フォトリソグラフィー

フォトリソグラフィー（光リソグラフィーとも呼ばれる）は、集積回路の製造に使用されるプロセスです。光を使用して、通常はシリコン ウェハーなどの基板にパターンを転写します。

このプロセスは、フォトレジストと呼ばれる感光性材料を基板に塗布することから始まります。次に、必要なパターンを含むフォトマスクをフォトレジストの上に置きます。フォトマスクを通して光を照射すると、フォトレジストの特定の領域が露出します。露出した領域は化学変化を起こし、現像液に溶けるか溶けないかになります。現像後、パターンはエッチング、化学蒸着、またはイオン注入プロセスによって基板に転写されます。

通常は紫外線（UV）光が使用されます。^[1]

フォトリソグラフィーのプロセスは、使用される光の種類によって、紫外線リソグラフィー、深紫外線リソグラフィー、極端紫外線リソグラフィー (EUVL)、X 線リソグラフィーなどに分類できます。使用される光の波長によって、フォトレジストに形成できる最小の特徴サイズが決まります。

フォトリソグラフィーは、半導体メモリやマイクロプロセッサなどの集積回路（「IC」または「チップ」）を製造する最も一般的な方法です。数ナノメートルのサイズまでの極めて小さなパターンを作成できます。作成するオブジェクトの形状とサイズを正確に制御できます。1 つのステップで、ウェーハ全体にパターンをすばやく比較的低コストで作成できます。複雑な集積回路では、ウェーハはフォトリソグラフィー サイクルを 50 回も実行する場合があります。また、マイクロエレクトロメカニカル システムの製造など、一般的な微細加工の重要な技術でもあります。ただし、フォトリソグラフィーは、完全に平坦でない表面にマスクを作成するために使用することはできません。また、すべてのチップ製造プロセスと同様に、非常にクリーンな動作条件が必要です。

フォトリソグラフィーは、パターン化された薄膜を生成するプロセスの総称であるマイクロリソグラフィーのサブクラスです。このより広いクラスの他の技術には、操縦可能な電子ビームの使用、またはよりまれにナノインプリント、干渉、磁場、または走査プローブが含まれます。より広いレベルでは、マイクロ構造とナノ構造の誘導自己組織化と競合する可能性があります。^[2]

フォトリソグラフィーは、フォトレジストのパターンが光にさらされることによって作成されるという点で、写真といくつかの基本原理を共有しています。光はレンズを通して直接投影するか、コンタクトプリントのように基板の上に直接置かれたマスクを照らすことによって作成されます。この技術は、プリント回路基板の製造に使用される方法の高精度バージョンと見ることもできます。この名前は、紙にリソグラフィー印刷するためのプレートを作成する従来の写真法との緩い類似性から生まれました。 ^[3]ただし、プロセスのその後の段階は、従来のリソグラフィーよりもエッチングとの共通点が多いです。

従来のフォトレジストは通常​​、樹脂、感光剤、溶剤の 3 つの成分で構成されています。

photo、litho、graphy という語源はすべてギリシャ語で、それぞれ「光」、「石」、「文字」を意味します。これらの語源を組み合わせた名前からもわかるように、フォトリソグラフィーは光が重要な役割を果たす印刷方法 (もともとは石灰岩の印刷版を使用する方法) です。

1820年代、ニセフォール・ニエプスは、天然アスファルトであるユダヤのビチューメンを最初のフォトレジストとして使用する写真プロセスを発明しました。金属、ガラス、または石のシートに薄く塗られたビチューメンは、光にさらされた場所では溶解性が低下します。次に、露光されていない部分を適切な溶剤で洗い流すと、下の材料が露出し、酸浴で化学的にエッチングされて印刷版が作成されます。ビチューメンは光に対する感度が非常に低く、非常に長い露光が必要でしたが、後にもっと感度の高い代替品が導入されたにもかかわらず、低コストで強酸に対する優れた耐性があるため、20世紀初頭まで商業的に使用されました。

1940年、オスカー・ズースはジアゾナフトキノンを使用してポジ型フォトレジストを開発した。これは逆の働きをするもので、コーティングは最初は不溶性だが、光にさらされると可溶性になるというものだった。^[4] 1954年、ルイス・プランベック・ジュニアはダイクリルポリマー活版版を開発し、これにより製版工程が高速化された。^[5]フォトレジストの現像は、かつては現像液に浸したウェーハのバッチ処理で行われていたが、現代のプロセスでは、プロセス制御を改善するために一度に1枚のウェーハで現像を行う（シングルウェーハ処理）ようになっている。^[6]

