Фотолитография в микроэлектронике и микрофабрикации

Введение

Процесс микрофабрикации полупроводников.

Фотолитография (также известная как оптическая литография) — это процесс, используемый в производстве интегральных схем. Он включает в себя использование света для переноса рисунка на подложку, как правило, кремниевую пластину. Процесс начинается с нанесения на подложку светочувствительного материала, называемого фоторезистом. Затем над фоторезистом помещают фотомаску, содержащую желаемый рисунок. Свет проходит сквозь фотомаску, экспонируя фоторезист в определенных областях. Экспонированные участки подвергаются химическому изменению, что делает их либо растворимыми, либо нерастворимыми в растворе проявителя. После проявления рисунок переносится на подложку посредством травления, химического осаждения из газовой фазы или ионной имплантации. Обычно используется ультрафиолетовый (УФ) свет. Процессы фотолитографии могут быть классифицированы в соответствии с типом используемого света, включая ультрафиолетовую литографию, глубокую ультрафиолетовую литографию, экстремальную ультрафиолетовую литографию (EUVL) и рентгеновскую литографию. Длина волны используемого света определяет минимальный размер элемента, который может быть сформирован в фоторезисте. Фотолитография является наиболее распространенным методом для полупроводникового изготовления интегральных схем ("ИС" или "чипов"), таких как твердотельные памяти и микропроцессоры. Она позволяет создавать очень маленькие узоры, размером до нескольких нанометров. Она обеспечивает точный контроль формы и размера создаваемых объектов. Она может создавать рисунки на всей пластине за один шаг, быстро и с относительно низкой стоимостью. В сложных интегральных схемах пластина может проходить через фотолитографический цикл до 50 раз. Это также важная техника для микрофабрикации в целом, например, для изготовления микроэлектромеханических систем. Однако фотолитография не может использоваться для создания масок на поверхностях, которые не являются идеально плоскими. И, как и все процессы производства чипов, она требует чрезвычайно чистых условий эксплуатации. Фотолитография является подклассом микролитографии, общего термина для процессов, генерирующих узорчатые тонкие пленки. Другие технологии в этом более широком классе включают использование управляемых электронных пучков или, реже, наноимпринтинг, интерференцию, магнитные поля или сканирующие зонды. На более широком уровне она может конкурировать с направленной самосборкой микро- и наноструктур. Фотолитография разделяет некоторые фундаментальные принципы с фотографией, поскольку рисунок в фоторезисте создается путем его экспонирования свету — либо непосредственно проекцией через линзу, либо освещением маски, помещенной непосредственно над подложкой, как при контактной печати. Эту технику также можно рассматривать как высокоточную версию метода, используемого для изготовления печатных плат. Название возникло из-за свободной аналогии с традиционным фотографическим методом изготовления пластин для литографической печати на бумаге. В 1954 году Луи Пламбек-младший разработал полимерную литографскую пластину Dycryl, что ускорило процесс изготовления пластин. Раньше разработка фоторезистов проводилась партиями пластин (пакетная обработка), погружаемых в ванну проявителя, но современные процессы предлагают разработку одной пластины за раз (однопластинчатая обработка) для улучшения контроля процесса. В 1952 году военные США поручили Джею У. Лэтропу и Джеймсу Р. Наллу из Национального бюро стандартов (позже Лаборатории алмазных боеприпасов армии США, которая в конечном итоге объединилась, образовав нынешнюю Армейскую исследовательскую лабораторию) задачу найти способ уменьшить размер электронных схем, чтобы лучше соответствовать необходимым схемам в ограниченном пространстве внутри детонатора приближения. Вдохновленный применением фоторезиста — светочувствительной жидкости, используемой для обозначения границ отверстий заклепок в металлических крыльях самолетов, — Налл определил, что аналогичный процесс можно использовать для защиты германия в транзисторах и даже для формирования рисунка на поверхности светом. В ходе разработки Лэтропу и Наллу удалось создать двухмерную миниатюрную гибридную интегральную схему с транзисторами, используя эту технику. Несмотря на то, что фотолитография электронных компонентов связана с травлением металлических копий, а не с травлением камня для получения "мастера", как в традиционной литографической печати, Лэтроп и Налл выбрали термин "фотолитография", а не "фототравление", поскольку первый звучал "высокотехнологично". Фотолитография впоследствии способствовала разработке первых полупроводниковых ИС и первых микрочипов. Описанная здесь процедура опускает некоторые передовые методы обработки, такие как разбавители. Процесс фотолитографии выполняется на треке для пластин и степпере/сканере, а система трека для пластин и степпер/сканер устанавливаются рядом друг с другом. Системы треков для пластин также известны как системы нанесения/проявления покрытий для пластин, которые выполняют те же функции. Треки для пластин названы в честь "треков", используемых для перемещения пластин внутри машины, но в современных машинах треки не используются.

