Ultravioleta Ultra Duro (EUV) em Litografia de Semicondutores: Difícil, Longo, Caro – e Necessário

O espelho principal de uma litografia EUV comercial está sendo testado quanto à suavidade de superfície necessária (Fonte: Instituto Fraunhofer)

Em maio de 2003, a Intel, para o espanto de muitos especialistas da indústria de semicondutores, anunciou que não iria mais esperar que máquinas litográficas com comprimento de onda de trabalho de 157 nm aparecessem em suas linhas de produção. Em vez de atingir a norma de produção de 65 nm em 2005 com a ajuda de unidades de 157 nm, como se pensava anteriormente, a fabricante de chips líder mundial na época decidiu que estava incentivando seus parceiros – fornecedores de equipamentos para fotolitografia – a refinar ainda mais o já bem -instalações DUV estabelecidas com lasers de 193 nm (também da região do ultravioleta profundo, mas comprimentos de onda ligeiramente maiores).

Apenas no mesmo ano de 2003, as máquinas DUV já lidavam com sucesso com a fabricação de VLSI usando a tecnologia de processo de 90 nm. Os engenheiros da ASML, Canon e Nikon, onde essas unidades foram desenvolvidas, foram encarregados de modificá-las para atender aos padrões de fabricação de 65 nm e 45 nm. Quanto à tecnologia de processo de 32 nm, transição para a qual a Intel planejava então para 2009, várias opções foram consideradas para sua implementação, entre as quais as mais promissoras (lembre-se, isso está acontecendo em 2003) pareciam ser máquinas com radiação na região de superduro, ou extremo, ultravioleta (EUV).

Os fragmentos da planta EUV são tão grandes que um robô especial com rodas da KUKA Robotics é usado para movê-los pela sala de montagem “limpa” em ASML (fonte: MIT)

Como sabemos agora, com a tarefa de finalizar a litografia DUV até a comercialização “7 nm”, pelo menos uma das empresas listadas – fornecedora de equipamentos para fabricação de chips, a holandesa ASML, fez um excelente trabalho. Ao mesmo tempo, a tecnologia EUV (comprimento de onda da radiação de trabalho é de 13,5 nm), embora tenha sido desenvolvida em laboratórios desde o início da década de 1990, pôde ser incorporada em máquinas comerciais para a produção em massa de VLSI apenas no final da década de 2010. Mas para superar toda a pilha de problemas da fotolitografia de 157 nm, cuja vastidão a Intel, como cliente de instalações litográficas, percebeu em 2003, os engenheiros ainda não conseguiram – pelo menos fora das paredes do laboratório, em aplicação a produção em série de semicondutores.

Por que os desenvolvedores de fabricantes de chips, que fizeram um trabalho tão bom depurando fotolitografia de semicondutores de 193 nm, acharam mais fácil ultrapassar 180 nm do que 36 nm no caminho para o próximo marco tecnológico, mesmo levando em consideração o fato de que essa etapa se arrastou por quase dois dez anos?

⇡#Preço de emissão

A primeira configuração de EUV serial ASML TWINSCAN NXE:3400B, que ainda é usada para implementar os processos técnicos de 7 nm e 5 nm e é capaz de criar estruturas semicondutoras na superfície de uma pastilha de silício com distância entre portas adjacentes (gate pitch – real resolução) 13 nm, puxa 180 toneladas, é composto por mais de 100 mil unidades e componentes e consome mais de 1 MW de energia elétrica. O desenvolvedor anunciou sua prontidão para produção em série em 2017.

Um componente importante, volumoso, mas ainda não o mais difícil de fabricar em uma máquina EUV – uma fonte de radiação de 13,5 nm – em uma sala de montagem “limpa” na ASML (fonte: MIT)

Custou aos clientes cerca de US$ 120 milhões no início das vendas, enquanto o modelo mais moderno TWINSCAN NXE:3600D, que é usado para a produção de VLSI de 5 nm e 3 nm, hoje custa quase o dobro. As unidades DUV estão disponíveis hoje por US$ 40-60 milhões por unidade – e isso por si só diz muito sobre a lacuna qualitativa na escala dos problemas que os desenvolvedores de equipamentos EUV tiveram que resolver.

Inicialmente, no início dos anos 2000, a aposta feita pela Intel e outros fabricantes de chips no iminente aparecimento de máquinas DUV produzidas em massa com lasers de 157 nm era bastante justificada do ponto de vista econômico. Teoricamente, para trabalhar com essa radiação coerente, cujo comprimento de onda é apenas 36 nm mais curto, os mesmos sistemas ópticos dos lasers de 193 nm deveriam ser adequados. Parecia que os engenheiros teriam que resolver apenas alguns problemas puramente técnicos associados à absorção mais forte de radiação de 157 nm, e novas máquinas litográficas substituiriam rapidamente os predecessores de 193 nm na vanguarda da frente do microprocessador.

A retificação de componentes ópticos para litografia de semicondutores em máquinas especiais usando abrasivos especiais é um processo de vários estágios que pode levar semanas e requer controle nanométrico da lisura das superfícies resultantes (fonte: MIT)

E, no entanto, uma rápida transição dos lasers de fluoreto de argônio (ArF) de 193 nm para os lasers de flúor molecular (F2) de 157 nm não foi bem-sucedida até agora. Não se trata nem de encontrar um material de lente que transmita com confiança um fluxo significativo de radiação de 157 nm: a fluorita cristalina (CaF2) é muito boa nesse papel, embora tenha problemas com birrefringência, e o crescimento de um cristal adequado para fazer uma lente leva até 3 meses.

Um dos principais pesadelos da fotolitografia de 157 nm, do qual os desenvolvedores não conseguiram se livrar até agora, é a energia excessivamente alta de fótons dessa radiação. Como veremos um pouco mais tarde, os fótons EUV de energia ainda mais alta também estão causando muito derramamento de sangue para os engenheiros que criam máquinas de litografia. Mas no caso de um sistema óptico refrativo, a situação é simplesmente desesperadora.

