Fotolitografía

La fotolitografía (también conocida como litografía óptica ) es un proceso que consiste en utilizar luz para transferir un patrón a una capa de fotorresina depositada sobre una muestra, normalmente una oblea de silicio . Se utiliza en la fabricación de circuitos integrados .

El proceso comienza con la aplicación de un material fotosensible, denominado fotorresina , sobre el sustrato. A continuación, se coloca una fotomáscara con el patrón deseado sobre la fotorresina. Se ilumina la fotomáscara, exponiendo la fotorresina en ciertas zonas. Estas zonas expuestas experimentan un cambio químico que las hace solubles o insolubles en una solución reveladora. Tras el revelado, el patrón se transfiere a la muestra mediante procesos de grabado , deposición química de vapor , deposición física de vapor , galvanoplastia o implantación iónica .

Los procesos de fotolitografía se pueden clasificar según el tipo de luz utilizada, incluyendo litografía ultravioleta, litografía ultravioleta profunda, litografía ultravioleta extrema (EUVL) y litografía de rayos X. La longitud de onda de la luz utilizada determina el tamaño mínimo de las características que se pueden formar en la fotorresina. Generalmente se utiliza luz ultravioleta (UV) . ^{[ 1 ]}

La fotolitografía es el método más común para la fabricación de semiconductores, específicamente para circuitos integrados (CI o chips), como memorias de estado sólido y microprocesadores . Permite crear patrones extremadamente pequeños, de tan solo unos pocos nanómetros , y proporciona un control preciso de la forma y el tamaño de los objetos que crea. Puede generar patrones en toda una oblea en un solo paso, de forma rápida y con un coste relativamente bajo. En circuitos integrados complejos, una oblea puede someterse al ciclo fotolitográfico hasta 50 veces. También es una técnica importante para la microfabricación en general, como la fabricación de sistemas microelectromecánicos . Sin embargo, la fotolitografía no se puede utilizar para producir máscaras en superficies que no sean perfectamente planas. Además, como todos los procesos de fabricación de chips, requiere condiciones de operación extremadamente limpias.

La fotolitografía es una subclase de la microlitografía , término general para los procesos que generan películas delgadas con patrones. Otras tecnologías de esta clase más amplia incluyen el uso de haces de electrones orientables o, más raramente, la nanoimpresión , la interferencia , los campos magnéticos o las sondas de escaneo . En un nivel más general, puede competir con el autoensamblaje dirigido de micro y nanoestructuras. ^{[ 2 ]}

La fotolitografía comparte algunos principios fundamentales con la fotografía, ya que el patrón en la fotorresina se crea al exponerla a la luz, ya sea directamente mediante proyección a través de una lente o iluminando una máscara colocada directamente sobre el sustrato, como en la impresión por contacto . Esta técnica también puede considerarse una versión de alta precisión del método utilizado para fabricar placas de circuitos impresos . El nombre proviene de una analogía con el método fotográfico tradicional de producción de planchas para impresión litográfica sobre papel; ^{[ 3 ]} sin embargo, las etapas posteriores del proceso tienen más en común con el grabado que con la litografía tradicional.

Las fotorresistencias convencionales suelen constar de tres componentes: resina, sensibilizador y disolvente.

Las raíces de las palabras «foto» , «litografía » y «grafía» tienen origen griego y significan, respectivamente, «luz», «piedra» y «escritura». Como sugiere el nombre derivado de ellas, la fotolitografía es un método de impresión (originalmente basado en el uso de planchas de piedra caliza) en el que la luz desempeña un papel fundamental.

En la década de 1820, Nicéphore Niépce inventó un proceso fotográfico que utilizaba betún de Judea , un asfalto natural, como primera fotorresina . Una fina capa de betún sobre una lámina de metal, vidrio o piedra se volvía menos soluble en las zonas expuestas a la luz; las partes no expuestas podían eliminarse con un disolvente adecuado, dejando al descubierto el material subyacente, que posteriormente se grababa químicamente en un baño de ácido para producir una plancha de impresión. La sensibilidad a la luz del betún era muy baja y requería exposiciones muy prolongadas, pero a pesar de la posterior introducción de alternativas más sensibles, su bajo coste y su excelente resistencia a los ácidos fuertes prolongaron su comercialización hasta principios del siglo XX.