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.

Подготовка

Пластина сначала нагревается до температуры, достаточной для удаления любой влаги, которая может присутствовать на ее поверхности; 150 °C в течение десяти минут вполне достаточно. Пластины, которые хранились, необходимо химически очистить для удаления загрязнений. Для улучшения адгезии фоторезиста к пластине наносится жидкий или газообразный "промотор адгезии", такой как Bis(триметилсилил)амин ("гексаметилдисилазан", HMDS). Поверхностный слой диоксида кремния на пластине реагирует с HMDS, образуя триметилированный диоксид кремния – высоко водоотталкивающий слой, схожий со слоем воска на автомобильной краске. Этот водоотталкивающий слой предотвращает проникновение водного проявителя между слоем фоторезиста и поверхностью пластины, тем самым предотвращая так называемое отслаивание мелких структур фоторезиста в формируемом рисунке. Для обеспечения проявления изображения рекомендуется накрыть пластину и поместить ее на горячую плиту для сушки, стабилизируя температуру на уровне 120 °C.

Применение фоторезистентности

Пластина покрывается жидким фоторезистом методом центрифугирования (spin coating). Таким образом, верхний слой резиста быстро удаляется с края пластины, в то время как нижний слой медленно растекается радиально по поверхности пластины. Это позволяет удалить любые неровности или выступы резиста, формируя очень плоский слой. Однако, вязкие пленки могут приводить к образованию крупных краевых наплывов – областей на краях пластины или фотомаски с увеличенной толщиной резиста, плоскостность которых ограничена физически. Часто выполняется удаление краевых наплывов (EBR), как правило, с использованием сопла, для удаления избыточного резиста, поскольку в противном случае это может привести к загрязнению частицами. Окончательная толщина также определяется испарением жидких растворителей из резиста. Для очень маленьких и плотных элементов (< 125 нм) требуются меньшие толщины резиста (< 0,5 мкм) для предотвращения эффекта схлопывания при больших соотношениях сторон; типичные соотношения сторон составляют < 4:1. Затем пластина с нанесенным фоторезистом подвергается предварительному обжигу для удаления избыточного растворителя, обычно при 90–100 °C в течение 30–60 секунд на горячей плите. Для предотвращения отражений под фоторезистом и повышения его эффективности на более мелких технологических нормах, таких как 45 нм и ниже, перед нанесением фоторезиста может быть нанесено покрытие BARC (Bottom Anti Reflectant Coating). Существуют также верхние антиотражающие покрытия (TARC). Литография EUV уникальна тем, что позволяет использовать фоторезисты, содержащие оксиды металлов.