1957年、ジュール・アンドラスはベル研究所に勤務しながら、半導体製造のためのフォトリソグラフィープロセスの特許を取得しました。^{[7] [8]}同じ頃、アメリカ陸軍通信部隊のモー・アブラムソンとスタニスラウス・ダンコは回路を印刷する技術を開発しました。^[8]

1952年、米軍は国立標準技術局（後の米陸軍ダイヤモンド兵器信管研究所。最終的に現在の陸軍研究所に統合）のジェイ・W・ラソップとジェームズ・R・ナルに、近接信管内の限られたスペースに必要な回路をうまく収めるため、電子回路のサイズを縮小する方法を見つけるという課題を与えた。^{[9]金属製の航空機の翼の}リベット穴の境界をマークするために使用される感光性液体であるフォトレジストの応用にヒントを得て、ナルは、同様のプロセスを使用してトランジスタ内のゲルマニウムを保護し、光で表面をパターン化できると判断した。^[10]開発中、ラソップとナルはこの技術を使用してトランジスタを備えた2D小型ハイブリッド集積回路を作成することに成功した。^[9] 1958年、ワシントンDCで開催されたIRE電子デバイス専門家グループ（PGED）会議で、彼らは写真技術を使用したトランジスタの製造を説明した最初の論文を発表し、そのプロセスを説明するために「フォトリソグラフィー」という用語を採用しました。これは、半導体デバイスのパターニングを説明するためにこの用語が初めて公表されたことを示しています。^{[10] [3]}

電子部品のフォトリソグラフィーは、従来のリソグラフィー印刷のように石をエッチングして「マスター」を作成するのではなく、金属の複製をエッチングするものであるにもかかわらず、ラサロップとナルは「フォトエッチング」ではなく「フォトリソグラフィー」という用語を選択しました。これは、前者が「ハイテク」に聞こえるためです。^[9]会議の1年後、ラサロップとナルのフォトリソグラフィーに関する特許は、1959年6月9日に正式に承認されました。 ^[11]フォトリソグラフィーは、後に最初の半導体ICと最初のマイクロチップの開発に貢献しました。^[9]

フォトリソグラフィーの 1 回の反復では、複数のステップが順番に組み合わされます。現代のクリーンルームでは、自動化されたロボット式ウェーハ トラック システムを使用してプロセスを調整します。 ^[12]ここで説明する手順では、薄化剤などの高度な処理が省略されています。^[13]フォトリソグラフィー プロセスは、ウェーハ トラックとステッパー/スキャナーによって実行され、ウェーハ トラック システムとステッパー/スキャナーは並んで設置されます。ウェーハ トラック システムは、同じ機能を実行するウェーハ コーター/デベロッパー システムとも呼ばれます。^{[14] [15]}ウェーハ トラックは、マシン内でウェーハを運ぶために使用される「トラック」にちなんで名付けられていますが、^[16]現代のマシンではトラックは使用されていません。^[15]

ウェーハ表面に有機または無機の汚染物質が存在する場合、通常は湿式化学処理、例えば過酸化水素を含む溶液をベースにしたRCA洗浄法によって除去されます。トリクロロエチレン、アセトン、メタノールで作られた他の溶液も洗浄に使用できます。^[17]

ウェハは最初に、ウェハ表面に存在する可能性のある水分を飛ばすのに十分な温度まで加熱されます。150 °C で 10 分間加熱すれば十分です。保管されていたウェハは、化学的に洗浄して汚染物質を除去する必要があります。ビス (トリメチルシリル) アミン (「ヘキサメチルジシラザン」、HMDS)などの液体または気体の「接着促進剤」を塗布して、フォトレジストとウェハの接着を促進します。ウェハ上の二酸化ケイ素の表面層は HMDS と反応してトリメチル化二酸化ケイ素を形成します。これは、車の塗装のワックス層に似た、撥水性に優れた層です。この撥水性層は、水性現像液がフォトレジスト層とウェハの表面の間に浸透するのを防ぎ、(現像) パターン内の小さなフォトレジスト構造のいわゆる浮き上がりを防ぎます。画像の現像を確実にするためには、カバーをしてホットプレートの上に置き、温度を120℃に安定させながら乾燥させるのが最善です。^[18]

