La Litografia ultravioletta estrema o EUVL (dall'inglese Extreme ultraviolet lithography) è una tecnica di litografia che sfrutta un fascio luminoso dell'estremo ultravioletto a lunghezza d'onda pari a 13,5 nm per incidere un wafer di semiconduttore (Silicio). L'introduzione di questa tecnologia ha permesso di trovare posto per un numero sempre maggiore di transistor sui chip, incrementandone sensibilmente le prestazioni. Sul mercato attuale alcune aziende sono dotate di questa tecnologia, consentendo processi di produzione litografica con risoluzione di 4nm.
Caratteristiche macchina La particolarità dell'EUV risiede nella lunghezza d'onda generata (13,5 nm), la quale permette una riduzione drastica delle dimensioni delle incisioni sui wafer. L'apparecchiatura che sfrutta la lunghezza d'onda dell'estremo ultravioletto ha richiesto molti decenni di progettazione e test di laboratorio, sia per quanto riguarda la selezione dei materiali da utilizzare che la configurazione ottimale del macchinario stesso. Il processo d'incisione dei wafer parte da uno strumento in grado di generare un fascio luminoso ad alta intensità EUV. Questo avviene sfruttando un emettitore laser a CO2 che colpendo delle micro-gocce di Stagno (Sn) le porta allo stato di plasma e nella fase di decadimento radiattivo, alcuni ioni specifici generano l'emissione ultravioletta estrema, concentrata alla lunghezza d'onda di 13,5 nm. A questo punto il fascio viene incanalato ed indirizzato ad un particolare sistema di ottiche, la cui funzione principale è quella di selezionare solamente la parte centrale del fascio, ovvero quella avente un'intensità maggiore. Il fascio concentrato arriva dunque alla maschera, appositamente disegnata per proiettare sul wafer di silicio l'immagine da incidere. Successivamente un particolare schema di specchi riduce il fascio rifratto dalla maschera e lo concentra sulla superficie del wafer. Dal punto di vista ideale il processo di produzione dovrebbe avvenire nel vuoto, per massimizzare il rendimento energetico della macchina. Tuttavia, per motivi tecnici (il vuoto assoluto è impossibile da realizzare) ed economici, gli strumenti che utilizzano la litografia ultravioletta estrema operano in un ambiente controllato, ad una pressione dell'ordine dei 10-4-10-5 bar ed in presenza di idrogeno. Un'altra caratteristica da tenere in considerazione è l'elevato dispendio di energia elettrica richiesta per tale produzione, di fatto a livello energetico, il rendimento è poco superiore allo 0,02%. Se si considera, cioè l'impiego di circa 1 MW per la generazione del plasma EUV, tale plasma avrà una potenza in uscita di 200 W. Tale dispendio è giustificato dalla necessità di generare un plasma ad alta intensità a lunghezze d'onda corte. In particolare, va considerata la legge di Stefan-Boltzmann, che mette in relazione l'emittanza di un corpo nero e la sua temperatura elevata alla quarta.
Fonte EUV La generazione del fascio luminoso EUV deriva dal decadimento radiativo del plasma.
I requisiti fondamentali che deve possedere il fascio EUV, per un adeguato impiego industriale, sono due:
Alta efficienza di conversione (CE), definita come il rapporto della luce EUV emessa rispetto all'energia utilizzata per ottenerla Il plasma dovrebbe creare quantità gestibili di detriti comprendenti, ad es. frammenti o particelle ad alta energia che potrebbero limitare la vita utile dell'attrezzatura.
L'elemento che risponde al meglio a tali requisiti, sotto certe ipotesi specifiche di lavoro, è lo Stagno, in particolare Sn+8 ed Sn+15.
Lo studio spettroscopico, di tale elemento, ha infatti dimostrato come le emissioni generate dai suoi elettroni eccitati siano fortemente concentrate alla lunghezza d'onda di 13,5 nm. Per ottenere un fascio luminoso, adeguato al funzionamento del macchinario, occorre generare un plasma denso dalle micro-goccioline di Stagno liquido in due passaggi. Il primo utilizza un laser a bassa intensità, con l'obbiettivo di portare le goccioline di Stagno ad una dimensione tale da massimizzare l'esposizione al secondo impulso laser, ad alta intensità, da cui deriva un plasma caldo e denso.