Воздействие и развитие

После предварительного обжига фоторезист подвергается воздействию рисунка интенсивного света. Воздействие света вызывает химическое изменение, позволяющее удалить часть фоторезиста специальным раствором, называемым "проявителем" по аналогии с фотографическим проявителем. Положительный фоторезист, наиболее распространенный тип, становится растворимым в проявителе при воздействии света; для отрицательного фоторезиста в проявителе растворяются незасвеченные участки. Прогрев после экспонирования (PEB) выполняется перед проявлением, как правило, для уменьшения эффектов стоячих волн, вызванных интерференционной картиной падающего света. В глубокой ультрафиолетовой литографии используется химия химически усиленного резиста (CAR). Этот резист гораздо более чувствителен ко времени, температуре и задержке PEB, поскольку он работает за счет образования кислоты при попадании фотонов, а затем происходит реакция "экспонирования" (образование кислоты, делающее полимер растворимым в щелочном проявителе и катализируемая кислотой химическая реакция), которая в основном протекает во время PEB. Химия проявления доставляется на центрифугу, подобно фоторезисту. Проявители изначально часто содержали гидроксид натрия (NaOH). Однако натрий считается крайне нежелательным загрязнителем при производстве MOSFET, поскольку он ухудшает диэлектрические свойства оксидов затвора (в частности, ионы натрия могут мигрировать внутрь и наружу затвора, изменяя пороговое напряжение транзистора и затрудняя или облегчая его включение со временем). В настоящее время используются проявители, не содержащие ионов металлов, такие как гидроксид тетраметиламмония (TMAH). Температура проявителя может строго контролироваться с помощью шлангов с двойными стенками с точностью до 0,2 °C в течение 20–30 минут. Финишный обжиг затвердевает оставшийся фоторезист, создавая более прочный защитный слой для последующей ионной имплантации, мокрой или плазменной травления. От подготовки до этого этапа процедура фотолитографии выполняется на двух машинах: фотолитографическом степпере или сканере и нанесении/проявлении. Обе машины обычно устанавливаются рядом и "связаны" между собой.

After prebaking, the photoresist is exposed to a pattern of intense light. The exposure to light causes a chemical change that allows some of the photoresist to be removed by a special solution, called "developer" by analogy with photographic developer. Positive photoresist, the most common type, becomes soluble in the developer when exposed; with negative photoresist, unexposed regions are soluble in the developer. A post exposure bake (PEB) is performed before developing, typically to help reduce standing wave phenomena caused by the destructive and constructive interference patterns of the incident light. In deep ultraviolet lithography, chemically amplified resist (CAR) chemistry is used. This resist is much more sensitive to PEB time, temperature, and delay, as the resist works by creating acid when it is hit by photons, and then undergoes an "exposure" reaction (creating acid, making the polymer soluble in the basic developer, and performing a chemical reaction catalyzed by acid) which mostly occurs in the PEB. The develop chemistry is delivered on a spinner, much like photoresist. Developers originally often contained sodium hydroxide (NaOH). However, sodium is considered an extremely undesirable contaminant in MOSFET fabrication because it degrades the insulating properties of gate oxides (specifically, sodium ions can migrate in and out of the gate, changing the threshold voltage of the transistor and making it harder or easier to turn the transistor on over time). Metal ion free developers such as tetramethylammonium hydroxide (TMAH) are now used. The temperature of the developer might be tightly controlled using jacketed (dual walled) hoses to within 0.2 °C. for 20 to 30 minutes. The hard bake solidifies the remaining photoresist, to make a more durable protecting layer in future ion implantation, wet chemical etching, or plasma etching. From preparation until this step, the photolithography procedure has been carried out by two machines: the photolithography stepper or scanner, and the coater/developer. The two machines are usually installed side by side, and are "linked" together.

Гравировка, имплантация

При травлении жидкий ("мокрый") или плазменный ("сухой") химический реагент удаляет верхний слой подложки в областях, не защищенных фоторезистом. В производстве полупроводников обычно используются методы сухого травления, поскольку их можно сделать анизотропными, чтобы избежать значительного подтравливания рисунка фоторезиста. Это особенно важно, когда ширина формируемых элементов сопоставима или меньше толщины травящегося материала (то есть когда отношение ширины к высоте приближается к единице). Процессы мокрого травления, как правило, изотропны, что часто необходимо для микроэлектромеханических систем, где подвешенные структуры должны быть "высвобождены" из нижележащего слоя. Разработка анизотропного процесса сухого травления с низкой дефектностью позволила переносить на материал подложки все более мелкие элементы, сформированные фотолитографически в фоторезисте.

