Litografia ultravioleta extrema 📖 Wikipedia

A litografia ultravioleta extrema (Extreme ultraviolet lithography ou EUVL em inglês), também conhecida simplesmente como EUV) é uma tecnologia usada na indústria de semicondutores para a fabricação de circuitos integrados (CIs). É um tipo de fotolitografia que usa luz ultravioleta extrema (EUV) de 13,5 nm proveniente de um plasma de estanho (Sn) pulsado por laser para criar padrões complexos em substratos semicondutores.

Desde 2025^[update], ASML Holding é a única empresa que produz e vende sistemas EUV para produção de chips, visando nós de processo de 5 nanômetros (nm) e 3 nm, embora a Reuters tenha relatado em dezembro de 2025 que a China desenvolveu seu próprio protótipo de sistema EUV.^[1]

Os comprimentos de onda EUV usados em EUVL estão próximos de 13,5 nanômetros (nm), usando um plasma de gotículas de estanho (Sn) pulsado por laser para produzir um padrão usando uma fotomáscara reflexiva para expor um substrato coberto por fotorresistente. Íons de estanho nos estados iônicos do Sn IX para Sn XIV apresentam picos espectrais de emissão de fótons em torno de 13,5. nm de transições de estado iônico 4p ⁶ 4d ⁿ – 4p ⁵ 4d ^{n +1} + 4d ^{n −1} 4f.^[2]

De acordo com um relatório da Pragma Market Research,^[3] o mercado global de litografia ultravioleta extrema (EUV) deverá crescer de US$ 8.957,8 milhões em 2024 para US$ 17.350 milhões até 2030, a uma taxa de crescimento anual composta de 11,7%. Esse crescimento significativo reflete a crescente demanda por eletrônicos miniaturizados em diversos setores, incluindo smartphones, inteligência artificial e computação de alto desempenho.

Na década de 1960, a luz visível era utilizada na produção de circuitos integrados, com comprimentos de onda tão curtos quanto 435 nm (linha "g" do mercúrio).

Posteriormente, a luz ultravioleta (UV) passou a ser empregada, inicialmente com um comprimento de onda de 365 nm (linha "i" do mercúrio), seguida pelos comprimentos de onda do laser excimer, primeiro de 248 nm (laser de fluoreto de criptônio), e depois de 193 nm (laser de fluoreto de argônio), que foi denominado UV profundo (deep UV).

O passo seguinte, em direção a dimensões ainda menores, foi chamado de UV extremo (extreme UV), ou EUV. A tecnologia EUV era considerada impossível por muitos

A luz EUV é absorvida por vidro e ar, de modo que, em vez de utilizar lentes para focar os feixes de luz como era feito anteriormente, seriam necessários espelhos no vácuo. Uma produção confiável de EUV também apresentava problemas. Por conseguinte, os principais produtores de steppers (equipamentos de litografia), Canon e Nikon, interromperam o desenvolvimento, e alguns previram o fim da Lei de Moore.

Enquanto trabalhava na Nippon Telegraph and Telephone (NTT) no Japão em meados da década de 1980, o engenheiro Hiroo Kinoshita propôs pela primeira vez o conceito de EUV. Ele testou a ideia e demonstrou com sucesso as primeiras imagens em EUV numa reunião da Sociedade de Física Aplicada do Japão (JSAP) em 1986. Apesar do ceticismo inicial no Japão, Kinoshita continuou a pesquisa em EUV na NTT e organizou uma pesquisa conjunta entre EUA e Japão sobre EUV no início dos anos 1990.^[4][5]

Em 1991, cientistas da Bell Labs publicaram um artigo demonstrando a possibilidade de usar um comprimento de onda de 13,8 nm para a chamada litografia de projeção de raios X moles (soft X-ray).^[6]