Fase di Pre-Espansione Nella prima fase, detta di pre-espansione, una micro gocciolina viene fatta cadere (per un brevissimo istante (∼1 µs) come in Figura 2 perpendicolarmente sino ad arrivare al punto target, dove viene colpita dal primo impulso laser (come mostrato in Figura 2).
Questo impulso la espande passando dai ∼30 µm di diametro, in cui si presenta alla caduta, sino ad arrivare ai ∼500 µm, cioè, carica la gocciolina energeticamente e genera una deformazione fluidodinamica in modo da darle una forma adatta per ricevere l'impulso principale.
Vi sono due diversi metodi per espandere la gocciolina di Stagno alla dimensione voluta:
Si può fornire un impulso laser, ad un'intensità moderata (109-1012 W cm-2) per un tempo prolungato (10–100 ns). Il vantaggio risiede nel mantenimento della simmetria sferica durante l'espansione dello Stagno; ciò è possibile in virtù del fatto che le deformazioni fluidodinamiche innescate dall'impulso non risentano localmente dell'impulso stesso, visto la sua modesta intensità.
Alternativamente sono impiegati una serie di impulsi applicati in un lasso di tempo più breve (∼10 ns), ad un'intensità ben al di sopra di quella necessaria alla generazione dello stato di plasma. Questo processo permette di ottenere una gocciolina maggiormente caricata, rispetto alla classe precedente. Tende ad assumere una forma ovale (simile ad una ghianda) in cui l'energia si concentra principalmente negli strati superficiali. Lo svantaggio risiede innanzitutto nella generazione di una quantità maggiore di detriti, oltre che la perdita della simmetria sferica.
Le caratteristiche delle classi (intensità dell'impulso, periodo dell'impulso, distanza dal punto target) sono soggette ad un costante aggiornamento; questo perché minime variazioni nel periodo di pulsazione e/o della sua intensità determinano una diversa espansione della gocciolina e dell'energia accumulata.
In entrambi i casi si generano delle microesplosioni superficiali, che causano il distacco di alcune porzioni di materiale, generando così detriti, tuttavia come già detto tale fenomeno avviene principalmente nel secondo metodo di pre-pulsatori.
Fase di Main-espansione Una volta raggiunta la forma adatta, un altro l'impulso laser, questa volta ad alta intensità, irradia la gocciolina di Stagno espansa. Questo impulso, detto principale, trasforma lo Stagno liquido in plasma caldo e denso.
Sono necessarie densità di potenza elevate per ottenere temperatura del plasma apprezzabili (∼20-40 eV), per produrre fasci di luce ultravioletta ad alta densità che verranno poi raccolte dal collettore.
La propagazione dell'energia all'interno della gocciolina di stagno, comprese le forze idrodinamiche, generano due fenomeni distinti:
Il distacco di materia sulla superficie altamente carica. Il concentramento dell'energia nella regione interna della molecola.
Infatti, l'energia laser viene assorbita e trasportata all'interno della molecola. Nella regione ad alta densità di materia, questo fenomeno è favorito dal calore per mezzo di elettroni di conduzione, mentre nelle regioni a densità inferiore dalle radiazioni stesse. Questo frazionamento dell'energia all'interno della gocciolina accelera l'espansione del plasma ed il decadimento radiativo.
Il distacco di materia o ablazione è fortemente caratterizzato da perdite radiative, queste perdite sono più alte dalla regione più calda, dove cioè la luce laser viene assorbita e sono quelle che concorrono alla generazione di fasci luminosi ad alta densità.
Va considerato che l'emissione ottenuta dal plasma ha tre importanti caratteristiche: ottima efficienza di conversione (CE), purezza spettrale (SP) ed efficienza radiativa, che ne permettono l'impiego industriale. Per ottenere la densità luminosa desiderata, tuttavia, è importante tenere sotto controllo e minimizzare gli effetti di opacità. In particolare, gli studi sperimentali hanno dimostrato come, per mantenere ottimali le caratteristiche del plasma ottenuto, sia necessario un attento controllo della profondità ottica del plasma prodotto dal laser.
