derecha|miniaturadeimagen|350x350px|Mecanismo de formación de imágenes en litografía UVE. Parte superior: UVE multicapa y absorbente (púrpura) que constituye un patrón de máscara para obtener imágenes de una línea. Parte inferior: la radiación UVE (roja) reflejada por el patrón de la máscara se absorbe en la resistencia (amarillo) y el sustrato (marrón), produciendo fotoelectrones y electrones secundarios (azul). Estos electrones aumentan la extensión de las reacciones químicas en la resistencia. Un patrón de electrones secundarios de naturaleza aleatoria se superpone a la imagen óptica. La exposición secundaria a electrones no deseada produce una pérdida de resolución, una rugosidad observable en el borde de la línea y una variación del ancho de línea. derecha|miniaturadeimagen|348x348px|Aspecto estocástico de la formación de imágenes UVE. El ruido de la toma de fotones puede causar una variación significativa de la dosis local, que puede cruzar el umbral de impresión (línea de puntos). La litografía ultravioleta extrema (también conocida como UVE, LUVE o EUV, EUVL, por sus siglas en inglés)es una tecnología de vanguardia utilizada en la industria de semiconductores para fabricar circuitos integrados (CI). Es un tipo de fotolitografía que utiliza luz ultravioleta extrema (UVE) para crear patrones intrincados en obleas de silicio. La gama de longitudes de onda UVE utilizadas abarca aproximadamente un ancho de banda de 2% FWHM de aproximadamente 13,5nm.
Si bien la tecnología UVE está disponible para la producción en masa, menos de cincuenta máquinas en todo el mundo son capaces de producir obleas utilizando la técnica; en comparación, a partir de 2013, más de 200 sistemas de inmersión en litografía ultravioleta profunda (UVP o DUV por sus siglas en inglés) ya estaban implementados.ASML Q2 2013 report. A partir del tercer trimestre de 2019, 5,7 millones de obleas han sido expuestas en herramientas de producción de UVE; Se expusieron 1,7 millones de obleas solo en Q1-Q3, mientras que el número de herramientas aumentó de 31 a 45 (del orden de 10obleas por hora por herramienta). Los problemas que dificultan la adopción de UVE son los costos de las herramientas (los escáneres UVE de ASML pueden costar hasta US$120 millones), "The list price of ASML’s newest EUV machine exceeds €100 million" tiempo de actividad de la herramienta y fenómenos estocásticos.
A partir de 2023, ASML Holding es la única empresa que produce y vende sistemas UVE para la producción de chips, principalmente dirigidos a 5nm y nodos de 3nm. En el International Electron Devices Meeting (IEDM) de 2019, TSMC informó del uso de UVE para 5nm en capas de contacto, vías, líneas metálicas y cortes, donde los cortes pueden aplicarse a aletas, puertas o líneas metálicas.G. Yeap et al., 36.7,IEDM 2019.O. Adan and K. Houchens, Proc. SPIE 10959, 1095904 (2019).
Herramienta derecha|miniaturadeimagen|300x300px|Herramienta de LUVE, Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.La herramienta consiste en una fuente de luz de plasma de estaño (Sn) accionada por láser, ópticas reflectivas que comprenden espejos de múltiples capas, contenidas dentro de un ambiente de gas hidrógeno. El hidrógeno se utiliza para mantener el espejo colector UVE en la fuente libre de deposición de Sn.
LUVE es una desviación significativa del estándar de litografía ultravioleta profunda. Toda la materia absorbe la radiación UVE. Por lo tanto, la litografía UVE requiere un vacío. Todos los elementos ópticos, incluida la fotomáscara, deben usar multicapas de molibdeno/silicio (Mo/Si) sin defectos (que consisten en bicapas de 40 Mo/Si) que actúan para reflejar la luz por medio de la interferencia entre capas; Cualquiera de estos espejos absorbe alrededor del 30% de la luz incidente.
Los sistemas LUVE actuales contienen al menos dos espejos multicapa de condensador, seis espejos multicapa de proyección y un objeto multicapa (máscara). Como la óptica ya absorbe el 96 % de la luz UVE, la fuente de UVE ideal deberá ser mucho más brillante que sus antecesoras. El desarrollo de la fuente UVE se ha centrado en los plasmas generados por láser o pulsos de descarga. El espejo responsable de recoger la luz está directamente expuesto al plasma y, por lo tanto, es vulnerable al daño de los iones de alta energíaH. Komori et al., Proc. SPIE 5374, pp. 839–846 (2004).B. A. M. Hansson et al., Proc. SPIE 4688, pp. 102–109 (2002). y otros escombros.S. N. Srivastava et al., J. Appl. Phys.' 102, 023301 (2007).