Снятие фоторезистов

После того, как фоторезист больше не требуется, его необходимо удалить с подложки. Обычно для этого используют жидкий смыватель фоторезиста, который химически изменяет фоторезист, чтобы он перестал прилипать к подложке. В качестве альтернативы фоторезист можно удалить плазмой, содержащей кислород, которая его окисляет. Этот процесс называется плазменным удалением (плазменным отжигом) и напоминает сухую травку. Использование растворителя 1-метил-2-пирролидона (NMP) для фоторезиста – еще один метод удаления изображения. После растворения фоторезиста растворитель можно удалить нагреванием до 80 °C без образования остатков.

Системы экспозиции ("печати")

Системы экспонирования обычно создают изображение на пластине с использованием фотомаски. Фотомаска блокирует свет в одних областях и пропускает его в других. (Литография без маски проецирует точный луч непосредственно на пластину без использования маски, но она не получила широкого распространения в коммерческих процессах.) Системы экспонирования могут классифицироваться по оптике, используемой для переноса изображения с маски на пластину. Фотолитография позволяет создавать более качественные структуры тонкопленочных транзисторов, чем печатная электроника, благодаря более гладким слоям, меньшему количеству волнистых рисунков и более точной регистрации электродов истока и стока.

Контакт и близость

Контактный выравниватель, самая простая система экспонирования, устанавливает фотомаску в прямой контакт с пластиной и облучает её равномерным светом. Проксимитационный выравниватель располагает небольшой зазор около 5 микрон между фотомаской и пластиной, не перемещая ни фотомаску, ни пластину во время экспонирования и используя маски, покрывающие всю пластину. В погружной литографии сканеры используют слой ультрачистой воды между линзой и пластиной для повышения разрешения. Альтернативой фотолитографии является наноимпринт-литография. Максимальный размер изображения, которое можно спроецировать на пластину, известен как предел ретикулы.

Фотомаски

Изображение для маски создается на основе компьютеризированного файла данных. Этот файл данных преобразуется в серию полигонов и записывается на квадратную подложку из синтезированного кварца, покрытую слоем хрома, с использованием фотолитографического процесса. Для экспонирования рисунка, заданного файлом данных, используется лазерный луч (лазерный записывающее устройство) или электронный луч (электронно-лучевое записывающее устройство), который перемещается по поверхности подложки в векторном или растровом режиме. В тех местах, где фоторезист на маске подвергся воздействию, хром удаляется травлением, создавая прозрачный путь для прохождения осветительного света в системе степпера/сканера.

Стохастические эффекты

Поскольку свет состоит из фотонов, при низких дозах качество изображения в конечном итоге определяется количеством фотонов. Это оказывает влияние на использование экстремальной ультрафиолетовой литографии, или EUVL, которая ограничена использованием низких доз порядка 20 фотонов/нм². Это связано с тем, что для одной и той же дозы энергии, при более короткой длине волны (и, следовательно, более высокой энергии на фотон) доступно меньшее количество фотонов. При меньшем числе фотонов, формирующих изображение, возникает шум в определении положения границ. Стохастические эффекты становятся более выраженными при использовании структур с большим шагом, большим количеством порядков дифракции и при использовании большего числа точек источника освещения. Вторичные электроны в EUV-литографии усиливают стохастические характеристики.