UTA ed emissioni a 13,5nm Gli studi sperimentali si basano principalmente sull'analisi degli spettri ottenuti da esperimenti in cui un laser Nd:YAG irradia una micro-gocciolina di Stagno. Dai grafici così ottenuti si evidenzia un'elevata concentrazione della lunghezza d'onda rilasciata in fase di decadimento alla lunghezza d'onda di 13,5 nm. Semplificando, quando lo Stagno passa dallo stato eccitato a quello fondamentale, tende a rilasciare energia sotto forma di decadimento radiativo, concentrando tale energia in fasci luminosi alla lunghezza d'onda di 13,5 nm, cioè quella dell'estremo ultravioletto.
In particolare, ogni stato di carica degli ioni ha caratteristiche di emissione unica in questa gamma di lunghezze d'onda, originate dal decadimento radiativo nelle configurazioni 4p5 4dm 5s insieme a 4p6 4d(m-1) 5f e 4p6 4d (m-1) 6p, con m= 6-0.
Gli studi sugli stati di carica dello Stagno hanno dimostrato la necessità di considerare la totalità delle transizioni radiative tra due configurazioni elettroniche, concentrandosi in particolare sulle linee di emissione.
Essendo queste linee così numerose, appaiono strette negli spettri, inoltre ogni linea di emissione è ampliata da molti effetti (la larghezza di linea naturale la quale ha origine dalla durata finita di entrambi i livelli coinvolti, la larghezza di linea strumentale, l'effetto Doppler, l'allungamento dell'effetto Stark, l'effetto Zeeman). Di conseguenza, le linee si fondono spesso in ampie bande spettrali, dette UTA (Unresolved Transition Arrays).
Nello Stagno, allo stato di plasma si è visto come alcune configurazioni specifiche (4p6 4d(m-1) 4f e 4p5 4d (m+1)) sono la causa di una significativa ridistribuzione delle oscillazioni delle forze verso il lato ad alta energia della UTA. La caratteristica più importante osservata è il rapporto, dovuto alla natura delle linee di emissione dello Stagno, tra le concentrazioni di picchi di emissione verso il desiderato 13,5 nm e un'intensità crescente del laser.
Detriti Durante la generazione della luce EUV, si genera il distacco di materia, denominata come detriti nel suo complesso.
Questi detriti possono comprendere: frammenti di gocce di Stagno, atomi neutri, ammassi di atomi e ioni di plasma. In condizioni operative ottimali, si ottiene la completa evaporazione dello Stagno e vengono prodotti solo ioni e atomi di plasma, che si espandono nel vuoto.
L'eccessiva generazione di detriti comporta due problemi di funzionamento ed è per questo che sono in continua evoluzione i metodi per la loro rimozione. Innanzitutto, diminuiscono la vita utile dei macchinari impiegati in tale processo, inoltre vanno ad aumentare l'opacità della luce prodotta diminuendone così l'efficienza del macchinario.
Per ovviare a tale problema si opera in presenza di H2. Tutto il processo, infatti, avviene a bassa pressione con idrogeno come gas di fondo. La scelta dell'elemento, H2, ha due vantaggi chiave:
L'idrogeno atomico, sotto l'influenza del plasma, reagisce con qualsiasi Stagno, il cui prodotto è lo stannano gassoso (SnH4), il quale può essere pompato fuori dalla camera del plasma.
Inoltre, di tutti i gas, il deuterio (H2) ha la sezione di assorbimento EUV più bassa, ma comunque non sufficiente a fermarne l'emissione.
In alternativa o in aggiunta all'uso dell'idrogeno, un altro approccio sperimentale è quello magnetico. Si utilizza una guida magnetica che può essere fatta ruotare attorno alla camera di reazione in modo da attrarre ai bordi i detriti. La tecnica ha mostrato benefici soprattutto per quanto riguarda la purezza della luce ottenuta, in quanto allontana i detriti dallo specchio l'ottica multistrato.
Maschera EUV