A litografia por imersão é uma técnica utilizada na fabricação de semicondutores para aumentar a resolução e a precisão do processo fotolitográfico. Ela consiste no uso de um meio líquido, tipicamente água, entre a lente e o wafer durante a etapa de exposição. Ao empregar um líquido com índice de refração maior que o do ar, a litografia por imersão permite a formação de estruturas com dimensões menores sobre o wafer. Como o líquido possui índice de refração maior que o do ar, ocorre um aumento efetivo da abertura numérica (NA) do sistema óptico. Isso reduz o comprimento de onda efetivo da radiação no meio e melhora a capacidade do sistema de resolver padrões menores. Como consequência, torna-se possível produzir estruturas com dimensões críticas mais reduzidas e com maior controle dimensional. Essa técnica foi fundamental para estender a viabilidade da litografia óptica baseada em radiação ultravioleta profunda (DUV), permitindo a fabricação de nós tecnológicos mais avançados sem a necessidade imediata de migração para comprimentos de onda ainda menores. Além disso, a litografia por imersão exige controle rigoroso de pureza do fluido, estabilidade térmica e dinâmica do escoamento, para evitar defeitos, bolhas ou distorções ópticas durante a exposição. As ferramentas atuais de litografia por imersão utilizam água altamente purificada como meio líquido, possibilitando a obtenção de dimensões críticas de estruturas inferiores a 45 nanômetros.

Fundo A melhoria da resolução de sistemas ópticos por meio do uso de líquidos de imersão é conhecida há muito tempo na área da microscopia (ver imersão em microscopia). O índice de refração maior em comparação com o ar (n > n_ar ≈ 1) provoca um aumento da abertura numérica dos sistemas ópticos e, consequentemente, maior profundidade de imagem, bem como uma melhoria do poder de resolução. O uso de técnicas de imersão na fotolitografia foi registrado pela primeira vez em 1981 em um pedido de patente da Hitachi, considerado novamente no final da década de 1980 e demonstrado em um microscópio de imersão. No final da década de 1990, foi demonstrado para sistemas modernos de fotorresiste, e desde o início dos anos 2000 sua implementação técnica passou a ser perseguida com maior intensidade. O ponto de partida foi a constatação de que os sistemas litográficos convencionais “secos” — ou seja, sem meio de imersão — em um futuro previsível não seriam mais capazes de fornecer as resoluções necessárias. Nesse contexto, a litografia por imersão surgiu como um candidato promissor para continuar a escalabilidade dos circuitos microeletrônicos. A capacidade de resolver estruturas na litografia óptica está diretamente relacionada à abertura numérica (NA) do equipamento de imageamento, sendo a abertura numérica definida como o seno do ângulo máximo de refração multiplicado pelo índice de refração do meio através do qual a luz se propaga. Nas máquinas de fotolitografia “seca” de mais alta resolução, as lentes focalizam a luz em um cone cujo limite é quase paralelo à superfície do wafer. Como não é possível aumentar a resolução por meio de refração adicional nessas condições, ganhos extras de resolução são obtidos pela inserção de um meio de imersão com índice de refração mais elevado entre a lente e o wafer.A difusão (borramento) da imagem é reduzida por um fator equivalente ao índice de refração do meio. Por exemplo, na litografia por imersão em água utilizando luz ultravioleta com comprimento de onda de 193 nm, o índice de refração é aproximadamente 1,44. O ganho de resolução proporcionado pela litografia por imersão é de aproximadamente 30–40%, dependendo dos materiais utilizados. Além disso, a profundidade de foco — ou seja, a tolerância a variações de planicidade topográfica do wafer — é melhorada em comparação com o equipamento “seco” equivalente operando na mesma resolução. A ideia da litografia por imersão foi patenteada em 1984 por Takanashi et al. Também foi proposta pelo engenheiro taiwanês Burn J. Lin e desenvolvida na prática durante a década de 1980. Em 2004, o diretor de tecnologia de silício da IBM, Ghavam Shahidi, anunciou que a IBM planejava comercializar litografia baseada em luz filtrada através de água.