Источники света

Исторически фотолитография использовала ультрафиолетовый свет от газоразрядных ламп с ртутью, иногда в сочетании с благородными газами, такими как ксенон. Эти лампы генерируют свет в широком спектре с несколькими сильными пиками в ультрафиолетовом диапазоне. Этот спектр фильтруется для выбора одной спектральной линии. С начала 1960-х до середины 1980-х годов ртутные лампы (Hg) использовались в литографии благодаря своим спектральным линиям на 436 нм ("g-линия"), 405 нм ("h-линия") и 365 нм ("i-линия"). Однако, с ростом требований полупроводниковой промышленности к более высокому разрешению (для производства более плотных и быстрых чипов) и более высокой производительности (для снижения затрат), литографическое оборудование на основе ламп перестало соответствовать высоким требованиям отрасли. Эта проблема была решена в 1982 году, когда эксимерная лазерная литография была предложена и продемонстрирована в IBM Канти Джейном. Машины эксимерной лазерной литографии (степперы и сканеры) стали основными инструментами в производстве микроэлектроники и позволили уменьшить минимальные размеры элементов в производстве чипов с 800 нанометров в 1990 году до 7 нанометров в 2018 году. С более широкой научной и технологической точки зрения, за 50-летнюю историю лазера с момента его первой демонстрации в 1960 году, изобретение и развитие эксимерной лазерной литографии признаны важной вехой. Наиболее часто используемые в литографических системах глубокоультрафиолетовые эксимерные лазеры – это фторид криптона (KrF) с длиной волны 248 нм и фторид аргона (ArF) с длиной волны 193 нм. Основными производителями источников эксимерного лазерного света в 1980-х годах были Lambda Physik (ныне часть Coherent, Inc.) и Lumonics. С середины 1990-х годов Cymer Inc. стала доминирующим поставщиком источников эксимерного лазера для производителей литографического оборудования, а Gigaphoton Inc. – их ближайшим конкурентом. Как правило, эксимерный лазер предназначен для работы с определенной газовой смесью, поэтому изменение длины волны – непростая задача, поскольку метод генерации новой длины волны принципиально иной, а характеристики поглощения материалов меняются. Например, воздух начинает значительно поглощать свет около длины волны 193 нм; переход к длинам волн менее 193 нм потребует установки вакуумного насоса и системы продувки на литографическом оборудовании (что является значительной проблемой). В некоторых случаях инертная газовая атмосфера может использоваться вместо вакуума, чтобы избежать необходимости в жесткой трубопроводной системе. Кроме того, изолирующие материалы, такие как диоксид кремния, при воздействии фотонов с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, высвобождают свободные электроны и дырки, которые впоследствии вызывают нежелательное накопление заряда. Оптическая литография была расширена до размеров элементов менее 50 нм с использованием 193-нм ArF эксимерного лазера и методов жидкостного погружения. Также называемая погружной литографией, она позволяет использовать оптику с числовой апертурой, превышающей 1,0. Используемая жидкость обычно представляет собой ультрачистую деионизированную воду, которая обеспечивает показатель преломления выше, чем у обычного воздушного зазора между линзой и поверхностью пластины. Вода постоянно циркулирует для устранения термически вызванных искажений. Вода позволяет достичь числовой апертуры до ~1,4, но жидкости с более высоким показателем преломления позволят увеличить эффективную числовую апертуру еще больше. Были созданы экспериментальные установки, использующие длину волны 157 нм от F2 эксимерного лазера аналогичным образом, как современные системы экспонирования. Ранее они рассматривались как замена 193-нм литографии на технологическом узле 65 нм, но теперь практически полностью вытеснены внедрением погружной литографии. Это было связано с постоянными техническими проблемами технологии 157 нм и экономическими факторами, которые стимулировали дальнейшее использование технологии эксимерной лазерной литографии 193 нм. Погружная литография с высоким показателем преломления – это новейшее расширение 193-нм литографии. В 2006 году IBM продемонстрировала элементы размером менее 30 нм с использованием этой техники. В этих системах использовались линзы из фторида кальция (CaF2). Исследовалась погруженная литография при 157 нм. Ультрафиолетовые эксимерные лазеры были продемонстрированы в диапазоне до 126 нм (для Ar2*). Ртутные дуговые лампы предназначены для поддержания стабильного постоянного тока от 50 до 150 вольт, однако эксимерные лазеры обеспечивают более высокое разрешение. Эксимерные лазеры – это газовые световые системы, обычно заполненные инертными и галогенидными газами (Kr, Ar, Xe, F и Cl), которые возбуждаются электрическим полем. Чем выше частота, тем выше разрешение изображения. KrF лазеры способны работать на частоте 4 кГц. Помимо работы на более высокой частоте, эксимерные лазеры совместимы с более продвинутым оборудованием, чем ртутные дуговые лампы. Они также могут работать с больших расстояний (до 25 метров) и поддерживать свою точность с помощью серии зеркал и линз с антиотражающим покрытием. Благодаря использованию нескольких лазеров и зеркал минимизируются потери энергии, а поскольку линзы покрыты антиотражающим материалом, интенсивность света остается относительно постоянной от выхода лазера до попадания на пластину. Лазеры также использовались для косвенного генерирования некогерентного экстремального ультрафиолетового (EUV) света с длиной волны 13,5 нм для экстремальной ультрафиолетовой литографии. EUV свет не излучается лазером, а генерируется плазмой олова или ксенона, возбуждаемой эксимерным или другим лазером. Эта техника не требует синхротрона, и, как отмечалось, источники EUV не производят когерентный свет. Однако для работы с ультрафиолетовым излучением на границе рентгеновского спектра (который начинается с 10 нм) необходимы вакуумные системы и ряд новых технологий (включая значительно более высокие энергии EUV, чем те, которые производятся сейчас). По состоянию на 2020 год EUV используется в массовом производстве ведущими производителями, такими как TSMC и Samsung. Теоретически, альтернативным источником света для фотолитографии, особенно при дальнейшем уменьшении длин волн до экстремального ультрафиолета или рентгеновского излучения, является лазер на свободных электронах (или, можно сказать, хазер для рентгеновского устройства). Лазеры на свободных электронах могут генерировать высококачественные пучки на произвольных длинах волн. Для литографии также применялись видимые и инфракрасные фемтосекундные лазеры. В этом случае фотохимические реакции инициируются многофотонным поглощением. Использование этих источников света имеет много преимуществ, включая возможность изготовления настоящих 3D-объектов и обработки непрочувствительных (чистых) стекол с превосходной оптической стойкостью.