En 1940, Oskar Süß creó una fotorresina positiva utilizando diazonaftoquinona , que funcionaba de manera opuesta: el recubrimiento era inicialmente insoluble y se volvía soluble donde se exponía a la luz. ^{[ 4 ]} En 1954, Louis Plambeck Jr. desarrolló la plancha de impresión tipográfica polimérica Dycryl, que aceleró el proceso de fabricación de planchas. ^{[ 5 ]} El revelado de fotorresinas solía realizarse en lotes de obleas (procesamiento por lotes) sumergidas en un baño de revelador, pero los procesos modernos realizan el revelado de una oblea a la vez (procesamiento de una sola oblea) para mejorar el control del proceso. ^{[ 6 ]}

En 1957, Jules Andrus patentó un proceso fotolitográfico para la fabricación de semiconductores mientras trabajaba en Bell Labs . ^{[ 7 ] [ 8 ]} Al mismo tiempo, Moe Abramson y Stanislaus Danko del Cuerpo de Señales del Ejército de los Estados Unidos desarrollaron una técnica para imprimir circuitos. ^{[ 8 ]}

En 1952, el ejército estadounidense asignó a Jay W. Lathrop y James R. Nall en la Oficina Nacional de Estándares (más tarde el Laboratorio de Espoletas Diamond Ordnance del Ejército de EE. UU. , que finalmente se fusionó para formar el actual Laboratorio de Investigación del Ejército ) la tarea de encontrar una manera de reducir el tamaño de los circuitos electrónicos para que encajaran mejor en el espacio limitado disponible dentro de una espoleta de proximidad . ^{[ 9 ]} Inspirado por la aplicación de la fotorresina, un líquido fotosensible utilizado para marcar los límites de los agujeros de los remaches en las alas metálicas de los aviones, Nall determinó que se podía utilizar un proceso similar para proteger el germanio en los transistores e incluso modelar la superficie con luz. ^{[ 10 ]} Durante el desarrollo, Lathrop y Nall lograron crear un circuito integrado híbrido miniaturizado 2D con transistores utilizando esta técnica. ^{[ 9 ]} En 1958, durante la conferencia del Grupo Profesional de Dispositivos Electrónicos (PGED) del IRE en Washington, DC, presentaron el primer artículo que describía la fabricación de transistores utilizando técnicas fotográficas y adoptaron el término "fotolitografía" para describir el proceso, marcando el primer uso publicado del término para describir el modelado de dispositivos semiconductores. ^{[ 10 ] [ 3 ]}

A pesar de que la fotolitografía de componentes electrónicos implica el grabado de duplicados metálicos, en lugar del grabado de piedra para producir un "maestro" como en la impresión litográfica convencional, Lathrop y Nall eligieron el término "fotolitografía" en lugar de "fotograbado" porque el primero sonaba a " alta tecnología ". ^{[ 9 ]} Un año después de la conferencia, la patente de Lathrop y Nall sobre fotolitografía fue aprobada formalmente el 9 de junio de 1959. ^{[ 11 ]} La fotolitografía contribuiría más tarde al desarrollo de los primeros circuitos integrados semiconductores, así como de los primeros microchips. ^{[ 9 ]}

Una sola iteración de fotolitografía combina varios pasos en secuencia. Las salas blancas modernas utilizan sistemas automatizados y robóticos de seguimiento de obleas para coordinar el proceso. ^{[ 12 ]} El procedimiento descrito aquí omite algunos tratamientos avanzados, como los agentes adelgazantes. ^{[ 13 ]} El proceso de fotolitografía se lleva a cabo mediante el sistema de seguimiento de obleas y el sistema de paso/escáner, y ambos sistemas están instalados uno al lado del otro. Los sistemas de seguimiento de obleas también se conocen como sistemas de recubrimiento/revelado de obleas, que realizan las mismas funciones. ^{[ 14 ] [ 15 ]} Los sistemas de seguimiento de obleas reciben su nombre de las "vías" utilizadas para transportar las obleas dentro de la máquina, ^{[ 16 ]} pero las máquinas modernas no utilizan vías. ^{[ 15 ]}

Los sistemas de exposición suelen generar una imagen en la oblea mediante una fotomáscara . La fotomáscara bloquea la luz en algunas zonas y la deja pasar en otras. ( La litografía sin máscara proyecta un haz preciso directamente sobre la oblea sin utilizar una máscara, pero no se usa ampliamente en procesos comerciales). Los sistemas de exposición se pueden clasificar según la óptica que transfiere la imagen de la máscara a la oblea.