スピンコーティングによって、ウェハーはフォトレジスト液で覆われます。こうすることで、レジストの最上層はウェハーの端から素早く押し出されますが、最下層はウェハーに沿ってゆっくりと放射状に進み続けます。このようにして、レジストの「隆起」や「隆起」が除去され、非常に平坦な層が残ります。しかし、粘性のある膜は、レジストの厚さが増加したウェハーまたはフォトマスクの端の領域である大きなエッジビードを引き起こす可能性があり^[19]、その平坦化には物理的な限界があります。^[20]多くの場合、エッジビード除去 (EBR) が通常ノズルを使用して実行され、余分なレジストが除去されます。そうしないと、粒子汚染の原因となる可能性があります。 ^{[21] [22] [23]} 最終的な厚さは、レジストからの液体溶媒の蒸発によっても決まります。非常に小さく高密度の特徴 (< 125 nm 程度) の場合、高アスペクト比での崩壊効果を克服するために、より薄いレジスト厚 (< 0.5 ミクロン) が必要です。一般的なアスペクト比は < 4:1 です。

フォトレジストを塗布したウェーハは、次に、余分なフォトレジスト溶剤を飛ばすために、通常、ホットプレート上で 90 ～ 100 °C で 30 ～ 60 秒間プリベークされる。^[24]フォトレジストを塗布する前に、BARC コーティング (下部反射防止コーティング) を塗布して、フォトレジストの下での反射を防ぎ、45 nm 以下などのより小さな半導体ノードでのフォトレジストの性能を向上させることができる。^{[25] [26] [27]}上部反射防止コーティング (TARC) も存在する。^[28] EUV リソグラフィーは、金属酸化物を含むフォトレジストを使用できるという点で独特である。^[29]

プリベーク後、フォトレジストは強い光のパターンに露光されます。光に露光すると化学変化が起こり、写真現像液に類似した「現像液」と呼ばれる特殊な溶液でフォトレジストの一部を除去できます。最も一般的なタイプのポジ型フォトレジストは露光すると現像液に溶けます。ネガ型フォトレジストでは露光されていない領域が現像液に溶けます。

露光後ベーク（PEB）は現像前に行われ、通常は入射光の破壊的および建設的干渉パターンによって引き起こされる定在波現象を軽減するのに役立ちます。深紫外線リソグラフィーでは、化学増幅レジスト（CAR）化学が使用されます。このレジストは、光子が当たると酸を生成し、その後「露光」反応（酸を生成し、ポリマーを基本現像液に溶解させ、酸によって触媒される化学反応を実行する）を受けるため、PEB時間、温度、遅延に非常に敏感です。これは、主にPEBで発生します。^{[30] [31]}

現像剤は、フォトレジストと同様にスピナーで供給される。現像液には元々水酸化ナトリウム(NaOH) が含まれていることが多かった。しかし、ナトリウムはゲート酸化物の絶縁特性を劣化させるため、MOSFET製造において極めて望ましくない汚染物質とみなされている (具体的には、ナトリウムイオンがゲートに出入りしてトランジスタのしきい値電圧を変化させ、時間の経過とともにトランジスタをオンにするのが難しくなったり容易になったりする)。現在では、テトラメチルアンモニウム水酸化物(TMAH) などの金属イオンを含まない現像液が使用されている。現像液の温度は、ジャケット付き (二重壁) ホースを使用して 0.2 °C 以内に厳密に制御される場合がある。^[6]現像液でウェーハをコーティングするノズルは、必要な現像液の量に影響を与える可能性がある。^{[32] [15]}

得られたウェーハは、非化学増幅型レジストを使用した場合には、通常120～180℃ ^{[33]で20～30分間「ハードベーク」される。ハードベークにより、残ったフォトレジストが固まり、将来の}イオン注入、ウェットケミカルエッチング、プラズマエッチングにおいてより耐久性のある保護層が形成される。

準備からこのステップまで、フォトリソグラフィーの手順は、フォトリソグラフィーステッパーまたはスキャナーとコーター/デベロッパーの2つの機械によって実行されます。通常、2つの機械は並んで設置され、互いに「リンク」されています。^{[34] [27] [35]}