As lentes de fluorita são amplamente utilizadas em óptica infravermelha e ultravioleta porque a largura de banda é muito maior do que a do vidro de silicato. (Fonte: UQG Optics)

O problema é que o feixe de laser de 157 nm, caindo sobre uma peça coberta com um fotorresistente, inevitavelmente derruba fragmentos de moléculas orgânicas fotorresistentes a uma altura considerável (mesmo levando em conta a resistência do líquido, se a litografia de imersão for usada). Como resultado, eles são depositados na lente de focagem mais próxima da peça de trabalho – e alteram suas propriedades ópticas, violando assim a correção do caminho dos raios e inutilizando a peça de trabalho exposta. E é impossível aumentar a distância entre a lente e a peça de trabalho: a abertura numérica do sistema óptico será reduzida – será impossível atingir a escala de resolução necessária.

Outro ponto sutil: todos sabem que as máquinas litográficas operam em “salas limpas”, o ar em que, por repetidas limpezas, é levado ao nível de partículas de poeira com tamanho característico de 0,5 mícron (500 nm) de 10 unidades ou menos, com um tamanho de 300 nm – 30 unidades e menos, 200 nm – 75 e menos, 100 nm – 350 e menos. Quanto menor a norma de produção, mais apertada esta tolerância. No interior das máquinas litográficas, é mantida uma atmosfera ainda mais livre de impurezas.

Bombas turbomoleculares que bombeiam ar para fora do caminho óptico de uma máquina EUV também podem ser úteis para uma unidade DUV de 157 nm: elas são capazes de remover até moléculas individuais do volume evacuado (fonte: MIT)

Assim, para um laser de 157 nm, a presença no ar não apenas de partículas de poeira, mas também de quaisquer concentrações significativas dos chamados gases poluentes: oxigênio, dióxido de carbono, vapor de água é inaceitável. E tudo porque a radiação de 157 nm é absorvida por essas substâncias por três ordens decimais de magnitude mais fortes que 193 nm. Ou seja, a presença de moléculas desses gases, que são, em geral, completamente normais para o ar atmosférico, dentro da instalação litográfica deve ser inferior a um bilionésimo do número total de moléculas que preenchem o interior do caminho óptico do 157- unidade nm (geralmente é usado nitrogênio).

Com EUV, a situação é fundamentalmente diferente, uma vez que a radiação UV de comprimento de onda ultracurto é absorvida quase sem resíduos pela camada mais fina de qualquer vidro. Isso torna sem sentido usar um esquema óptico de refração (transmissão). Em vez de lentes pelas quais a luz passa, é necessário usar um esquema reflexivo (refletivo) com espelhos curvos, o que, é claro, complica a tarefa dos desenvolvedores – mas, ao mesmo tempo, evita que eles tentem derramar, pois eles digamos, vinho novo em odres velhos.

Espelho montado na moldura para fotolitografo EUV de segunda geração (padrão de processo de 3 nm) (Fonte: Zeiss)

Como a história das últimas duas décadas no desenvolvimento de tecnologias de microprocessadores mostrou, do ponto de vista econômico, era uma escolha razoável dedicar fundos consideráveis ​​ao desenvolvimento de litografia EUV de 13,5 nm promissora em paralelo com a melhoria progressiva contínua do processo DUV em lasers com comprimento de onda de 193 nm. Desta forma, quase simultaneamente, em 2018-2019, microcircuitos fabricados pela TSMC de acordo com o processo técnico “7-nm” (com uma largura real da crista semicondutora FinFET de 6 nm) em máquinas DUV entraram no mercado – e também fizeram pela Samsung também de acordo com ” 7 nm” (com um comprimento de porta de transistor de 8-10 nm) a norma tecnológica em litografias EUV.

⇡#Tecnologia em reflexo

Os leitores do material anterior sobre as dificuldades e conquistas da produção de semicondutores provavelmente se lembrarão da fórmula principal da litografia óptica, ligando o mínimo fisicamente alcançável – apenas por meios ópticos, sem truques adicionais como LELE ou SAMP – a escala de detalhes da imagem final (dimensão crítica, CD), o comprimento de onda usado para fenda de radiação de exposição (λ) e característica integral do sistema óptico aplicado (sua abertura numérica, NA):

CD = k*(λ/NA)

Os parâmetros adimensionais k e NA para sistemas reais, como foi mostrado, são geralmente próximos da unidade, e somente com os incríveis esforços de engenheiros e oculistas eles podem ser desviados desse valor da maneira necessária (o primeiro é decrescente, o segundo é aumentar) para atingir a razão CD ≈ λ/2. Parece claro que a redução do comprimento de onda da radiação utilizada para a exposição do fotorresistente é a maneira mais simples e segura de obter cada vez mais detalhes em miniatura na superfície de uma peça semicondutora.

A tecnologia a laser tem sido usada há muito tempo em óptica para detecção de falhas em escalas ultra-pequenas – é por isso que as fontes de radiação coerentes entraram no campo da fotolitografia com tanta rapidez e firmeza (fonte: Instituto Fraunhofer)

Então, inicialmente, quando o trabalho em fotolitografia de 193 nm estava apenas começando, era lógico considerar fontes de radiação coerentes de 157 nm como o próximo estágio na miniaturização evolutiva do processo de produção. Mas à medida que a escala de detalhamento do VLSI se aproximava do limite λ/2 para lasers de 193 nm, ficou cada vez mais claro que a pilha cumulativa de problemas com a deposição de moléculas fotorresistentes na lente mais próxima da amostra e a necessidade de purificação profunda do meio gasoso dentro do caminho óptico torna virtualmente impossível a mudança “barata” (com custos mínimos para o reequipamento de máquinas litográficas) das fontes de radiação para comprimentos de onda ligeiramente mais curtos.