Requerimientos de recursos UtilidadSalida de 200 W UVE90 W de salida ArF inmersión doble patrónPotencia eléctrica (kW)53249Flujo de agua de enfriamiento (L/min)160075Gas lines63
Fuente: Gigaphoton, Sematech Symposium Japan, 15 de septiembre de 2010
Los recursos de utilidad requeridos son significativamente más grandes para UVE en comparación con la inmersión de 193 nm, incluso con dos exposiciones utilizando esta última. Hynix informó en el simposio de UVE de 2009 que la eficiencia del tapón de pared era ~0,02 % para UVE, es decir, para obtener 200 vatios a un enfoque intermedio por 100 obleas por hora, uno requeriría 1 MW de potencia de entrada, en comparación con 165 kW para un escáner de inmersión ArF, y que incluso con el mismo rendimiento, la huella del escáner UVE fue aproximadamente 3 veces la huella de un escáner de inmersión ArF, lo que resultó en una pérdida de productividad. Además, para confinar desechos de iones, se puede requerir un imán superconductor.H. Mizoguchi, "Actualización de Gigaphoton de fuente de luz EUV de plasma producida por láser," Taller de fuente de EUVL, 12 de mayo de 2008.
Una herramienta típica de UVE pesa 180 toneladas.
Resumen de características clave La siguiente tabla resume las diferencias clave entre los sistemas UVE en desarrollo y los sistemas de inmersión ArF que ya se utilizan ampliamente en la producción actual:
UVEInmersión ArFLongitud de onda13,5 nm193 nmEnergía de fotones92 eV6,4 eVFuente de luzCO2 láser + Sn plasmaArF excimer láserAncho de banda de longitud de onda5,9 %<0,16Electrones secundarios producidos por absorción.SiNoÓpticasMulticapas reflectantes (~40 % de absorción por espejo)Lentes transmisivasApertura numérica (NA)0,25: NXE:3100 0,33: NXE:33x0 y NXE:3400B Alta NA (0,55): en desarrollo1,2, 1,35Resolución spec Nota: k1 definido aquí como resolución / (longitud de onda / apertura numérica)NXE:3100: 27 nm (k1=0,5)NXE:3300B: 22 nm (k1=0,54), 18 nm (k1=0,44) con iluminación fuera de ejeNXE:3350B: 16 nm (k1=0,39)NXE:3400B: 13 nm (k1=0,32)38 nm (k1=0,27)Llamarada4 %<1 %IluminaciónÁngulo central 6 grados fuera del eje sobre la retículaEn ejeTamaño del campo0,25 y 0,33 NA: 26 mm X 33 mm Alta NA: 26 mm X 16,5 mm26 mm X 33 mmAumento0,25 y 0,33 NA: 4X isomorfo Alta NA: 4X/8X anamórfico4XAmbienteVacío de hidrógenoAire (área expuesta de la oblea bajo el agua)Control de aberraciones (incluyendo térmica)NingunaSi, e.g., FlexWaveY. Wang and Y. Liu, Proc. SPIE 9283, 928314 (2014).Ranura de iluminaciónEn forma de arcoRectangularRetículoPatrón en multicapa reflectantePatrón sobre sustrato transmisivo.Cambio de patrón de oblea con posición vertical del retículo.Sí (debido a la reflexión); ~1:40NoPelículaDisponible, pero tiene problemas.SíObleas por día (Nota: depende de la herramienta y la dosis)10006000# herramientas en campo36 (todos los modelos de herramienta 0,33 NA)>400
Los diferentes grados de resolución entre las herramientas de 0,33 NA se deben a las diferentes opciones de iluminación.