La fotolitografía produce mejores estructuras de transistores de película delgada que la electrónica impresa , debido a capas impresas más lisas, patrones menos ondulados y un registro más preciso de los electrodos de drenaje y fuente. ^{[ 37 ]}

La imagen de la máscara se origina a partir de un archivo de datos computarizado. Este archivo se convierte en una serie de polígonos y se imprime sobre un sustrato cuadrado de cuarzo fundido recubierto con una capa de cromo mediante un proceso fotolitográfico. Un rayo láser (escritura láser) o un haz de electrones (escritura de haz de electrones) se utiliza para exponer el patrón definido por el archivo de datos y se desplaza sobre la superficie del sustrato mediante escaneo vectorial o rasterizado . En las zonas donde se expone la fotorresina de la máscara, el cromo se puede eliminar mediante grabado, dejando un camino libre para que la luz de iluminación del sistema de escaneo/paso a paso se desplace.

La capacidad de proyectar una imagen nítida de una característica pequeña sobre la oblea está limitada por la longitud de onda de la luz utilizada y la capacidad del sistema de lentes reductoras para capturar suficientes órdenes de difracción de la máscara iluminada. Las herramientas de fotolitografía de última generación actuales utilizan luz ultravioleta profunda (DUV) de láseres de excímeros con longitudes de onda de 248 (KrF) y 193 (ArF) nm (la tecnología de litografía dominante hoy en día también se denomina " litografía láser de excímeros "), que permiten tamaños mínimos de características de hasta 50  nm. La litografía láser de excímeros ha desempeñado, por lo tanto, un papel fundamental en el avance continuo de la Ley de Moore durante los últimos 20 años (véase más abajo ^{[ 41 ]} ).

El tamaño mínimo de las características que puede imprimir un sistema de proyección viene dado aproximadamente por:

${\displaystyle CD=k_{1}\cdot {\frac {\lambda }{NA}}}$

dónde${\displaystyle \,CD}$es el tamaño mínimo de la característica (también llamado dimensión crítica , regla de diseño objetivo o " medio paso "),${\displaystyle \,\lambda }$es la longitud de onda de la luz utilizada, y${\displaystyle \,NA}$es la apertura numérica de la lente vista desde la oblea.

${\displaystyle \,k_{1}}$(comúnmente llamado factor k1 ) es un coeficiente que engloba factores relacionados con el proceso y normalmente es igual a 0,4 para la producción.${\displaystyle \,k_{1}}$En realidad, es una función de factores del proceso, como el ángulo de la luz incidente sobre una retícula y la distribución de la intensidad de la luz incidente. Es fijo por proceso. El tamaño mínimo de la característica se puede reducir disminuyendo este coeficiente mediante litografía computacional .

Según esta ecuación, el tamaño mínimo de las características puede reducirse disminuyendo la longitud de onda y aumentando la apertura numérica (para lograr un haz más enfocado y un tamaño de punto más pequeño). Sin embargo, este método de diseño se topa con una limitación contrapuesta. En los sistemas modernos, la profundidad de campo también es un factor importante:

${\displaystyle DOF=k_{2}\cdot {\frac {\lambda }{\,{NA}^{2}}}}$

Aquí,${\displaystyle \,k_{2}}$es otro coeficiente relacionado con el proceso. La profundidad de campo limita el grosor de la fotorresina y la profundidad de la topografía en la oblea. El pulido químico-mecánico se utiliza a menudo para aplanar la topografía antes de los pasos litográficos de alta resolución.