Fotolitografia de 157 nm Durante muito tempo, a transição da fotolitografia para sistemas com comprimentos de onda cada vez menores foi um fator essencial para melhorar a resolução de imagem. Por isso, antes da introdução da litografia por imersão de 193 nm, também se pesquisou sobre sistemas “secos” com comprimento de onda menor que o já utilizado laser excimer ArF (comprimento de onda de 193 nm). Um candidato para isso era o laser excimer F2, com comprimento de onda de 157,67 nm. Com esse sistema, resoluções mais altas teriam sido possíveis mesmo sem os materiais de alto índice de refração necessários em um sistema de imersão. No entanto, a transição para a litografia de 157 nm — que até o início dos anos 2000 ainda era considerada um candidato real para substituir ou suceder os sistemas secos de 193 nm existentes — mostrou-se mais difícil do que o esperado. A litografia por imersão de 193 nm, por outro lado, fez progressos decisivos. Com a decisão da Intel (então, como hoje, uma das impulsionadoras tecnológicas na indústria de semicondutores) e de outros fabricantes de semicondutores e equipamentos a favor da litografia por imersão de 193 nm com água ultrapura e contra a exposição com 157 nm, o desenvolvimento da fotolitografia de 157 nm desacelerou significativamente e, no mais tardar com a edição do ITRS de 2005, essa técnica deixou de ser considerada uma alternativa ou sucessora da fotolitografia de 193 nm (por imersão). Desafios essenciais no desenvolvimento tecnológico da fotolitografia de 157 nm incluíam, entre outros, a busca por novos fotoresistes e materiais para lentes. A procura por novos fotoresistes adequados à tecnologia de 157 nm foi dificultada principalmente pelo comportamento de absorção das moléculas orgânicas normalmente utilizadas. Grupos fenólicos e de ácido carboxílico, por exemplo, absorvem muito bem radiação ultravioleta com comprimento de onda de 157 nm, de modo que a radiação não consegue penetrar suficientemente fundo na camada de fotoresiste. O problema da absorção excessiva também ocorre em materiais (de alto índice de refração) para lentes e fluidos de imersão. Assim, o comprimento de onda da radiação UV de 157 nm situa-se na borda da janela de transmissão do quartzo especial normalmente utilizado (Suprasil 3301/3302). Isso provoca, entre outras consequências, maior aquecimento durante a operação, o que por sua vez afeta negativamente o sistema óptico e a precisão de imagem. Cristais de CaF2 apresentam transmissão suficiente em 157 nm. Contudo, a fabricação e o processamento complexos de cristais de grande dimensão resultam em baixos rendimentos e custos relativamente altos. Em líquidos de imersão de alto índice de refração, o aumento do coeficiente de absorção tem efeito ainda mais forte. Por exemplo, nos frequentemente preferidos perfluoropoliéteres (PFPE) — que são quimicamente inertes, não tóxicos, não corrosivos e amplamente adequados para salas limpas — o coeficiente de absorção aumenta de 0,1–0,6 cm−1 em 193 nm para 6–19 cm−1 em 157 nm. Alguns poucos PFPE apresentam coeficiente de absorção suficientemente baixo (inferior a 1 cm−1) em 157 nm. Entretanto, nesses casos, o coeficiente de absorção aumenta significativamente após doses mais altas de radiação, ou seja, eles não são suficientemente resistentes à radiação laser. Portanto, até o momento, considera-se que ainda não existem materiais adequados disponíveis para uso industrial.

Defeitos Preocupações com defeitos — por exemplo, água residual deixada na superfície (marcas de água) e perda de adesão entre o fotorresiste e a água (formação de lacunas de ar ou bolhas) — levaram à consideração do uso de uma camada de recobrimento (topcoat) diretamente sobre o fotorresiste. Esse topcoat atuaria como uma barreira à difusão química entre o meio líquido e o fotorresiste. Além disso, a interface entre o líquido e o topcoat seria otimizada para reduzir a formação de marcas de água. Ao mesmo tempo, deve-se evitar a introdução de defeitos associados ao próprio uso do topcoat. A partir de 2005, os Topcoats foram ajustados para uso como revestimentos antirreflexo, especialmente para casos hiper-NA (NA>1). Em 2008, a contagem de defeitos em wafers impressos por litografia de imersão atingiu a capacidade de nível zero.

Impactos da polarização Por volta do ano 2000, os efeitos de polarização decorrentes dos altos ângulos de interferência no fotorresiste passaram a ser considerados à medida que as dimensões das estruturas se aproximavam de 40 nm. Assim, as fontes de iluminação geralmente precisam ser polarizadas azimutalmente para corresponder à iluminação em polos (pole illumination), a fim de obter imageamento ideal de padrões do tipo linha-espaço.

Capacidade de processamento

A partir de 1996, isso foi alcançado por meio do aumento das velocidades do estágio (stage), o que, por sua vez, a partir de 2013, passou a ser viabilizado por fontes de laser ArF pulsadas de maior potência. Especificamente, a taxa de produção (throughput) é diretamente proporcional à velocidade do estágio V, a qual está relacionada à dose D, à largura da fenda retangular S e à intensidade na fenda Iss (diretamente relacionada à potência do pulso) pela relação: V = Iss · S / D A altura da fenda é igual à altura do campo de exposição. A largura da fenda S, por sua vez, é limitada pelo número de pulsos necessários para atingir a dose (n), dividido pela frequência dos pulsos do laser (f), na velocidade máxima de varredura Vmax, conforme: S = Vmax · n / f Para frequência f e número de pulsos n fixos, a largura da fenda será proporcional à velocidade máxima do estágio. Assim, a taxa de produção, para uma dose fixa, é aumentada tanto pelo aumento da velocidade máxima do estágio quanto pelo aumento da potência dos pulsos do laser. Em 2015, a ASML relatou que sua plataforma de litografia por imersão TWINSCAN NXT:1980Di alcançou taxas de processamento de até 275 wafers por hora (WPH), sendo direcionada à fabricação em alto volume (HVM, high-volume manufacturing).

Padrões múltiplos

O limite de resolução para uma ferramenta de imersão de 1,35 NA operando em um comprimento de onda de 193 nm é de 36 nm. Ir além desse limite para nós abaixo de 20 nm requer multipadronização. Em 2016, a Samsung anunciou testes bem-sucedidos de um SoC de 10 nm usando tripla padronização, com previsão de produção em massa em 2017.

Referências