Além disso, lembremos que em 2003, os principais desenvolvedores de tecnologias de semicondutores tinham certeza de que dentro de 5-6 anos não seria difícil trazer a tecnologia EUV obviamente mais promissora para o estágio de aplicação comercial em massa. De fato, o esquema do caminho óptico reflexivo para uma fotolitografia que não usa nem mesmo ultravioleta, mas essencialmente raios-X macios, à primeira vista, não é proibitivamente complicado.

O caminho óptico da fotolitografia EUV mais simples inclui um gerador de plasma com um coletor de sua radiação primária (canto inferior direito), um braço de iluminação da fotomáscara de três espelhos, a própria fotomáscara (também reflexiva) e um braço de projeção de 6 espelhos que redireciona a luz para uma placa de peça coberta com fotorresistente (fonte: SPIE)

Sim, existem cerca de 10 espelhos lá, mas na verdade um feixe paralelo de raios sai do coletor EUV e, no decorrer de múltiplas re-reflexões em espelhos de forma complexa, praticamente não se espalha. Isso significa que não há perdas devido à absorção de luz no interior das lentes devido à sua ausência, também quase não há perdas devido à dispersão – você pode começar a expor a peça de trabalho através da máscara. Mas se fosse assim tão fácil!

Engenheiros, movendo-se ao longo do “caro”, caminho revolucionário de uma redução acentuada no comprimento de onda da radiação usado para fotolitografia, começaram a descobrir que a mera transição de lentes para espelhos representa para eles tarefas fundamentalmente mais complexas do que antes. Bem, por exemplo: o que significa na prática – fazer um espelho refletindo ultravioleta superduro? O problema é que a radiação com um comprimento de onda de 13,5 nm é extremamente mal refletida por quase qualquer substância, mesmo que seja polida com a suavidade necessária de um oitavo de comprimento de onda (critério de Rayleigh).

Um problema separado na fabricação de espelhos para EUV é o controle de qualidade de sua superfície: a tolerância de 1/8 do comprimento de onda aqui não excede 1,7 nm (fonte: Zeiss)

O principal problema para os engenheiros que implementam o esquema de multiespelhos acima é que não há refletores absolutos, especialmente na faixa de comprimento de onda de raios X suaves, que na verdade é adjacente à banda de 13,5 nm de interesse para nós. E isso se deve precisamente à energia extremamente alta dos fótons da radiação ultravioleta ultra-dura.

A óptica clássica lida com ondas eletromagnéticas da faixa visível ao olho humano. E aqui, qualquer contato do fluxo de luz com a fronteira de dois meios, cujos índices de refração diferem, gera dois feixes: refletido e absorvido. O índice de refração de acordo com a definição clássica, lembramos, é a razão entre a velocidade de propagação da luz em um determinado meio e a velocidade da luz no vácuo.

Um feixe de luz I cai do infinito em um meio com índice de refração n1 em uma interface plana com um meio com índice de refração n2 em um ângulo θi com a normal, após o que se divide em um feixe refletido R e refratado T (fonte : Wikimedia Commons)

É verdade que com certos esforços é possível garantir que a fração da energia do fluxo de luz absorvida pela substância refletora seja insignificante em comparação com a refletida. Assim, nos últimos anos, tem havido um trabalho ativo na criação de um “espelho ideal” baseado em cristais fotônicos (eles fornecem 100% de reflexão e, portanto, 0% de absorção em um determinado comprimento de onda e em um determinado ângulo), mas tal ainda existem refletores nas paredes dos laboratórios, não sairão por muito tempo.

O fenômeno de reflexão interna total conhecido por qualquer aquarista também não deve ser usado para fotolitografia EUV: ele só funciona quando a luz de um meio mais denso tenta se mover para um menos denso, e não em qualquer ângulo. Em princípio, é possível preencher o caminho óptico com algum tipo de líquido transparente com alto índice de refração (superior ao do material do espelho), mas estamos falando de radiação EUV, que é absorvida por quase tudo. Então, neste caso, definitivamente não atingirá a fotomáscara, e mais ainda o fotorresistente aplicado ao wafer de silício.

Graças à reflexão interna total, a luz se propaga na fibra quase sem espalhamento ou atenuação (fonte: Pixabay)

A propósito, os caminhos ópticos das atuais máquinas EUV são evacuados precisamente por esse motivo: mesmo um gás inerte como o neon é um obstáculo intransponível à radiação de 13,5 nm.

⇡#Como o radiologista radiologista

As boas propriedades refletivas de muitos materiais – metal polido suavemente, vidro e até mesmo uma superfície líquida plana – no caso de radiação de comprimento de onda longo (óptica, IR, microondas e além) se devem ao fato de que os fótons de tal luz são energia relativamente baixa. Em certo sentido, é “mais fácil” para eles rebater em um obstáculo (como uma bola de tênis rebater em uma parede de tijolos), interagindo com elementos estruturais – treliças de cristal, se estivermos falando de espelhos de estado sólido – na interface entre meios com diferentes índices de refração. Mesmo para a radiação DUV (190-195 nm), os espelhos são feitos de alumínio, cujas propriedades refletivas são reforçadas por um revestimento dielétrico especial (alumínio reforçado com DUV), capaz de refletir uma média de 88% da luz incidente sobre eles: este é mais do que um indicador aceitável do ponto de vista tecnológico.

A especificidade da ultra-dura UV, e ainda mais da radiação de raios X (o limite formal entre eles é de cerca de 10 nm – é por isso que as litografias EUV são essencialmente máquinas de raios X) é que esses fótons de alta energia são muito poderosos para , tendo interagido com a matéria na interface, reflete-a efetivamente. É apenas “mais fácil” para eles penetrarem ainda mais fundo (como uma bala na mesma parede de tijolos), vencendo a resistência de um meio mais denso, e passarem pela amostra ou serem absorvidos, transferindo sua energia para sua substância.