Historically, photolithography has used ultraviolet light from gas discharge lamps using mercury, sometimes in combination with noble gases such as xenon. These lamps produce light across a broad spectrum with several strong peaks in the ultraviolet range. This spectrum is filtered to select a single spectral line. From the early 1960s through the mid 1980s, Hg lamps had been used in lithography for their spectral lines at 436 nm ("g line"), 405 nm ("h line") and 365 nm ("i line"). However, with the semiconductor industry's need for both higher resolution (to produce denser and faster chips) and higher throughput (for lower costs), lamp based lithography tools were no longer able to meet the industry's high end requirements. This challenge was overcome in 1982 when excimer laser lithography was proposed and demonstrated at IBM by Kanti Jain. Excimer laser lithography machines (steppers and scanners) became the primary tools in microelectronics production, and has enabled minimum features sizes in chip manufacturing to shrink from 800 nanometers in 1990 to 7 nanometers in 2018. From an even broader scientific and technological perspective, in the 50 year history of the laser since its first demonstration in 1960, the invention and development of excimer laser lithography has been recognized as a major milestone. The commonly used deep ultraviolet excimer lasers in lithography systems are the krypton fluoride (KrF) laser at 248 nm wavelength and the argon fluoride laser (ArF) at 193 nm wavelength. The primary manufacturers of excimer laser light sources in the 1980s were Lambda Physik (now part of Coherent, Inc.) and Lumonics. Since the mid 1990s Cymer Inc. has become the dominant supplier of excimer laser sources to the lithography equipment manufacturers, with Gigaphoton Inc. as their closest rival. Generally, an excimer laser is designed to operate with a specific gas mixture; therefore, changing wavelength is not a trivial matter, as the method of generating the new wavelength is completely different, and the absorption characteristics of materials change. For example, air begins to absorb significantly around the 193 nm wavelength; moving to sub 193 nm wavelengths would require installing vacuum pump and purge equipment on the lithography tools (a significant challenge). An inert gas atmosphere can sometimes be used as a substitute for a vacuum, to avoid the need for hard plumbing. Furthermore, insulating materials such as silicon dioxide, when exposed to photons with energy greater than the band gap, release free electrons and holes which subsequently cause adverse charging. Optical lithography has been extended to feature sizes below 50 nm using the 193 nm ArF excimer laser and liquid immersion techniques. Also termed immersion lithography, this enables the use of optics with numerical apertures exceeding 1.0. The liquid used is typically ultra pure, deionised water, which provides for a refractive index above that of the usual air gap between the lens and the wafer surface. The water is continually circulated to eliminate thermally induced distortions. Water will only allow NA'''s of up to ~1.4, but fluids with higher refractive indices would allow the effective NA'' to be increased further. Experimental tools using the 157 nm wavelength from the F2 excimer laser in a manner similar to current exposure systems have been built. These were once targeted to succeed 193 nm lithography at the 65 nm feature size node but have now all but been eliminated by the introduction of immersion lithography. This was due to persistent technical problems with the 157 nm technology and economic considerations that provided strong incentives for the continued use of 193 nm excimer laser lithography technology. High index immersion lithography is the newest extension of 193 nm lithography to be considered. In 2006, features less than 30 nm were demonstrated by IBM using this technique. These systems used CaF2 calcium fluoride lenses. Immersion lithography at 157 nm was explored. UV excimer lasers have been demonstrated to about 126 nm (for Ar2*). Mercury arc lamps are designed to maintain a steady DC current of 50 to 150 Volts, however excimer lasers have a higher resolution. Excimer lasers are gas based light systems that are usually filled with inert and halide gases (Kr, Ar, Xe, F and Cl) that are charged by an electric field. The higher the frequency, the greater the resolution of the image. KrF lasers are able to function at a frequency of 4 kHz In addition to running at a higher frequency, excimer lasers are compatible with more advanced machines than mercury arc lamps are. They are also able to operate from greater distances (up to 25 meters) and are able to maintain their accuracy with a series of mirrors and antireflective coated lenses. By setting up multiple lasers and mirrors, the amount of energy loss is minimized, also since the lenses are coated with antireflective material, the light intensity remains relatively the same from when it left the laser to when it hits the wafer. Lasers have been used to indirectly generate non coherent extreme UV (EUV) light at 13.5 nm for extreme ultraviolet lithography. The EUV light is not emitted by the laser, but rather by a tin or xenon plasma which is excited by an excimer or laser. This technique does not require a synchrotron, and EUV sources, as noted, do not produce coherent light. However vacuum systems and a number of novel technologies (including much higher EUV energies than are now produced) are needed to work with UV at the edge of the X ray spectrum (which begins at 10 nm). As of 2020, EUV is in mass production use by leading edge foundries such as TSMC and Samsung. Theoretically, an alternative light source for photolithography, especially if and when wavelengths continue to decrease to extreme UV or X ray, is the free electron laser (or one might say xaser for an X ray device). Free electron lasers can produce high quality beams at arbitrary wavelengths. Visible and infrared femtosecond lasers were also applied for lithography. In that case photochemical reactions are initiated by multiphoton absorption. Usage of these light sources have a lot of benefits, including possibility to manufacture true 3D objects and process non photosensitized (pure) glass like materials with superb optical resiliency.