Fuente de luz, rendimiento y disponibilidad izquierda|miniaturadeimagen|300x300px|UVE TPT en función de la dosis. El rendimiento de la oblea de una herramienta UVE es en realidad una función de la dosis de exposición, para una fuente de energía fija. derecha|miniaturadeimagen|350x350px|La degradación del colector UVE a lo largo del tiempo. La reflectividad del colector UVE se degrada en un 10 % en un día (~4 mil millones de pulsos de 50 kHz), lo que lleva a una pérdida de tiempo de actividad y rendimiento. Los átomos neutros o la materia condensada no pueden emitir radiación UV. La ionización debe preceder a la misión UVE en la materia. La producción térmica de iones positivos compartidos solo es posible en un plasma denso en caliente, que a su vez absorbe fuertemente la UVE. A partir de 2016, la fuente de luz UVE establecida es un plasma Sn pulsado con láser. Los iones absorben la luz UVE que emiten, y son neutralizados fácilmente por los electrones en el plasma para reducir los estados de carga que producen luz principalmente en otras longitudes de onda inutilizables, lo que resulta en una eficiencia de la luz muy reducida para la litografía con una mayor densidad de potencia del plasma.
El rendimiento está vinculado a la fuente de alimentación, dividido por la dosis.I. Fomenkov et al., Adv. Opt. Tech. 6, 173 (2017). Una dosis más alta requiere un movimiento de etapa más lento (menor rendimiento) si no se puede aumentar la potencia del pulso.
El colector UVE tiene una vida útil del orden de meses, durante el cual la transmisión disminuye constantemente, más del 10 % en un día (10 mil millones de pulsos de 50 kHz). Esto podría ser debido a la acumulación de residuos de Sn mencionados anteriormente que no se limpian completamente. Por otro lado, las herramientas de litografía de inmersión convencionales para patrones dobles brindan resultados consistentes hasta por un año.R. Rokitski et al., Proc. SPIE 7640, 76401Q (2010).
Recientemente, el iluminador NXE: 3400B presenta un índice de llenado de pupila (PFR) más pequeño hasta un 20 % sin pérdida de transmisión.M. van de Kerkhof et al., Proc. SPIE 10143, 101430D (2017). La PFR está maximizada y es mayor que 0,2 alrededor de un paso metálico de 45 nm.Y. Chen et al., J.Vac. Sci. Tech. B35, 06G601 (2017).
Debido al uso de espejos UVE que también absorben la luz UVE, solo una pequeña fracción de la fuente de luz está finalmente disponible en la oblea. Hay 4 espejos utilizados para la óptica de iluminación y 6 espejos para la óptica de proyección. La máscara o retícula UVE es en sí misma un espejo adicional. Con 11 reflejos, solo ~2 % de la fuente de luz UVE está disponible en la oblea.Dr. Hakaru Mizoguchi, Hiroaki Nakarai, Tamotsu Abe, Krzysztof M Nowak, Yasufumi Kawasuji, Hiroshi Tanaka, Yukio Watanabe, Tsukasa Hori, Takeshi Kodama, Yutaka Shiraishi, Tatsuya Yanagida, Georg Soumagne, Tsuyoshi Yamada, Taku Yamazaki and Takashi Saitou. «High power lpp-euv source with long collector mirror lifetime for high volume semiconductor manufacturing». Hiratsuka facility: 3-25-1 Shinomiya Hiratsuka Kanagawa,254-8567, JAPAN.
Otra complicación para el rendimiento de la herramienta UVE es la forma de anillo de la ranura de exposición, en contraste con la forma rectangular convencional. En consecuencia, el ancho y la altura de la hendidura se confunden efectivamente de una manera complicada.
Tiempo de actividad de la herramienta La fuente de luz UVE limita el tiempo de actividad de la herramienta además del rendimiento. En un período de dos semanas, por ejemplo, se pueden programar más de siete horas de tiempo de inactividad, mientras que el tiempo de inactividad real total, incluidos los problemas no programados, podría exceder fácilmente un día. Un error de dosis superior al 2 % garantiza el tiempo de inactividad de la herramienta.
Comparación con otras fuentes de luz litográficas Mientras que los láseres de excímero ArF de 193 nm de vanguardia ofrecen intensidades de 200 W/cm², los láseres para producir plasmas generadores de UVE deben ser mucho más intensos, del orden de 1011 W/cm². Una fuente de luz de litio de inmersión de 120 W de ArF de última generación no requiere más de 40 kW,T. Asayama et al., Proc. SPIE vol. 8683, 86831G (2013). mientras que las fuentes UVE están destinadas a superar los 40 kW.