Fotomáscara reflexiva (retângulo cinza escuro logo acima do centro da imagem) montada em um suporte dentro da litografia EUV (fonte: MIT)

A palavra “mais fácil” entre aspas nesta explicação descritiva tem um significado físico bastante estrito – como um reflexo do fenômeno de dispersão ou a dependência do índice de refração no comprimento de onda. Para a faixa visível da radiação eletromagnética, a dispersão é ilustrada pelo experimento canônico de Newton com a decomposição do fluxo de luz do Sol através de um prisma em um leque de raios coloridos: violeta (comprimentos de onda mais curtos) desviam mais ao passar pelo vidro, vermelho (mais comprimentos de onda) – mais fraco.

Parece que o que a dispersão tem a ver com a fotolitografia EUV, se a radiação estritamente monocromática com um comprimento de onda de 13,5 nm é criada de uma maneira especial? Mas o fato é que ao passar da luz visível através do UV para o raio X, torna-se necessário levar em conta a interação de uma onda eletromagnética com a matéria mais corretamente, e a dispersão newtoniana clássica apenas nos permite supor que com radiação de ondas ultracurtas tudo não será nada fácil.

O céu da Terra é azul precisamente por causa do fenômeno de dispersão: os raios do sol contêm todos os comprimentos de onda do espectro visível, no entanto, seu componente de comprimento de onda curto se espalha mais intensamente da linha “Sol – o olho do observador”, ” colorindo” o céu visível em tons de azul (fonte: Unsplash)

A substância consiste em elementos estruturais – átomos, moléculas – em tamanho bastante comparável ao comprimento de onda do fluxo eletromagnético EUV. Além disso, esses próprios elementos são dipolos – pares de cargas elétricas opostas interconectadas (um núcleo atômico carregado positivamente mais orbitais de elétrons carregados negativamente), e esses dipolos geram campos elétricos, que, por sua vez, afetam o fluxo de radiação EUV que entra no meio. Sim, isso mesmo: o dipolo é eletricamente neutro – as cargas positivas e negativas nele são compensadas mutuamente – mas, no entanto, cria um campo em torno de si.

Propagando-se em qualquer meio, exceto no vácuo ideal, uma onda eletromagnética induz oscilações forçadas nos dipolos que formam esse meio e transfere parte de sua energia para aqueles. As oscilações da onda original e das ondas secundárias induzidas somam-se de forma complexa, formando um pacote de ondas, no qual já é necessário distinguir entre as velocidades de onda de fase e de grupo. Em outras palavras, um fluxo de ondas eletromagnéticas pode permanecer verdadeiramente monocromático (com frequência constante) apenas em um vácuo ideal – e ao se propagar mesmo no meio mais rarefeito (incluindo um vácuo real, que geralmente é discutido separadamente), seu espectro será certamente ser borrado.

Uma onda se propagando em um meio com e sem dispersão (fonte: ISVR)

Ao estudar os índices de refração da luz visível em meios transparentes, a dispersão como um todo pode ser desprezada, embora mesmo aí muitas vezes se torne anômala (quando o índice de refração diminui com o aumento da frequência em vez de aumentar). Mas para a radiação de ondas ultracurtas duras, esse fenômeno deve ser levado em conta de forma metódica e explícita. O índice de refração neste caso é definido como uma quantidade física adimensional que caracteriza a diferença nas velocidades de fase de uma onda de luz em dois meios – e se torna um número complexo:

N = 1 – d – ib

A parte imaginária com o coeficiente de amortecimento β é responsável pela absorção em um determinado comprimento de onda, e a parte real (1 – δ) corresponde ao entendimento clássico do índice de refração. É óbvio que em um meio esse índice não pode ser menor do que em um vácuo ideal (ou seja, exatamente 1,0), de modo que o valor adimensional δ para cada meio deve ser negativo. E assim acontece, e para a grande maioria dos meios de comunicação no caso de radiação de ondas curtas de alta energia, δ é extremamente pequeno – é calculado em termos absolutos por literalmente milionésimos de unidade (10-5-10-6 ).

É precisamente devido à capacidade de fótons de raios X individuais de se espalharem em átomos e moléculas individuais, enquanto o fluxo principal passa livremente pela amostra, que a análise de difração de raios X está disponível para cristalógrafos (fonte: Imperial College London)

É por isso que os raios X e o ultravioleta superduro adjacente a ele praticamente não se espalham ao passar por barreiras materiais – de modo que as máquinas médicas, digamos, de raios X, de fato, não precisam de ferramentas de focalização (os mesmos espelhos): a imagem sai claro, com uma difração mínima, quase imperceptível nas bordas dos objetos.

⇡#Bragg me sobre isso

Mas para implementar a fotolitografia de semicondutores, ainda é necessário garantir que a radiação EUV seja refletida pelos espelhos pelo menos com a eficiência mínima razoável. O coeficiente de reflexão R – em outras palavras, a fração de energia refletida da seção de dois meios com índices de refração n1 e n2, na incidência normal (perpendicular ao plano desta seção) do feixe de luz – é determinado pelo bem- fórmula de Fresnel conhecida:

R = (|n1 – n2| / |n1 + n2|)2

Normalmente, ilustrando esta fórmula, considere a luz visível, para a qual n1 u003d 1,0 (no ar) e n2 u003d 1,5 (em vidro condicional, pois diferentes tipos de vidro têm diferentes índices de refração), resultando em R u003d 0, 04 , ou 4%. Se a placa de vidro for fina o suficiente, faz sentido levar em consideração também a reflexão de seu segundo plano, que dará aproximadamente o mesmo valor (a absorção de luz em uma camada fina pode ser desprezada).

O total é de cerca de 8%. Escassamente, é claro – é por isso que a humanidade primeiro fez espelhos totalmente metálicos (o coeficiente de reflexão do metal polido é muito maior) e depois encontrou uma maneira de amalgamar placas de vidro – para aplicar uma fina camada de metal altamente reflexivo no verso ; primeira prata, e mais perto de nossos dias – alumínio. Mas isso é para luz visível, mas e os raios X suaves / UV ultra-rígidos?