Según la óptica clásica, k1=0,61 por el criterio de Rayleigh . ^{[ 42 ]} La imagen de dos puntos separados por menos de 1,22 longitudes de onda/NA no mantendrá esa separación, sino que será mayor debido a la interferencia entre los discos de Airy de los dos puntos. Sin embargo, también debe recordarse que la distancia entre dos características puede cambiar con el desenfoque. ^{[ 43 ]}

La resolución también es compleja en un contexto bidimensional. Por ejemplo, un espaciado entre líneas más estrecho produce mayores espacios (en la dirección perpendicular) entre los extremos de las líneas. ^{[ 44 ] [ 45 ]} De manera más fundamental, los bordes rectos se vuelven redondeados para las características rectangulares acortadas, donde los espaciados en x e y están cerca del límite de resolución. ^{[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]}

Para nodos avanzados, el desenfoque, en lugar de la longitud de onda, se convierte en el factor limitante de resolución clave. El paso mínimo viene dado por desenfoque sigma/0,14. ^{[ 50 ]} El desenfoque se ve afectado por la dosis ^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]} así como por el rendimiento cuántico , ^{[ 54 ]} lo que lleva a una compensación con defectos estocásticos, en el caso de EUV. ^{[ 55 ] [ 56 ] [ 57 ]}

Además de la resolución, la profundidad de campo (DoF) es otra métrica clave en los sistemas de litografía. La profundidad de campo es inversamente proporcional al cuadrado de la apertura numérica (NA) en los sistemas de litografía por proyección. ^{[ 58 ]} Las estructuras periódicas pueden iluminarse para mejorar considerablemente la profundidad de campo, por ejemplo, la imagen de dos haces para un paso de línea fijo. Por otro lado, las características no periódicas, como los espacios entre puntas, pueden limitar severamente la profundidad de campo, limitando cuánto se pueden reducir; esto limita la resolución más que el paso mínimo. ^{[ 59 ]}

Como la luz se compone de fotones , a bajas dosis la calidad de la imagen depende en última instancia del número de fotones. Esto afecta al uso de la litografía ultravioleta extrema (EUVL), que se limita al uso de bajas dosis del orden de 20 fotones/nm² ^. [ ^{60 ] Esto} se debe a que hay menos fotones para la misma dosis de energía a una longitud de onda más corta (mayor energía por fotón). Con menos fotones en la imagen, se produce ruido en la ubicación de los bordes. ^{[ 61 ]}

Los efectos estocásticos se volverían más complicados con patrones de paso más grandes con más órdenes de difracción y utilizando más puntos de fuente de iluminación. ^{[ 62 ] [ 63 ]}

Los electrones secundarios en la litografía EUV agravan las características estocásticas. ^{[ 64 ]}

Históricamente, la fotolitografía ha utilizado luz ultravioleta de lámparas de descarga de gas que emplean mercurio , a veces en combinación con gases nobles como el xenón . Estas lámparas producen luz en un amplio espectro con varios picos intensos en el rango ultravioleta. Este espectro se filtra para seleccionar una única línea espectral . Desde principios de la década de 1960 hasta mediados de la década de 1980, las lámparas de Hg se utilizaron en litografía por sus líneas espectrales de 436  nm ("línea g"), 405  nm ("línea h") y 365  nm ("línea i"). Sin embargo, debido a la necesidad de la industria de semiconductores de una mayor resolución (para producir chips más densos y rápidos) y un mayor rendimiento (para reducir costes), las herramientas de litografía basadas en lámparas dejaron de satisfacer los exigentes requisitos de la industria.

Este desafío se superó en 1982 cuando Kanti Jain propuso y demostró la litografía láser de excímeros en IBM. ^{[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]} Las máquinas de litografía láser de excímeros (steppers y escáneres) se convirtieron en las herramientas principales en la producción de microelectrónica y han permitido que los tamaños mínimos de las características en la fabricación de chips se reduzcan de 800 nanómetros en 1990 a 7 nanómetros en 2018. ^{[ 69 ] [ 70 ]} Desde una perspectiva científica y tecnológica aún más amplia, en los 50 años de historia del láser desde su primera demostración en 1960, la invención y el desarrollo de la litografía láser de excímeros se ha reconocido como un hito importante. ^{[ 71 ] [ 72 ] [ 73 ]}