Para superar o desafio da litografia EUV, pesquisadores do Laboratório Nacional de Lawrence Livermore, Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley e Laboratórios Nacionais Sandia receberam financiamento na década de 1990 para realizar pesquisa básica sobre os obstáculos técnicos. Os resultados desse esforço bem-sucedido foram disseminados por meio de uma parceria público-privada chamada Acordo Cooperativo de Pesquisa e Desenvolvimento (CRADA).^[5] O CRADA consistia em um consórcio de empresas privadas e laboratórios, estruturado como uma entidade denominada Extreme Ultraviolet Limited Liability Company (EUV LLC).^[7] Paralelamente, no Japão, o desenvolvimento da tecnologia EUV prosseguiu na década de 1990 através dos programas ASET (Association of Super-Advanced Electronics Technologies) e EUVA (Extreme Ultraviolet Lithography Development Association).^[5]

A Intel, a Canon e a Nikon (líderes na área na época), bem como a empresa holandesa ASML e o Silicon Valley Group (SVG), procuraram o licenciamento.^[8] Em 2001, o SVG foi adquirido pela ASML, ajudando a ASML a tornar-se a principal beneficiária desta tecnologia crítica.^[9]

Em 2018, a ASML conseguiu implementar a propriedade intelectual da EUV-LLC após várias décadas de pesquisa de desenvolvimento, incorporando o sistema financiado pelos europeus EUCLIDES (Extreme UV Concept Lithography Development System), o antigo parceiro alemão em fabricação de ótica ZEISS e o fornecedor de fontes de luz síncrotron Oxford Instruments. Isso levou a revista MIT Technology Review a chamá-la de "a máquina que salvou a lei de Moore".^[10] Em 2006, o seu primeiro protótipo produzia um wafer em 23 horas. Em 2022, um scanner já consegue produzir até 200 wafers por hora. O scanner usa as óticas Zeiss, que a empresa classifica como "os espelhos mais precisos do mundo", os quais são fabricados localizando-se as imperfeições e então removendo moléculas individuais através de técnicas como modelagem por feixe de íons (ion beam figuring).^[11]

Isto transformou a até então pequena empresa ASML na líder mundial em produção de scanners e monopolista nesta tecnologia de ponta, resultando num faturamento recorde de 27,4 bilhões de euros em 2021, ofuscando as suas concorrentes Canon e Nikon, às quais foi negado o acesso à PI. Sendo uma tecnologia tão fundamental para o desenvolvimento em muitos campos, o licenciador dos Estados Unidos pressionou as autoridades holandesas para não venderem estas máquinas para a China. A ASML tem seguido as orientações de controle de exportações da Holanda e, até segunda ordem, não terá autorização para enviar as máquinas para a China.^[12] A China, ao mesmo tempo, também investiu pesadamente no seu projeto nacional de EUV, e empresas líderes chinesas como a Huawei e a SMEE também registraram patentes para as suas propostas alternativas de tecnologias de EUV.^[13] Em dezembro de 2025, a Reuters reportou que a China havia concluído em segredo a fabricação de um protótipo de máquina EUV em Shenzhen, com a expectativa de produzir chips operacionais entre 2028 e 2030.^[14]

Paralelamente à técnica de padrões múltiplos (multiple patterning), a EUV pavimentou o caminho para maiores densidades de transistores, permitindo a produção de processadores de maior desempenho. Transistores mais pequenos também exigem menos energia para funcionar, resultando em dispositivos eletrónicos com maior eficiência energética.

Requisitos para steppers EUV, considerando o número de camadas no design que necessitam de EUV, a quantidade de máquinas e o rendimento (throughput) desejado da fábrica (fab), assumindo uma operação de 24 horas por dia.^[15]

As fotomáscaras EUV funcionam refletindo a luz,^[16] o que é alcançado usando múltiplas camadas alternadas de molibdênio e silício. Isso contrasta com as fotomáscaras convencionais, que funcionam bloqueando a luz através de uma única camada de cromo sobre um substrato de quartzo. Uma máscara EUV consiste em 40 a 50^[17] camadas alternadas de silício e molibdênio;^[18] trata-se de uma multicamada que atua para refletir a luz ultravioleta extrema através da difração de Bragg; a refletância é fortemente dependente do ângulo de incidência e do comprimento de onda, com comprimentos de onda mais longos refletindo mais perto da incidência normal e comprimentos de onda mais curtos refletindo mais longe da incidência normal. A multicamada pode ser protegida por uma fina camada de rutênio, chamada de camada de cobertura (capping layer).^[17][19][20] O padrão é definido em uma camada absorvedora à base de tântalo sobre a camada de cobertura.^[21]