Aqui a situação poderia (se não fosse por uma ressalva, que será discutida abaixo) ser descrita como catastrófica. Para o molibdênio, que reflete a radiação de 13,5 nm melhor do que outras substâncias disponíveis para os engenheiros, a parte real do índice de refração complexo, δ, é -0,076, e a parte imaginária, β, mal chega a 0,0064. Para um vácuo ideal, é claro, δ = β = 0 e, portanto, o coeficiente de reflexão R, calculado para uma incidência vertical de um feixe EUV em um espelho de molibdênio usando a fórmula de Fresnel usando índices de refração complexos, é um miserável 0,14%.

Do ponto de vista da organização do processo de produção, trata-se de um fracasso completo: se 99,86% da radiação incidente for sucessivamente absorvida no caminho óptico em cada um dos 10 espelhos, os fótons individuais ocasionalmente atingirão o fotorresistente. E se a radiação eletromagnética fosse apenas um fluxo de partículas, as tentativas de usar ultravioleta extremo para fotolitografia de semicondutores poderiam ser deixadas para trás – por sua completa desesperança.

Não há nada mais simples do que a interferência construtiva: duas ondas que estão em fase se somam – e se reforçam mutuamente (fonte: Angstrom Engineering)

Felizmente, a natureza da luz é dualista, e um fenômeno de onda como a interferência construtiva veio em auxílio dos desenvolvedores de equipamentos EUV. Sim, sim, aquele cuja influência parasitária na fotolitografia DUV é combatida com a ajuda de máscaras de mudança de fase. Tudo é muito simples aqui: as ondas de luz de uma fonte monocromática comum são essencialmente idênticas e, portanto, sobrepostas, amplificam-se se oscilarem em fase (em fase) – isto é, se os mínimos e máximos de cada uma delas coincidirem.

Por si só, a fonte de luz na máquina EUV não gera radiação de modo comum – um pouco mais abaixo, mencionaremos como ela funciona e quais as dificuldades que os engenheiros têm que enfrentar para obter esse fluxo de 13,5 nm. No entanto, isso é boa sorte! – é durante a reflexão que há a possibilidade de selecionar ondas que obviamente estão em fase, se você dispor o espelho de uma maneira especial. “Aquele que nos atrapalhar nos ajudará” é praticamente o lema da abordagem de engenharia para litografia EUV também.

A fase da onda refletida pela interface permanece inalterada ou muda em π/2 dependendo da razão dos índices de refração (fonte: Georgia State University)

Como é sabido, se uma onda de luz é refletida a partir da fronteira com uma substância cujo índice de refração é maior que o do meio de propagação primário, a fase do feixe refletido muda de π/2. Por outro lado, se o feixe inicialmente viajou em um meio com índice de refração mais alto e foi refletido a partir do limite além do qual se encontra uma substância com um n menor, a fase dessa onda de luz permanecerá inalterada.

Com base nesse princípio simples, é possível construir uma estrutura bastante complexa – um espelho de Bragg de película fina, assim chamado por analogia com a lei de Bragg, derivada em 1913 durante os primeiros estudos detalhados da estrutura dos cristais usando raios-X. Tal espelho consistirá de camadas alternadas de mídia com índices de refração relativamente altos e baixos, como molibdênio (a parte real de n, 1 – δ é 1,076) e silício (1 – δ = 1,001). A espessura de cada camada é aproximadamente ¼ do comprimento de onda da radiação utilizada (no nosso caso, 13,5 nm dividido por quatro ≈ 3,4 nm).

O princípio de funcionamento de um espelho Bragg de película fina de camadas alternadas com altos e baixos índices de refração de um quarto de comprimento de onda cada (fonte: Manx Precision Optics)

Para ser mais preciso, é necessário levar em consideração a natureza complexa dos valores dos índices de refração de ambos os meios e a não perpendicularidade da incidência dos raios do feixe nas superfícies refletoras e até a curvatura dos espelhos. Em outras palavras, na fabricação de tais refletores, é necessário manter a precisão nanométrica de acordo com um padrão estritamente especificado em escalas bastante macroscópicas de dezenas de centímetros. Não surpreendentemente, cada espelho individual do caminho óptico de uma litografia EUV é comparável em preço a um novo carro esportivo.

O que acontece em uma estrutura multicamadas com um feixe de luz? Ele cai na primeira camada de molibdênio e apenas, pelos mesmos 0,14% de sua intensidade total, é refletido por ela, mudando a fase em π/2. Além disso, o feixe é refletido da interface molibdênio-silício sem alterar a fase, no entanto, como superou a espessura da primeira camada λ/4 (onde λ = 13,5 nm no nosso caso), a fase conseguiu mudar por este momento (em relação ao que estava no limite externo da primeira camada de molibdênio) por ¼. No total, uma pequena porção do feixe inicial será refletida do primeiro limite de molibdênio-silício, passará a mesma espessura de quarto de onda de molibdênio na direção oposta (ou seja, +¼ mais comprimentos de onda) – e sairá no vácuo circundante com o mesmo deslocamento de fase por π / 2, que e a primeira porção refletida. E assim por diante.

Para criar máquinas EUV com alta abertura numérica NA, são utilizados pares de espelhos Bragg asféricos, cuja posição relativa exata é controlada por um bloco de atuadores eletromecânicos de precisão (fonte: Laser Focus World)

Como resultado, se 40-50 camadas alternadas de molibdênio e silício forem adequadamente sobrepostas umas às outras, devido à interferência mútua na amplificação de ondas de fraca intensidade surgindo na mesma fase, será possível atingir um coeficiente de reflexão de 70% de o espelho de Bragg como um todo em um comprimento de onda de 13,5 nm. Um resultado ainda melhor é mostrado pelos espelhos de Bragg de molibdênio-berílio, mas devido à alta toxicidade do berílio, eles não são usados ​​na prática. De qualquer forma, o valor de 70% é inegavelmente notável – já que tudo começou com 0,14% para um blank de molibdênio polido.

