Principe, situation actuelle et avenir de la machine de lithographie
Selon le type de source lumineuse, les machines de lithographie se divisent en trois catégories : UV (ultraviolet), DUV (ultraviolet profond) et EUV (ultraviolet extrême). La résolution d’une machine de lithographie est principalement déterminée par deux paramètres : la longueur d’onde de la source lumineuse (λ) et l’ouverture numérique (ON) du système d’objectif. En d’autres termes, plus la longueur d’onde est courte et plus l’ouverture numérique est grande, meilleure est la résolution de la machine de lithographie.
1. Principe de base de la machine lithographique : critère de Rayleigh
La résolution de la machine de lithographie, c'est-à-dire la taille minimale des motifs pouvant être obtenus sur la puce, peut être exprimée par le critère de Rayleigh : CD = k1*λ/NA
Dans cette formule :
CD correspond à la largeur de ligne, soit la plus petite dimension de détail pouvant être obtenue.
λ est la longueur d'onde de la source lumineuse photolithographique.
L'ouverture numérique (NA) de l'objectif représente sa capacité à collecter la lumière. Le coefficient d'ouverture numérique (k₁) est un facteur lié au procédé de fabrication de la puce ; les procédés les plus avancés permettent de le réduire jusqu'à 0,25.
Afin d'obtenir une largeur de ligne plus petite, les fabricants de semi-conducteurs utiliseront une source lumineuse de longueur d'onde plus courte (λ), utiliseront un objectif à ouverture numérique plus grande (NA) et tenteront de réduire le taux k₁.
2. Différences entre les différents types de machines de lithographie
Machines de lithographie UV et DUV : les machines de lithographie UV utilisent une source lumineuse de longueur d’onde plus longue, comme la raie I à 365 nm, tandis que les machines de lithographie DUV utilisent un laser à fluorure d’argon (ArF) à 193 nm ou un laser à fluorure de krypton (KrF) à 248 nm. Grâce à la courte longueur d’onde, la résolution des machines de lithographie DUV est bien supérieure à celle des machines de lithographie UV. Selon le milieu du trajet optique, la lithographie DUV se divise en deux catégories : sèche (Dry) et par immersion (ArFi).
Lithographie EUV : La lithographie EUV utilise une source de lumière ultraviolette extrême d’une longueur d’onde de 13,5 nm, ce qui représente actuellement la technologie de lithographie la plus avancée. Grâce à cette longueur d’onde extrêmement courte, les machines de lithographie EUV permettent d’atteindre des dimensions de gravure plus petites (7 nm, 5 nm, voire des nœuds de processus encore plus fins). Le système source lumineuse et le système d’objectif d’une machine de lithographie EUV sont extrêmement complexes, et leur fabrication est difficile et coûteuse.
3. Caractéristiques techniques de la machine de lithographie par immersion
La lithographie par immersion (ArFi) améliore la résolution en remplaçant l'air entre l'objectif et la plaquette par de l'eau, ce qui raccourcit la longueur d'onde de la lumière pénétrant dans la plaquette. L'eau a un indice de réfraction de 1,44, tandis que celui de l'air est de 1. Grâce à cette augmentation de l'indice de réfraction, la longueur d'onde équivalente du laser ArF, de 193 nm, est ramenée à environ 134 nm, ce qui améliore la précision de la lithographie.
Cependant, l'ouverture numérique (ON) de l'objectif de la machine de lithographie par immersion doit être augmentée. L'ON des machines de lithographie ArFi courantes sur le marché international atteint 1,35, tandis que celle des machines de lithographie par immersion chinoises actuelles n'est que de 1,08. Par conséquent, sans amélioration de l'ON de l'objectif, la résolution de la machine de lithographie par immersion reste inférieure à celle des produits de fabricants de pointe comme ASML.
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