Os moldes das fotomáscaras (blank photomasks) são fabricados principalmente por duas empresas: a AGC Inc. e a Hoya Corporation.^[22] Equipamentos de deposição por feixe de íons, fabricados principalmente pela Veeco, são frequentemente usados para depositar a multicamada.^[17] Um molde de fotomáscara é coberto com fotorresina (photoresist), que é então cozida (solidificada) em um forno, e posteriormente o padrão é definido na fotorresina usando litografia sem máscara com um feixe de elétrons. Esta etapa é chamada de exposição.^[23] A fotorresina exposta é revelada (removida), e as áreas desprotegidas são submetidas a ataque químico (etching). A fotorresina restante é então removida. Em seguida, as máscaras são inspecionadas e posteriormente reparadas usando um feixe de elétrons.^[24] O ataque químico deve ser feito apenas na camada absorvedora^[17] e, portanto, há a necessidade de distinguir entre a camada de cobertura e a camada absorvedora, o que é conhecido como seletividade de ataque (etch selectivity)^[25] e é diferente do ataque em fotomáscaras convencionais, que possuem apenas uma camada crítica para a sua função.^[26]

Um equipamento EUV (máquina de fotolitografia EUV) possui uma fonte de luz de plasma de estanho (Sn) acionada a laser e componentes ópticos reflexivos com espelhos multicamadas, mantidos em um ambiente com gás de hidrogênio.^[27] O hidrogênio é empregado para evitar que o espelho coletor de EUV – o qual atua como o primeiro espelho a captar o EUV emitido em uma grande amplitude angular (~2π sr) a partir do plasma de Sn – sofra deposição de estanho em sua superfície.^[28] Especificamente, o gás de proteção de hidrogênio na câmara ou recipiente da fonte de EUV desacelera ou potencialmente repele os íons e fragmentos de estanho que se movem em direção ao coletor de EUV (proteção do coletor), além de promover uma reação química de ${\displaystyle {\ce {Sn(s) + 4H(g) -> SnH4(g)}}}$ que possibilita a remoção da deposição de Sn do coletor através do gás ${\displaystyle {\ce {SnH4}}}$ (restauração da refletividade do coletor).

A EUVL representa um grande distanciamento em relação ao padrão de litografia ultravioleta profundo. Toda matéria absorve radiação EUV. Assim, a litografia EUV requer o uso de vácuo. Todos os componentes ópticos, abrangendo a fotomáscara, precisam empregar multicamadas de molibdênio/silício (Mo/Si) livres de imperfeições (compostas por 50 bicamadas de Mo/Si, que possuem um limite teórico de refletividade de cerca de 75% a 13,5 nm^[29]), as quais atuam para refletir a luz mediante interferência de ondas entre as camadas; qualquer um desses espelhos absorve aproximadamente 30% da luz incidente, tornando o controle da temperatura do espelho crucial.

Os sistemas EUVL, nos anos de 2002 a 2009, possuem, no mínimo, dois espelhos multicamada condensadores, seis espelhos multicamada de projeção e um objeto multicamada (máscara). Como os espelhos absorvem 96% da luz EUV, a fonte de luz ideal de EUV tem de ser muito mais potente que as das versões anteriores. O desenvolvimento da fonte EUV concentrou-se em plasmas produzidos por laser ou descargas pulsadas. O espelho responsável por coletar a luz é exposto diretamente ao plasma, o que o torna suscetível a danos causados por íons de alta energia^[30][31] e detritos diversos^[32] como gotículas de estanho, o que exige a substituição anual do dispendioso espelho coletor.^[33]