Parece que aqui está, projetando a felicidade – resta apenas substituir uma máscara e uma peça de trabalho coberta com fotorresistente sob esse poderoso fluxo de luz!

⇡#O corte de cabelo acabou de começar

Não estava lá: o esquema óptico da configuração EUV inclui pelo menos uma dúzia de espelhos esféricos e asféricos, necessários para que o fluxo de radiação caia na fotomáscara e no alvo (placa em branco) estritamente em paralelo e em ângulos claramente definidos – caso contrário, não será possível obter uma exposição uniforme da escala de litografia em toda a área exposta considerável.

O braço de iluminação da fotomáscara (um dos fragmentos do caminho óptico) está montado, pronto para instalação em uma máquina EUV; peso – 1,5 toneladas (fonte: Zeiss)

E como existem 10 espelhos de Bragg, e cada um deles reflete 0,7 da intensidade do fluxo incidente sobre ele, o alvo acabará por atingir 0,7 * 0,7 * … * 0,7 = 0,710 ≈ 0,0282, ou seja, 2,82% do potência inicial do feixe de luz. Isso, é claro, é melhor do que 0,14% de um único espelho de molibdênio, mas ainda é bastante pobre.

O principal problema, lembramos novamente, é que os raios UV ultra-duras são de energia extremamente alta. Isso significa que, se aumentarmos imprudentemente a potência do emissor, cada vez mais energia que cai sobre os espelhos se transformará em calor; devido às deformações térmicas, sua forma será inevitavelmente distorcida – e o foco será perturbado, impossibilitando a litografia dos chips com o nível de detalhe necessário. Obviamente, o sistema óptico da litografia EUV é resfriado ativamente, mas essa instalação não o torna mais fácil ou mais barato.

Instalando a fotomáscara EUV no suporte: feito à mão! (fonte: MIT)

Outro elemento problemático no caminho óptico da máquina de ultravioleta extremo é a própria fotomáscara, na qual é desenhada a estrutura semicondutora do futuro chip (em escala ampliada, pois o sistema refletor funciona com diminuição). A produção de fotomáscaras para fotolitografia DUV é um processo bem estabelecido: geralmente é uma placa de quartzo com revestimento de cromo em áreas destinadas a bloquear o fluxo de luz.

Para proteger uma máscara cara da deposição de partículas de poeira, que inevitavelmente distorcerão o padrão de linhas no modelo, o que levará a danos ao futuro chip logo durante o processo de fabricação, as máscaras são cobertas com películas – membranas de polímero transparente sobre 1 mícron de espessura, elevado acima da superfície da máscara em 5-10 mm – obviamente fora do plano focal do fluxo de luz, que coincide com a superfície do modelo.

O primeiro espeto de sucesso para fotolitografia EUV foi produzido pela ASML apenas no início de 2021 (fonte: ASML)

Quando uma partícula de poeira (e mesmo em uma “sala limpa” eles estão sempre presentes, é só que seu número em um metro cúbico de ar é estritamente normalizado) fica em um hímen, a luz que passa pelo sistema óptico é levemente espalhada, a “imagem” de uma partícula de poeira na superfície da fotomáscara sai borrada e amplamente borrada, e as distorções introduzidas dessa forma no modelo projetado através da fotomáscara são mínimas. Após o acúmulo de uma quantidade suficiente de partículas de poeira, a membrana é trocada – é mais barato e mais fácil do que desmontar e limpar a própria fotomáscara de quartzo.

Como a radiação EUV é absorvida, como já foi dito mais de uma vez, por quase todos os meios, não há dúvida de qualquer modelo translúcido para litografia usando radiação de 13,5 nm. As máscaras para essas máquinas são refletivas – os mesmos espelhos Bragg com a estrutura do futuro chip aplicado a eles. Ao formar essa estrutura, é necessário levar em consideração que o fluxo ultravioleta extremo cairá na fotomáscara em um ângulo. Isso significa que será necessário compensar o sombreamento parcial da luz refletida por áreas do absorvedor à base de tântalo levantadas acima da superfície da primeira camada de molibdênio.

Esquema de um feixe EUV convergente de 6° refletido de uma fotomáscara multicamada com um revestimento de rutênio (Ru) de 2 nm de espessura que protege a camada externa de molibdênio dos efeitos prejudiciais de fótons de alta energia (fonte: Imec)

Não só isso: o espelho Bragg reflete 70% da radiação incidente sobre ele, o absorvedor reflete 0%, o que significa que a energia considerável transferida para a fotomáscara é distribuída de forma extremamente desigual sobre sua superfície externa. O que, é claro, também pode levar a distorções térmicas, que, por razões óbvias, são inaceitáveis ​​mesmo ao nível de alguns nanômetros. Assim, nesta seção do caminho óptico, são necessárias tanto a correta seleção de materiais quanto um sofisticado sistema de remoção de calor.

Existem muitas empresas no mundo capazes de fabricar fotomáscaras EUV: são Applied Materials, Asahi Glass Co (AGC) e Hoya. Aliás, até muito recentemente, uma contribuição impressionante para o custo dos chips litografados com radiação de 13,5 nm era a necessidade de substituir regularmente essas unidades, já que não era possível usar chaff para proteger as máscaras: um material que transmite perfeitamente a radiação DUV mesmo um micrômetro de espessura para radiação EUV acabou sendo opaco. E se uma fotomáscara DUV custa no máximo $ 100.000 (no entanto, várias dezenas delas são necessárias por máquina para formar sequencialmente muitas camadas de elementos estruturais na superfície de um substrato de silício), então uma fotomáscara EUV, que também requer muito, é aproximadamente em 300 mil

Nos estágios iniciais da produção de EUV em série, os fabricantes de chips esperavam que simplesmente não houvesse partículas de poeira no caminho óptico cuidadosamente evacuado da máquina litográfica. No entanto, como a prática mostrou, essas expectativas não se justificavam (o estanho fervendo antes de se transformar em plasma ainda é um gerador de poeira, mas falaremos mais sobre isso depois), e as máscaras tiveram que ser trocadas com frequência. O desenvolvimento de membranas protetoras para fotolitografia EUV vem sendo realizado desde meados da década de 2010 pela ASML, IBM, Samsung Electronics e outras empresas, mas durante muito tempo não foi possível obter um resultado adequado em termos de relação preço-qualidade.