Экспериментальные методы

Фотолитография уже много лет опровергает прогнозы о её закате. Например, к началу 1980-х годов многие в полупроводниковой отрасли полагали, что оптически невозможно напечатать элементы размером менее 1 микрона. Современные методы, использующие эксимерную лазерную литографию, уже позволяют создавать элементы с размерами, составляющими долю длины волны используемого света – впечатляющее оптическое достижение. Новые технологии, такие как иммерсионная литография, двухтоновый фоторезист и многократное маскирование, продолжают повышать разрешение литографии на длине волны 193 нм. Параллельно текущие исследования изучают альтернативы традиционному УФ-излучению, такие как литография электронным лучом, рентгеновская литография, экстремальная ультрафиолетовая литография и ионно-проекционная литография. Экстремальная ультрафиолетовая литография с 2018 года используется в массовом производстве, и за Samsung примеру последовали другие производители. Массивно-параллельная литография электронным лучом рассматривалась как альтернатива фотолитографии и была протестирована компанией TSMC, но не показала успеха, и технология, разработанная компанией MAPPER, была приобретена ASML, хотя литография электронным лучом в определенный момент применялась IBM для производства микросхем. В настоящее время литография электронным лучом используется только в узкоспециализированных областях, таких как производство фотомасок.

Экономика

В 2001 году публикация NIST сообщила, что процесс фотолитографии составлял около 35% от общей стоимости обработки пластин. В 2021 году стоимость индустрии фотолитографии превысила 8 миллиардов долларов США.