Os recursos necessários para a EUV são substancialmente maiores se comparados aos da imersão a 193 nm, mesmo quando se efetuam duas exposições usando esta última técnica. No Simpósio EUV de 2009, a Hynix comunicou que a eficiência global elétrica era de ~0,02% para EUV, o que significa que para conseguir 200 watts no foco intermédio para processar 100 wafers por hora, era necessário um megawatt de potência de entrada, em oposição aos 165 kilowatts de um scanner de imersão ArF, e que, mesmo com a mesma produtividade, o scanner EUV ocupava um espaço cerca de 3 vezes maior do que um scanner de imersão ArF, levando a uma perda de produtividade.^[34] Adicionalmente, para reter os fragmentos iônicos, pode ser necessário um ímã supercondutor.^[35]

Uma máquina EUV típica tem um peso que se aproxima das 200 toneladas^[36] e o seu custo ronda os 180 milhões de dólares.^[37]

As máquinas EUV consomem, no mínimo, 10 vezes mais energia do que as máquinas de imersão.^[38]

A tabela a seguir apresenta as distinções centrais entre os sistemas EUV que estão a ser desenvolvidos e os sistemas de imersão ArF que são atualmente muito utilizados na produção:

Os vários níveis de resolução nas ferramentas de NA 0,33 resultam das diversas alternativas de iluminação. Muito embora a ótica ofereça o potencial de atingir uma resolução abaixo de 20 nm, na prática, os elétrons secundários no resiste restringem a resolução a aproximadamente 20 nm (veremos mais sobre este aspecto adiante).^[50]

Os átomos com carga elétrica neutra e a matéria condensada não conseguem emitir radiação EUV. A matéria precisa primeiro ser ionizada para que possa emitir EUV. A formação térmica de íons positivos multicarga só é viável num plasma quente de alta densidade, o qual, por si próprio, absorve muita radiação EUV.^[51] A partir de 2025, a fonte de luz EUV estabelecida é o plasma de estanho disparado por laser.^[52] Os íons absorvem a luz EUV que emitem e são facilmente neutralizados por elétrons presentes no plasma para estados de carga menores, originando luz essencialmente em outros comprimentos de onda inutilizáveis, o que se traduz numa eficiência consideravelmente inferior na geração de luz para litografia em uma densidade de potência de plasma superior.

O rendimento (throughput) está atrelado à potência da fonte, dividida pela dose.^[53] Uma dose maior exige um movimento mais lento do estágio (menor rendimento) se a potência do pulso não puder ser aumentada.

A refletividade do coletor EUV degrada-se cerca de 0,1% a 0,3% a cada bilhão de pulsos de 50 kHz (cerca de 10% em cerca de duas semanas), o que leva a uma perda no tempo de atividade (uptime) e na capacidade de produção, enquanto mesmo para os primeiros bilhões de pulsos (dentro de um dia), ainda há 20% (±10%) de flutuação.^[54] Isto pode ser devido à acumulação de resíduos de Sn mencionada acima, que não são completamente limpos.^[55][56] Por outro lado, os equipamentos convencionais de litografia por imersão utilizados para modelagem dupla (double-patterning) garantem uma produção constante por um período de até um ano.^[57]

Recentemente, o iluminador NXE:3400B passou a apresentar uma taxa de preenchimento da pupila (pupil fill ratio - PFR) reduzida até 20% sem perda de transmissão.^[58] O PFR é otimizado e é superior a 0,2 em torno de um passo metálico de 45 nm.^[59]

Devido à utilização de espelhos EUV que também absorvem luz EUV, apenas uma pequena fração da luz originária da fonte atinge finalmente o wafer. São utilizados 4 espelhos para a óptica de iluminação e 6 espelhos para a óptica de projeção. A máscara ou retículo EUV é por si só um espelho adicional. Com 11 reflexões, apenas ~2% da luz da fonte EUV fica disponível no wafer.^[60]