Membrana comercial PELLILE para fotomáscaras EUV agora fabricada pela Mitsui (Fonte: Mitsui Chemicals)

Somente no início de 2021, a ASML anunciou sua disponibilidade para usar o chaff de polissilício de 50 nm de espessura que desenvolveu, capaz de suportar aquecimento de até 600-1000 ° C durante a operação e transmitir mais de 90% da radiação com comprimento de onda de 13,5 nm. Não se deve esquecer que um fluxo EUV de 200 W passa pela membrana protetora duas vezes: quando cai na fotomáscara espelhada e quando é refletido por ela. É por isso que o desenvolvimento do ASML (agora desenvolvido pela japonesa Mitsui) é único, pois não apenas passa livremente a maior parte da radiação por si mesmo, mas também suporta 400 W de potência, mantendo 99,8% de suas características geométricas originais, ou seja, espessura uniforme e suavidade da superfície.

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A alta energia dos fótons ultravioleta extremos é o verdadeiro flagelo da litografia EUV. A princípio, dominando essa tecnologia, a Samsung Electronics e a TSMC usavam matrizes sem chaff – e eram capazes de gerar fluxos de radiação de alta potência. Hoje, a necessidade de proteger uma fotomáscara de partículas de poeira foi substancialmente comprovada, mas os hímens disponíveis para fabricantes de chips são aplicáveis ​​apenas com uma potência de fluxo EUV de pouco mais de 200 W. Imec e Canatu estão trabalhando ativamente em uma fuselagem de nanotubos de carbono capaz de suportar até 600 watts, o que aumentará a potência da fonte na fotolitografia para 300 watts.

Um protótipo funcional de um hímen para uma fotomáscara EUV feita de nanotubos de carbono (fonte: Imec)

Por que a alta potência é tão importante – afinal, ela só causa problemas (veja um pouco mais sobre a necessidade de resfriamento intensivo dos espelhos Bragg)? É muito simples: expor um fotorresistente a fótons EUV é essencialmente o mesmo que expor uma camada de filme sensível a fótons de luz visível: quanto mais fraca a intensidade do fluxo de luz (potência de radiação), mais tempo leva para formar uma imagem de contraste aceitável.

Mas é o seguinte: a ASML TWINSCAN NXE:3600D, a litografia EUV mais avançada até hoje, produz produtos acabados a uma velocidade de 160 chapas por hora. Ou seja, uma vez e meia mais lenta que a praticamente coroando a perfeição das tecnologias DUV, a litografia TWINSCAN NXT: 2000i, que assa wafers de 300 mm com resolução física de 38 nm “5 nm”) a um ritmo de 275 unidades por hora .

Todos os truques da fotolitografia EUV moderna visam aumentar a velocidade de produção de tais wafers com chips acabados (fonte: Zeiss)

Observe que a intensidade energética do próprio processo EUV é simplesmente incrível. Para começar, a eficiência de converter a eletricidade consumida pela litografia em radiação é ridiculamente baixa – não mais que 0,02% para as primeiras amostras dessas máquinas. Em outras palavras, para gerar um fluxo de luz de 200 W, é necessário trazer 1 MW (1000 kW) apenas para a unidade formadora de feixe de 13,5 nm. As máquinas EUV modernas custam pouco mais de 500 kW, mas uma máquina DUV típica com um laser de trabalho de 193 nm precisa exatamente de uma ordem de magnitude menor de energia!

A propósito, a unidade de geração de fluxo de luz de 13,5 nm é um projeto extremamente complexo que usa um laser pulsado de dióxido de carbono (CO2) para evaporar intensamente pequenas gotículas (25 mícrons de diâmetro) de estanho fundido, purificadas das menores impurezas. É no estado de um plasma superdenso quente que o estanho emite ultravioleta superduro com o comprimento de onda necessário.

O processo de montagem de um laser de dióxido de carbono usado para fotolitografia EUV: quase meio milhão de peças, 7.332 metros de cabos e mais de 17 toneladas de peso vivo (fonte: TRUMPF)

Cada porção da radiação EUV é formada em duas etapas: primeiro, um feixe de laser achata uma gota de metal em um disco plano, aumentando assim a área alvo e, em seguida, o segundo pulso transforma parcialmente esse disco em uma nuvem de plasma. Assim, a eficiência da geração de plasma (a fração do material da gota que passa para o plasma após a irradiação) aumenta de 0,33% para exposição única para 10% para exposição dupla. É claro que o espelho de Bragg pelo menos mais próximo do ponto de formação do fluxo EUV deve ser trocado pelo menos uma vez por ano, pois sua superfície é danificada tanto por gotas de estanho quanto por íons de alta energia.

É claro que os fabricantes de microprocessadores desejam acelerar a produção de wafers acabados das fotolitografias EUV mais avançadas de hoje, aumentando a potência da fonte de radiação. E sem isso, as litografias EUV estão em operação apenas 70-80% de todo o tempo de operação, enquanto as máquinas DUV alcançaram uma produtividade quase contínua de 90%. Há uma necessidade de verificações relativamente frequentes e substituição de nós no caminho óptico, através do qual o ultravioleta superduro é propagado.