エッチングでは、液体（「ウェット」）またはプラズマ（「ドライ」）の化学薬品が、フォトレジストで保護されていない領域の基板の最上層を除去します。半導体製造では、フォトレジストパターンの大幅なアンダーカットを避けるために、異方性にすることができるドライエッチング技術が一般的に使用されます。これは、定義されるフィーチャの幅がエッチングされる材料の厚さと同等かそれより小さい場合（つまり、アスペクト比が 1 に近づく場合）に不可欠です。ウェットエッチングプロセスは、通常、本質的に等方性であり、吊り下げられた構造を下層から「解放」する必要がある マイクロエレクトロメカニカルシステムには不可欠なことがよくあります。

低欠陥異方性ドライエッチングプロセスの開発により、レジストにフォトリソグラフィで定義されたさらに小さな特徴を基板材料に転写することが可能になりました。

フォトレジストが不要になったら、基板から除去する必要があります。これには通常、レジストを化学的に変化させて基板に付着しないようにする液体の「レジスト剥離剤」が必要です。あるいは、フォトレジストを酸素を含むプラズマで酸化させて除去することもできます。このプロセスはプラズマ灰化と呼ばれ、ドライエッチングに似ています。フォトレジストに1-メチル-2-ピロリドン (NMP)溶剤を使用するのも、画像を除去するために使用される別の方法です。レジストが溶解したら、80 °C に加熱して溶剤を除去できます。残留物は残りません。^[36]

露光システムは通常、フォトマスクを使用してウェハ上に画像を生成します。フォトマスクは、一部の領域では光を遮断し、他の領域では光を通過させます。(マスクレス リソグラフィーは、マスクを使用せずに正確なビームをウェハ上に直接投影しますが、商業プロセスでは広く使用されていません。) 露光システムは、マスクからウェハに画像を転送する光学系によって分類できます。

フォトリソグラフィーは、印刷層がより滑らかで、パターンの波が少なく、ドレイン-ソース電極の位置合わせがより正確であるため、印刷エレクトロニクスよりも優れた薄膜トランジスタ構造を生成します。 ^[37]

最も単純な露光システムであるコンタクトアライナーは、フォトマスクをウェーハに直接接触させ^[38]、均一な光で露光します。プロキシミティアライナーは、フォトマスクとウェーハの間に約5ミクロンの小さな隙間を置きます。^[38]どちらの場合も、マスクはウェーハ全体を覆い、すべてのダイを同時にパターン化します。

コンタクト印刷/リソグラフィーはマスクとウェーハの両方に損傷を与える可能性があり、^[38]これが大量生産で放棄された主な理由です。コンタクトリソグラフィーとプロキシミティリソグラフィーの両方で、ウェーハ全体で光の強度が均一であることと、マスクがウェーハ上の既存の特徴に正確に位置合わせされることが必要です。現代のプロセスではますます大きなウェーハが使用されるため、これらの条件はますます困難になっています。

研究および試作プロセスでは、安価なハードウェアを使用し、高い光学解像度を実現できるため、接触リソグラフィーまたは近接リソグラフィーがよく使用されます。近接リソグラフィーの解像度は、波長とギャップ距離の積の平方根にほぼ相当します。したがって、投影リソグラフィー (下記参照) を除き、ギャップ距離がほぼゼロ (フォトレジスト自体の厚さは無視) であるため、接触印刷が最高の解像度を提供します。さらに、ナノインプリント リソグラフィーは、特に所有コストが低いと予想されるため、このよく知られた技術への関心を再び呼び起こす可能性があります。ただし、上で説明した接触印刷の欠点は、依然として課題として残っています。

超大規模集積回路(VLSI) リソグラフィーでは、投影システムが使用されます。ウェーハ全体をカバーするコンタクト マスクやプロキシミティ マスクとは異なり、投影マスク (「レチクル」と呼ばれる) は、一度にウェーハの一部に 1 つのダイまたはダイの配列 (「フィールド」と呼ばれる) のみを表示します。投影露光システム (ステッパーまたはスキャナー) は、ウェーハにマスクを何度も投影し、投影ごとにウェーハの位置を変更して完全なパターンを作成し、ウェーハを完全にパターン化します。ステッパーとスキャナーの違いは、露光中にスキャナーがフォトマスクとウェーハを同時に移動するのに対し、ステッパーはウェーハのみを移動する点です。接触、近接、投影マスク アライナーはステッパーより前に登場し^{[39] [40]}、露光中にフォトマスクもウェーハも移動せず、ウェーハ全体をカバーするマスクを使用します。液浸リソグラフィースキャナーは、レンズとウェーハの間に超純水の層を使用して解像度を高めます。フォトリソグラフィーの代替として、ナノインプリント リソグラフィーがあります。ウェーハ上に投影できる画像の最大サイズは、レチクル限界と呼ばれます。