O rendimento é determinado pela dose de resina EUV, que por sua vez depende da resolução exigida.^[61] Espera-se que uma dose de 40 mJ/cm² seja mantida para um rendimento adequado.^[62]

A fonte de luz EUV restringe o tempo de atividade do equipamento, além do rendimento. Num período de duas semanas, por exemplo, mais de sete horas de tempo de inatividade podem ser agendadas, enquanto o tempo de inatividade real total, incluindo problemas não programados, pode facilmente exceder um dia.^[60] Um erro de dose superior a 2% justifica o tempo de inatividade do equipamento.^[60]

O rendimento de exposição de wafers expandiu-se constantemente até cerca de 1000 wafers por dia (por sistema) ao longo do período de 2019-2022,^[63][64] indicando um tempo ocioso substancial, ao mesmo tempo em que se executam >120 wafers por dia em um número de camadas EUV com modelagem múltipla, para um wafer EUV em média.

A luz EUV (10–121 nm) é a faixa mais longa que os raios X (0,1–10 nm) e mais curta que a linha Lyman-alfa do hidrogênio (121 nm).

Enquanto os mais modernos lasers excimer de ArF de 193 nm oferecem intensidades de 200 W/cm²,^[65] os lasers para a produção de plasmas geradores de EUV precisam ser muito mais intensos, na ordem de 10¹¹ W/cm².^[66] Uma fonte de luz de 120 W de litografia de imersão ArF de última geração não requer mais do que 40 kW de potência elétrica,^[67] enquanto se pretende que as fontes EUV ultrapassem os 40 kW.^[68]

O alvo de potência óptica para a litografia EUV é de pelo menos 250 W, enquanto para outras fontes de litografia convencionais, é muito menor.^[60] Por exemplo, fontes de luz de litografia de imersão visam 90 W, fontes ArF a seco 45 W e fontes KrF 40 W. Espera-se que fontes EUV de alta NA (High-NA) exijam pelo menos 500 W.^[60]

Um aspecto fundamental das ferramentas EUVL, resultante do uso de óptica reflexiva, é a iluminação fora do eixo (em um ângulo de 6°, em direção diferente em posições diferentes dentro da fenda de iluminação)^[69] em uma máscara (retículo) multicamadas. Isso leva a efeitos de sombreamento resultando em assimetria no padrão de difração que degrada a fidelidade do padrão de várias maneiras, conforme descrito abaixo.^[70][71] Por exemplo, um lado (atrás da sombra) pareceria mais brilhante que o outro (dentro da sombra).^[72]

O comportamento dos raios de luz dentro do plano de reflexão (afetando linhas horizontais) é diferente do comportamento dos raios de luz fora do plano de reflexão (afetando linhas verticais).^[73] Mais visivelmente, linhas horizontais e verticais de tamanhos idênticos na máscara EUV são impressas em tamanhos diferentes no wafer.

A combinação da assimetria fora do eixo e do efeito de sombreamento da máscara leva a uma incapacidade fundamental de duas características idênticas, mesmo em grande proximidade, de estarem em foco simultaneamente.^[74] Um dos principais problemas da EUVL é a assimetria entre a linha superior e inferior de um par de linhas horizontais (a chamada barra dupla ou "two-bar"). Algumas maneiras de compensar parcialmente são o uso de estruturas de assistência (assist features), bem como a iluminação assimétrica.^[75]

Uma extensão do caso de barra dupla para uma grade que consiste em muitas linhas horizontais mostra uma sensibilidade semelhante à desfocagem.^[76] Isso se manifesta na diferença de dimensão crítica (CD) entre as linhas da borda superior e inferior do conjunto de 11 linhas horizontais.