Unidade de geração EUV totalmente montada para máquina litográfica; a vista lateral do coletor primário de radiação é uma tigela prateada logo acima do centro da imagem (fonte: ASML)

No entanto, além da falta de uma produção estabelecida de membranas protetoras de alta temperatura, vários outros fatores devem ser levados em consideração. E, sobretudo, aquele lado da dualidade dos fótons, que caracteriza a natureza corpuscular da luz. Na eletrônica de rádio, essa natureza se manifesta como ruído de disparo – flutuações estocásticas na intensidade do sinal. Quanto mais fótons no feixe, mais suavizado o efeito do ruído de disparo nas medições (porque sua magnitude é inversamente proporcional à raiz quadrada do número de fótons no feixe), mas nunca desaparece completamente.

Para fótons de radiação de 13,5 nm, a situação é inversa: pouquíssimos deles atingem o fotorresistente. Formalmente, isso não impede o processo de iluminação da camada sensível: a energia de um fóton de 13,5 nm é aproximadamente 14 vezes maior que a de um fóton de 193 nm. No entanto, se uma média de 97 fótons caem em um nanômetro quadrado de um alvo em uma máquina DUV, então apenas sete fótons caem na mesma área em uma unidade EUV. Conseqüentemente, cada elemento na superfície de uma pastilha de silício será formado pelo número literalmente contado (unidades, no máximo uma ou duas dezenas) de fótons por nanômetro quadrado, de modo que o erro no número de fótons caindo em uma única área aumenta de aproximadamente ±10% a ±40%.

Elétrons secundários gerados na espessura do fotorresistente adicionam estocásticos ao processo de exposição (Fonte: Wikimedia Commons)

Além disso, poderosos fótons EUV, colidindo com a camada fotorresistente, eliminam elétrons de suas moléculas constituintes – também de alta energia. Na verdade, este é o princípio de funcionamento da camada fotossensível: elétrons primários (gerados pelo fóton incidente) de certa forma afetam as moléculas circundantes, e quando o fotorresistente é então submetido a um tratamento químico (o processo de desenvolvimento), o moléculas, tendo perdido a capacidade de permanecer no lugar, são lavadas.

No entanto, no caso da radiação de 13,5 nm, a energia dos fótons é tão alta que os próprios elétrons gerados por eles se tornam poderosos o suficiente para derrubar cascatas de elétrons já secundários da matéria circundante. E estes, por sua vez, iniciam toda uma série de reações químicas, às vezes bastante bizarras, tanto na espessura da área diretamente iluminada quanto além. Por causa disso, a nitidez da imagem ao longo das bordas é violada adicionalmente; As “sombras” dos elementos formados na superfície do chip saem mais borradas do que no modelo.

Comparação de linhas formadas na superfície de uma pastilha de silício por um laser ArF com comprimento de onda de 193 nm (esquerda) e radiação EUV de 13,5 nm: a escala da imagem à direita é duas vezes maior. Pode-se observar que com a duplicação da densidade de energia (70 mJ/cm2 para EUV vs. 35 mJ/cm2 para DUV), os efeitos estocásticos tornam-se muito mais pronunciados. As sombras nas figuras refletem diferentes gradações do número de fótons que caem na unidade base de área: 1 nm2 para DUV e 0,25 nm2 para EUV (fonte: SemiWiki)

Todos esses efeitos levam ao fato de que os contornos dos componentes individuais do transistor nos chips EUV são caracterizados por linhas difusas e ásperas (Rugosidade da borda da linha, LER). Devido a isso, a probabilidade de obter elementos semicondutores de qualidade inadequada, e mesmo não devidamente conectados por contatos metálicos (contatos ausentes e beijos), aumenta acentuadamente (comparado ao DUV). Mas, para passar com confiança do marketing “7 nm” para padrões tecnológicos mais baixos, você deve usar as mesmas ferramentas da litografia DUV – processamento multi-pass (SAMP, SAQP), o que aumenta ainda mais a probabilidade de defeitos no produto acabado .

Nesse sentido, os desenvolvedores também enfrentam o problema da detecção de falhas em pleno crescimento: como identificar rapidamente e com boa cobertura áreas inoperáveis ​​do futuro VLSI em uma placa de 300 mm de diâmetro coberta com transistores semicondutores com densidade de 130-230 milhões peças por milímetro quadrado?, garantindo assim a produção de uma certa proporção de chips obviamente bons? Para este fim, ASML, KLA, NuFlare, Tasmit e outras empresas estão desenvolvendo detectores de falhas de feixe de elétrons capazes de verificar em massa o desempenho esperado de muitas estruturas essencialmente verticais. Afinal, ao passar para os padrões tecnológicos de marketing de “3 nm”, “2 nm” ou menos, em vez de transistores de pente FinFET, são usados ​​transistores de porta anelar ainda mais alongados verticalmente, GAAFET.

A densidade real de padrões tecnológicos de “5 nm” implementados e/ou planejados para serem implementados essencialmente no mesmo equipamento ASML EUV por diferentes fabricantes de chips, milhões de transistores por 1 sq. mm, em comparação com “7nm” e “10nm”, no final de 2021 (Fonte: WikiChip)

A fotolitografia de semicondutores baseada em radiação de 13,5 nm como área de pesquisa de engenharia está aproximadamente na mesma posição hoje que a tecnologia DUV estava há duas décadas. As primeiras gerações de chips de tecnologia EUV (“5-7 nm”) já estão sendo produzidas com confiança, há uma transição gradual para o próximo nível de miniaturização (“2-3 nm”), vários problemas técnicos foram resolvidos com sucesso resolvido, mas, ao mesmo tempo, os desenvolvedores ainda têm uma pilha maior de novos.

Há muitas maneiras de melhorar o EUV: estas são a criação de novos fotorresistentes e um aumento na abertura numérica do sistema óptico (EUV de alta NA) e um aumento na potência de radiação para aumentar a velocidade de processamento de um único wafer da peça de trabalho e muito mais. E enquanto a demanda por equipamentos de computação continuará pelo menos tão alta quanto tem sido ao longo do último meio século, o estado e as empresas privadas investirão cada vez mais fundos de tirar o fôlego na miniaturização dos processos tecnológicos, porque eles compensarão à medida que as capacidades das novas gerações de computadores crescem, com menos velocidade.