マスクのイメージは、コンピュータ化されたデータ ファイルから作成されます。このデータ ファイルは一連のポリゴンに変換され、フォトリソグラフィー プロセスを使用してクロム層で覆われた石英ガラス基板の正方形に書き込まれます。レーザー ビーム (レーザー ライター) または電子ビーム (電子ビーム ライター) を使用して、データ ファイルで定義されたパターンを露光し、ベクターまたはラスター スキャン方式で基板の表面を移動します。マスク上のフォトレジストが露光された場所では、クロムをエッチングして除去し、ステッパー/スキャナー システムの照明光が通過できるクリアなパスを残します。

小さな特徴の鮮明な画像をウェーハ上に投影する能力は、使用される光の波長と、照明されたマスクから十分な回折次数を捕捉する縮小レンズシステムの能力によって制限されます。現在の最先端のフォトリソグラフィーツールは、波長248（KrF）および193（ArF）nmのエキシマレーザーからの深紫外線（DUV）光を使用しており（今日の主流のリソグラフィー技術は「エキシマレーザーリソグラフィー」とも呼ばれています）、これにより最小の特徴サイズは50nmまで可能です。このように、エキシマレーザーリソグラフィーは、過去20年間のムーアの法則 の継続的な進歩において重要な役割を果たしてきました（下記^[41]を参照）。

投影システムが印刷できる最小の特徴サイズは、おおよそ次のように求められます。

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

ここで、は最小特徴サイズ（臨界寸法、ターゲット設計ルール、または「ハーフピッチ」とも呼ばれる）、は使用される光の波長、 はウェハから見たレンズの 開口数です。${\displaystyle \,CD}$${\displaystyle \,\lambda }$${\displaystyle \,NA}$

${\displaystyle \,k_{1}}$(一般にk1 係数と呼ばれる) は、プロセス関連の要因を包含する係数であり、通常、製造では 0.4 になります。 (は、実際には、レチクルへの入射光の角度や入射光強度分布などのプロセス要因の関数です。プロセスごとに固定されています。)計算リソグラフィーによってこの係数を小さくすることで、最小フィーチャ サイズを縮小できます。${\displaystyle \,k_{1}}$

この式によれば、最小の特徴サイズは、波長を短くし、開口数を増やすことで小さくすることができます (より焦点の合ったビームとより小さなスポット サイズを実現するため)。ただし、この設計方法は競合する制約にぶつかります。最新のシステムでは、焦点深度も問題になります。

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

ここで、もう 1 つのプロセス関連の係数を示します。焦点深度によって、フォトレジストの厚さとウェハ上のトポグラフィの深さが制限されます。 高解像度のリソグラフィ ステップの前に、トポグラフィを平坦化するために化学機械研磨がよく使用されます。 ${\displaystyle \,k_{2}}$

古典光学では、レイリー基準によりk1=0.61となる。^[42] 1.22波長/NA未満で分離された2点の像はその分離を維持せず、 2点のエアリーディスク間の干渉により拡大する。しかし、2つの特徴間の距離は焦点ずれによっても変化する可能性があることも忘れてはならない。^[43]

解像度は2次元の文脈でも重要だ。例えば、ラインピッチが狭いと、ラインの端の間の隙間（垂直方向）が広くなる。^{[44] [45]}より根本的な問題として、xとyのピッチが両方とも解像度の限界に近づくと、長方形の特徴が短くなり、直線のエッジが丸くなる。^{[46] [47] [48] [49]}

先進ノードでは、波長ではなくぼかしが解像度を制限する主な要因となる。最小ピッチはぼかしσ/0.14で与えられる。^{[50]ぼかしは線量[51] [52] [53]}と量子収率^[54]の影響を受け、 EUVの場合は確率的欠陥とのトレードオフが生じる。^{[55] [56] [57]}

光は光子で構成されているため、低線量では画像品質は最終的に光子の数に依存します。これは極端紫外線リソグラフィー（EUVL）の使用に影響し、20光子/nm ²程度の低線量の使用に制限されます。^[58] これは、波長が短い（光子あたりのエネルギーが高い）ため、同じエネルギー線量で光子の数が少なくなるためです。画像を構成する光子が少ないと、エッジの配置にノイズが発生します。^[59]