Los láseres de excímero ultravioleta profundo más utilizados en sistemas de litografía son el láser de fluoruro de kriptón (KrF) a 248  nm y el láser de fluoruro de argón (ArF) a 193  nm. Los principales fabricantes de fuentes de luz láser de excímero en la década de 1980 fueron Lambda Physik (ahora parte de Coherent, Inc.) y Lumonics. Desde mediados de la década de 1990, Cymer Inc. se ha convertido en el proveedor dominante de fuentes láser de excímero para fabricantes de equipos de litografía, con Gigaphoton Inc. como su principal competidor. Generalmente, un láser de excímero está diseñado para funcionar con una mezcla de gases específica; por lo tanto, cambiar la longitud de onda no es una tarea sencilla, ya que el método para generar la nueva longitud de onda es completamente diferente y las características de absorción de los materiales cambian. Por ejemplo, el aire comienza a absorber significativamente alrededor de los 193  nm; pasar a longitudes de onda inferiores a 193  nm requeriría instalar bombas de vacío y equipos de purga en los equipos de litografía (un desafío considerable). En ocasiones, se puede utilizar una atmósfera de gas inerte como sustituto del vacío, evitando así la necesidad de tuberías rígidas. Además, los materiales aislantes como el dióxido de silicio , al exponerse a fotones con una energía superior a la banda prohibida, liberan electrones y huecos libres que posteriormente provocan una carga adversa.

La litografía óptica se ha extendido a tamaños de características inferiores a 50  nm mediante el  láser excimer ArF de 193 nm y técnicas de inmersión en líquido. También denominada litografía de inmersión , esta técnica permite el uso de ópticas con aperturas numéricas superiores a 1,0. El líquido utilizado suele ser agua ultrapura desionizada, que proporciona un índice de refracción superior al del espacio de aire habitual entre la lente y la superficie de la oblea. El agua se recircula continuamente para eliminar las distorsiones térmicas. El agua solo permite aperturas numéricas de hasta aproximadamente 1,4, pero los fluidos con índices de refracción más altos permitirían aumentar aún más la apertura numérica efectiva.

Se han construido herramientas experimentales que utilizan la  longitud de onda de 157 nm del láser de excímero F2 de manera similar a los sistemas de exposición actuales. Estas herramientas estaban originalmente destinadas a suceder a  la litografía de 193 nm en el  nodo de tamaño de característica de 65 nm, pero ahora han sido prácticamente eliminadas por la introducción de la litografía de inmersión. Esto se debió a problemas técnicos persistentes con la  tecnología de 157 nm y a consideraciones económicas que proporcionaron fuertes incentivos para el uso continuado de  la tecnología de litografía láser de excímero de 193 nm. La litografía de inmersión de alto índice es la extensión más reciente de  la litografía de 193 nm que se está considerando. En 2006,  IBM demostró características de menos de 30 nm utilizando esta técnica. ^{[ 74 ]} Estos sistemas utilizaban lentes de fluoruro de calcio CaF2 _. [ ^{75 ] [ 76 ] Se}  exploró la litografía de inmersión a 157 nm. ^{[ 77 ]}

Se ha demostrado que los láseres de excímero UV alcanzan aproximadamente los 126  nm (para Ar₂ _* ). Las lámparas de arco de mercurio están diseñadas para mantener una corriente continua constante de 50 a 150 voltios; sin embargo, los láseres de excímero ofrecen una mayor resolución. Los láseres de excímero son sistemas de luz basados ​​en gases, generalmente llenos de gases inertes y halogenuros (Kr, Ar, Xe, F y Cl) que se cargan mediante un campo eléctrico. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la resolución de la imagen. Los láseres KrF pueden funcionar a una frecuencia de 4  kHz. Además de operar a mayor frecuencia, los láseres de excímero son compatibles con equipos más avanzados que las lámparas de arco de mercurio. También pueden operar a mayores distancias (hasta 25 metros) y mantener su precisión gracias a una serie de espejos y lentes con recubrimiento antirreflectante. Al utilizar múltiples láseres y espejos, se minimiza la pérdida de energía; además, dado que las lentes están recubiertas con material antirreflectante, la intensidad de la luz permanece relativamente constante desde que sale del láser hasta que incide sobre la oblea. ^{[ 78 ]}

