастайды; 193 нм толқын ұзындығына көшу үшін литографиялық құралдарға вакуумдық сорғы мен тазалау жабдығын орнату қажет (маңызды қиындық). Қатты құбырларды қажет етпеу үшін кейде вакуумның орнына инертті газ атмосферасын пайдалануға болады. Сонымен қатар, кремний диоксиді сияқты оқшаулағыш материалдар, жолақты арақашықтықтан артық энергиясы бар фотондарға ұшыраған кезде, еркін электрондар мен тесіктерді шығарады, олар кейіннен жағымсыз зарядтауға әкеледі. Оптикалық литография 193 нм ArF экцимер лазері мен сұйықтыққа батыру әдістерін қолдана отырып, 50 нм-ден төмен өлшемді элементтерге дейін кеңейтілді. Бұл әдіс суға батыру литографиясы деп те аталады, бұл 1.0-ден асатын сандық апертуралары бар оптиканы пайдалануға мүмкіндік береді. Пайдаланылатын сұйықтық әдетте өте таза, деионизацияланған су болып табылады, бұл линза мен пластинканың бетіндегі әдеттегі ауа аралығынан жоғары сыну индексін қамтамасыз етеді. Су жылудық әсерінен пайда болған бұрмалауларды жою үшін үздіксіз айналады. Суда NA's ~1,4 дейін ғана болады, бірақ жоғары сыну индекстері бар сұйықтықтар тиімді NA''-ті одан әрі арттыруға мүмкіндік береді. Қазіргі экспозиция жүйелеріне ұқсас F2 экцимер лазерінен 157 нм толқын ұзындығын пайдаланатын тәжірибелік құралдар жасалды. Бұрын олар 193 нм литографияны 65 нм элемент өлшемі түйінінде алмастыруға бағытталған, бірақ қазір суға батыру литографиясының енгізілуімен тоқтатылды. Бұл 157 нм технологиядағы тұрақты техникалық проблемаларға және 193 нм экцимерлік лазерлік литография технологиясын пайдалануды жалғастыруға күшті ынталандырушы экономикалық факторларға байланысты болды. Жоғары индексті суға батыру литографиясы — 193 нм литографияның қарастырылатын ең жаңа кеңейтімі. 2006 жылы IBM осы техниканы қолдана отырып, 30 нм-ден аз элементтерді көрсетті. Бұл жүйелер CaF2 кальций фторидті линзаларды қолданды. 157 нм-дегі суға батыру литографиясы зерттелді. Ультракүлгін экцимерлік лазерлердің шамамен 126 нм (Ar2* үшін) болатыны дәлелденді. Сырға толу шамдары тұрақты 50-150 В токқа ие болуға арналған, алайда экцимер лазерлері жоғары ажыратымдылыққа ие. Эксимерлік лазерлер — газға негізделген жарық жүйелері, олар әдетте инертті және галоидты газдармен (Kr, Ar, Xe, F және Cl) толтырылады, олар электр өрісімен зарядталады. Жиілік неғұрлым жоғары болса, суреттің ажыратымдылығы соғұрлым жоғары болады. KrF лазерлері 4 кГц жиілікте жұмыс істей алады. Жоғары жиілікте жұмыс істеуге қоса, экцимер лазерлері сынап доғасы шамдарына қарағанда көбірек жетілген машиналармен үйлесімді. Олар 25 метрге дейін қашықтықтан жұмыс істей алады және сериялы айналар мен анти-рефлекстік жабынталған линзалардың көмегімен өзінің дәлдігін сақтай алады. Бірнеше лазерлер мен айналарды орнату арқылы энергия жоғалу мөлшері азайтылады, сондай-ақ линзалар анти-рефлекстік материалмен жабылғандықтан, жарық интенсивтілігі лазерден шыққан кезде пластинкаға тигенге дейін салыстырмалы түрде бірдей болып қалады. Лазерлер тура емес, экстремалды ультракүлгін (EUV) жарығын 13,5 нм толқын ұзындығында жасау үшін пайдаланылды. EUV жарығы лазерден шықпайды, бірақ экцимерлік немесе лазермен қоздырылған қалайы немесе ксенон плазмасынан шығады. Бұл техника синхротрон қажет етпейді және EUV көздері, атап айтқанда, когерентті жарық шығармайды. Алайда, ультракүлгін сәуленің Х-нұсқауларының шегінде жұмыс істеу үшін вакуумдық жүйелер және бірқатар жаңа технологиялар (қазіргі кезде өндірілетін EUV энергиясынан әлдеқайда жоғары) қажет. 2020 жылдың мәліметі бойынша, EUV TSMC және Samsung сияқты жетекші кәсіпорындарда кеңінен қолданылады. Теориялық тұрғыдан алғанда, фотолитография үшін балама жарық көзі, әсіресе толқын ұзындығы экстремалды ультракүлгін немесе Х-нұсқауларына дейін азайса, бос электрондық лазер (немесе Х-нұсқаулары үшін жасар) болуы мүмкін. Бос электрондық лазерлер кез келген толқын ұзындығында жоғары сапалы сәулелерді шығара алады. Көрінетін және инфрақызыл фемтосекундтық лазерлер де литография үшін қолданылды. Бұл жағдайда фотохимиялық реакциялар көп фотонды сіңіру арқылы басталады. Бұл жарық көздерін пайдаланудың көптеген артықшылықтары бар, соның ішінде нақты 3D нысандарды жасау мүмкіндігі және тамаша оптикалық төзімділікке ие таза шыны сияқты фотосезімтал емес материалдарды өңдеу мүмкіндігі.
Эксперименттік әдістер
Фотолитография көптеген жылдар бойы оның жойылуы туралы болжамдарды жоққа шығарды. Мысалы, 1980 жылдардың басында жартылай өткізгіш өнеркәсібіндегі көптеген адамдар 1 микроннан кіші элементтерді оптикалық түрде басып шығару мүмкін емес деп сенді. Қазіргі заманғы эксимерлік лазерлік литография әдісі қолданылып, пайдаланылатын жарықтың толқын ұзындығынан әлдеқайда кіші өлшемдегі элементтерді басып шығаруға қол жеткізілуде – бұл таңғажайып оптикалық жетістік. Суға батыру литографиясы, екі тонды резист және көп үлгілі литография сияқты жаңа әдістер 193 нм литографияның ажыратымдылығын жақсартуды жалғастыруда. Ал қазіргі зерттеулер дәстүрлі ультракөк сәулеге баламаларды, мысалы, электрондық сәулелі литография, рентгендік литография, ең жоғары ультракөк литография және иондық проекциялық литографияны қарастыруда. Ең жоғары ультракөк литографиясы 2018 жылдан бастап жаппай өндіріске енгізілді, ал Samsung және басқа өндірушілер де осы жолға түсті. Көп параллельді электрондық сәулелі литография фотолитографияға балама ретінде зерттелді және TSMC тарапынан сынақтан өтті, бірақ ол сәтті болмады. Техниканың негізгі әзірлеушісі MAPPER компаниясынан технология ASML компаниясымен сатып алынды, дегенмен электрондық сәулелі литография бір кезде IBM компаниясының чип өндірісінде қолданылған. Электрондық сәулелі литография қазіргі кезде фотомаска өндірісі сияқты тар мақсаттағы қолданыстарда ғана қолданылады.
Экономика
2001 жылы NIST басылымы фотолитографиялық процесс пластина өңдеудің жалпы құнының шамамен 35% құрайтынын көрсеткен. 2021 жылы фотолитография индустриясының құны 8 миллиардтан астам АҚШ долларына бағаланды.