確率的効果は、回折次数が多く、照明光源点が多くなると、ピッチパターンが大きくなるほど複雑になる。^{[60] [61]}

EUVリソグラフィーにおける二次電子は確率的特性を悪化させる。^[62]

歴史的に、フォトリソグラフィーでは、水銀を使用したガス放電ランプからの紫外線が使用されており、キセノンなどの希ガスと組み合わせて使用​​されることもあります。これらのランプは、紫外線範囲にいくつかの強いピークを持つ広いスペクトルの光を発します。このスペクトルは、単一のスペクトル線を選択するためにフィルタリングされます。1960年代初頭から1980年代半ばまで、リソグラフィーでは、436 nm (「g線」)、405 nm (「h線」)、および365 nm (「i線」) のスペクトル線を持つ水銀ランプが使用されていました。しかし、半導体業界では、より高い解像度 (より高密度で高速なチップを製造するため) とより高いスループット (低コストのため) の両方が求められており、ランプベースのリソグラフィーツールでは、業界のハイエンドの要件を満たすことができなくなりました。

この課題は、1982年にIBMのカンティ・ジェインがエキシマレーザーリソグラフィーを提案し、実証したことで克服されました。 ^{[63] [64] [65] [66]}エキシマレーザーリソグラフィーマシン（ステッパーとスキャナー）はマイクロエレクトロニクス製造の主要ツールとなり、チップ製造の最小特徴サイズを1990年の800ナノメートルから2018年には7ナノメートルに縮小することを可能にしました。^{[67] [68]}さらに広い科学的および技術的観点から、1960年の最初の実証以来のレーザーの50年の歴史において、エキシマレーザーリソグラフィーの発明と開発は大きなマイルストーンとして認識されています。^{[69] [70] [71]}

リソグラフィー システムで一般的に使用されている深紫外線エキシマ レーザーは、波長 248 nm のクリプトン フッ化物(KrF) レーザーと、波長 193 nm のアルゴン フッ化物レーザー(ArF) です。1980 年代のエキシマ レーザー光源の主な製造元は、Lambda Physik (現在は Coherent, Inc. の一部) と Lumonics でした。1990 年代半ば以降、Cymer Inc. はリソグラフィー装置製造元に対するエキシマ レーザー光源の主要サプライヤーとなり、Gigaphoton Inc. が最も近いライバルとなりました。一般に、エキシマ レーザーは特定のガス混合物で動作するように設計されているため、波長を変更することは簡単なことではありません。新しい波長を生成する方法が完全に異なり、材料の吸収特性が変化するためです。たとえば、空気は 193 nm の波長付近で著しく吸収し始めます。193 nm 未満の波長に移行するには、リソグラフィー ツールに真空ポンプとパージ装置を設置する必要があります (これは大きな課題です)。不活性ガス雰囲気は、配管工事の必要性を回避するために、真空の代わりとして使用されることがあります。さらに、二酸化ケイ素などの絶縁材料は、バンドギャップよりも高いエネルギーの光子にさらされると、自由電子と正孔を放出し、その結果、逆電荷を引き起こします。

光学リソグ​​ラフィーは、193 nm ArF エキシマレーザーと液浸技術を使用して、50 nm 未満のフィーチャ サイズに拡張されました。液浸リソグラフィーとも呼ばれるこの技術により、開口数が 1.0 を超える光学系を使用できます。使用される液体は通常、超純粋な脱イオン水で、レンズとウェハ表面の間の通常の空気ギャップよりも高い屈折率を実現します。熱による歪みを排除するため、水は継続的に循環されます。水では最大NA が約 1.4 までしか許容されませんが、屈折率の高い液体を使用すると、有効NAをさらに高めることができます。

現在の露光システムと同様の方法で、F2 エキシマレーザーの 157 nm 波長を使用する実験ツールが構築されています。これらはかつて 65 nm フィーチャーサイズノードで 193 nm リソグラフィーの後継となることを目標としていましたが、現在では液浸リソグラフィーの導入によりほぼ排除されています。これは、157 nm 技術の根強い技術的問題と、193 nm エキシマレーザーリソグラフィー技術の継続使用に対する強いインセンティブとなった経済的考慮によるものです。高屈折率液浸リソグラフィーは、検討すべき 193 nm リソグラフィーの最新の拡張です。2006 年に、IBM はこの技術を使用して 30 nm 未満のフィーチャーを実証しました。^[72]これらのシステムでは、CaF ₂フッ化カルシウムレンズが使用されました。^{[73] [74]} 157 nm での液浸リソグラフィーが検討されました。^[75]