Se han utilizado láseres para generar indirectamente luz ultravioleta extrema (EUV) no coherente a 13,5  nm para litografía ultravioleta extrema . La luz EUV no es emitida por el láser, sino por un plasma de estaño o xenón excitado por un láser de excímero o CO₂ . ^{[ 79 ]} _{Esta técnica no requiere un sincrotrón y las fuentes EUV, como se ha señalado, no producen luz coherente. Sin embargo ,} se necesitan sistemas de vacío y varias tecnologías novedosas (incluidas energías EUV mucho mayores que las que se producen actualmente) para trabajar con UV en el borde del espectro de rayos X (que comienza en 10 nm). A partir de 2020, la EUV se utiliza en la producción en masa por fundiciones de vanguardia como TSMC y Samsung. 

En teoría, una fuente de luz alternativa para la fotolitografía, especialmente si las longitudes de onda siguen disminuyendo hasta alcanzar el ultravioleta extremo o los rayos X, es el láser de electrones libres (o láser de rayos X). Los láseres de electrones libres pueden producir haces de alta calidad en longitudes de onda arbitrarias.

También se aplicaron láseres de femtosegundos visibles e infrarrojos para litografía. En ese caso, las reacciones fotoquímicas se inician por absorción multifotónica. El uso de estas fuentes de luz ofrece muchas ventajas, incluyendo la posibilidad de fabricar objetos 3D reales y procesar materiales no fotosensibilizados (puros) similares al vidrio con una excelente resistencia óptica. ^{[ 80 ]}

La fotolitografía ha desafiado las predicciones de su desaparición durante muchos años. Por ejemplo, a principios de la década de 1980, muchos en la industria de semiconductores llegaron a creer que las características menores de 1 micrón no podían imprimirse ópticamente. Las técnicas modernas que utilizan litografía láser de excímero ya imprimen características con dimensiones que son una fracción de la longitud de onda de la luz utilizada, una hazaña óptica asombrosa. Nuevas técnicas como la litografía de inmersión , la resina de doble tono y el patrón múltiple continúan mejorando la resolución de  la litografía de 193 nm. Mientras tanto, la investigación actual está explorando alternativas a la UV convencional, como la litografía de haz de electrones , la litografía de rayos X , la litografía ultravioleta extrema y la litografía de proyección de iones . La litografía ultravioleta extrema ha entrado en el uso de producción en masa, desde 2018 por Samsung ^{[ 81 ]} y otros fabricantes han seguido su ejemplo.

La litografía de haz de electrones masivamente paralela se ha explorado como alternativa a la fotolitografía y fue probada por TSMC, pero no tuvo éxito y la tecnología del principal desarrollador de la técnica, MAPPER, fue adquirida por ASML, aunque la litografía de haz de electrones se utilizó en algún momento en la producción de chips por IBM. ^{[ 82 ] [ 83 ]} La litografía de haz de electrones solo se utiliza en aplicaciones de nicho, como la producción de fotomáscaras. ^{[ 84 ] [ 85 ] [ 86 ] [ 87 ] [ 88 ]}

En una publicación del NIST de 2001 se informó que el proceso de fotolitografía constituía aproximadamente el 35% del costo total del procesamiento de una oblea. ^{[ 89 ] : 11}

En 2021, la industria de la fotolitografía estaba valorada en más de 8 mil millones de dólares estadounidenses. ^{[ 90 ]}

• nanolitografía con pluma de inmersión
• litografía blanda
• Magnetolitografía
• Materiales de vidrio con nanocanales
• Estereolitografía , un proceso a macroescala utilizado para producir formas tridimensionales.
• Fundición de obleas
• Química de la fotolitografía
• Litografía computacional
• ASML Holding
• Laboratorio Alvéole
• Fabricación de dispositivos semiconductores

• Recursos de fotolitografía de BYU
• Litografía de semiconductores : una visión general de la litografía. 
• Introducción a la litografía óptica : sitio web de IBM con artículos relacionados con la litografía.