_{UV エキシマレーザーは、約 126 nm (Ar 2} *の場合) まで実証されています。水銀アークランプは、50 ～ 150 ボルトの安定した DC 電流を維持するように設計されていますが、エキシマレーザーは解像度が高くなります。エキシマレーザーは、通常、電界によって充電される不活性ガスとハロゲン化物ガス (Kr、Ar、Xe、F、Cl) で満たされたガスベースの照明システムです。周波数が高くなるほど、画像の解像度が高くなります。KrF レーザーは、4 kHz の周波数で機能できます。より高い周波数で動作することに加えて、エキシマレーザーは、水銀アークランプよりも高度な機械と互換性があります。また、より長い距離 (最大 25 メートル) から操作でき、一連のミラーと反射防止コーティングされたレンズで精度を維持できます。複数のレーザーとミラーを設置することでエネルギー損失が最小限に抑えられ、またレンズが反射防止材でコーティングされているため、レーザーから出射されてからウェハに当たるまで光の強度はほぼ同じままです。^[76]

レーザーは、極端紫外線リソグラフィー用の13.5 nmの非コヒーレント極端紫外線（EUV）光を間接的に生成するために使用されています。EUV光はレーザーから放射されるのではなく、エキシマレーザーまたはCO2レーザーによって励起されたスズまたはキセノンプラズマから放射されます_。 [ ^77]この技術はシンクロトロンを必要とせず、前述のようにEUV光源はコヒーレント光を生成しません。ただし、X線スペクトルの端（10 nmから始まる）でUVを扱うには、真空システムといくつかの新しい技術（現在生成されているよりもはるかに高いEUVエネルギーを含む）が必要です。2020年現在、EUVはTSMCやSamsungなどの最先端のファウンドリで量産使用されています。

理論的には、特に波長が極端紫外線または X 線まで減少し続ける場合、フォトリソグラフィーの代替光源は自由電子レーザー(または X 線デバイスの場合は xaser とも言う) です。自由電子レーザーは、任意の波長で高品質のビームを生成できます。

可視および赤外線フェムト秒レーザーもリソグラフィーに応用されている。その場合、光化学反応は多光子吸収によって開始される。これらの光源の使用には、真の3Dオブジェクトを製造したり、優れた光学的弾力性を持つ非感光性（純粋）ガラスのような材料を加工したりする可能性など、多くの利点がある。^[78]

フォトリソグラフィーは長年、その終焉の予測を覆してきました。たとえば、1980年代初頭までに、半導体業界の多くは、1ミクロン未満のフィーチャを光学的に印刷することはできないと信じるようになりました。エキシマレーザーリソグラフィーを使用する最新の技術では、使用する光の波長の数分の1の寸法のフィーチャをすでに印刷しています。これは驚くべき光学的偉業です。液浸リソグラフィー、デュアルトーンレジスト、マルチパターニングなどの新しい技術により、193 nmリソグラフィーの解像度が向上し続けています。一方、現在の研究では、電子ビームリソグラフィー、X線リソグラフィー、極端紫外線リソグラフィー、イオンプロジェクションリソグラフィーなど、従来のUVの代替手段が模索されています。極端紫外線リソグラフィーは、2018年にサムスン^[79]によって量産使用に入り、他のメーカーも追随しています。

超並列電子ビームリソグラフィーはフォトリソグラフィーの代替として研究され、TSMCによってテストされたが成功せず、この技術の主な開発者であるMAPPERの技術はASMLによって購入されたが、電子ビームリソグラフィーはIBMによってチップ製造に使用されたことがある。^{[80] [81]}電子ビームリソグラフィーはフォトマスク製造などのニッチな用途にのみ使用されている。^{[82] [83] [84] [85] [86]}

2001年のNISTの出版物では、フォトリソグラフィープロセスがウェハ処理コスト全体の約35%を占めていると報告されている。^{[87] : 11}

2021年、フォトリソグラフィー産業の価値は80億ドルを超えた。^[88]

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• BYU フォトリソグラフィー リソース
• 半導体リソグラフィー – リソグラフィーの概要
• 光リソグラフィー入門 – リソグラフィー関連の記事が掲載されている IBM サイト