A polarização por reflexão também leva à polarização parcial da luz EUV, o que favorece a formação de imagens de linhas perpendiculares ao plano das reflexões.^[77][78]

O absorvedor da máscara EUV, devido à transmissão parcial, gera uma diferença de fase entre as ordens de difração 0 e 1 de um padrão de linha e espaço, resultando em deslocamentos de imagem (em um dado ângulo de iluminação), bem como em mudanças na intensidade de pico (levando a mudanças na largura da linha), que são ainda mais acentuadas devido à desfocagem.^[79][80] Em última análise, isso resulta em diferentes posições de melhor foco para diferentes passos (pitches) e diferentes ângulos de iluminação. Geralmente, o deslocamento da imagem é equilibrado devido ao fato de os pontos da fonte de iluminação serem emparelhados (cada um em lados opostos do eixo óptico). No entanto, as imagens separadas são sobrepostas e o contraste da imagem resultante é degradado quando os deslocamentos das imagens de origem individuais são grandes o suficiente. A diferença de fase, em última análise, também determina a melhor posição de foco.

A multicamada também é responsável pelo deslocamento da imagem devido a mudanças de fase da luz difratada dentro da própria multicamada.^[81] Isso é inevitável devido à luz passar duas vezes pelo padrão da máscara.^[82]

O uso da reflexão faz com que a posição de exposição do wafer seja extremamente sensível à planicidade do retículo e ao grampo do retículo. A limpeza do grampo do retículo deve, portanto, ser mantida. Pequenos desvios (escala de milirradianos) na planicidade da máscara na inclinação local, associados à desfocagem do wafer.^[83] Mais significativamente, descobriu-se que a desfocagem da máscara resulta em grandes erros de sobreposição (overlay).^[84][85] Em particular, para uma camada de metal 1 de nó de 10 nm (incluindo passos de 48 nm, 64 nm, 70 nm, isoladas e linhas de energia), o erro de posicionamento de padrão incorrigível foi de 1 nm para um deslocamento de 40 nm na posição z da máscara.^[86] Trata-se de um deslocamento de padrão global da camada em relação às camadas previamente definidas. No entanto, características em locais diferentes também se deslocarão de maneira diferente devido a diferentes desvios locais da planicidade da máscara, por exemplo, de defeitos enterrados sob a multicamada. Pode-se estimar que a contribuição da não planicidade da máscara para o erro de sobreposição é de aproximadamente 1/40 vezes a variação da espessura do pico ao vale.^[87] Com a especificação de pico a vale do molde de máscara (blank) de 50 nm, é possível um erro de posicionamento de imagem de ~1,25 nm. Variações de espessura do blank de até 80 nm também contribuem, o que leva a um deslocamento de imagem de até 2 nm.^[87]

A iluminação fora do eixo do retículo também é a causa da não telecentricidade na desfocagem do wafer, o que consome a maior parte do orçamento de sobreposição de 1,4 nm do scanner EUV NXE:3400^[88] mesmo para regras de design tão frouxas quanto o passo de 100 nm.^[89] O pior erro incorrigível de posicionamento de padrão para uma linha de 24 nm foi de cerca de 1,1 nm, em relação a uma linha de energia adjacente de 72 nm, por deslocamento de posição de foco de wafer de 80 nm em uma única posição de fenda; quando o desempenho ao longo da fenda é incluído, o pior erro é superior a 1,5 nm na janela de desfocagem do wafer.^[86] Em 2017, um microscópio actínico que imita um sistema de litografia EUV de 0,33 NA com iluminação quasar 45 de 0,2/0,9 mostrou que uma matriz de contatos com passo de 80 nm deslocou-se de -0,6 a 1,0 nm, enquanto uma matriz de contatos com passo de 56 nm deslocou-se de -1,7 a 1,0 nm em relação a uma linha de referência horizontal, dentro de uma janela de desfocagem de ±50 nm.^[90]

A desfocagem do wafer também leva a erros de posicionamento da imagem devido a desvios da planicidade local da máscara. Se a inclinação local for indicada por um ângulo α, a imagem é projetada para ser deslocada em uma ferramenta de projeção 4× em 8α × (DOF/2) = 4α DOF, onde DOF é a profundidade de foco (depth of focus).^[91] Para uma profundidade de foco de 100 nm, um pequeno desvio local da planicidade de 2,5 mrad (0,14°) pode levar a um deslocamento de padrão de 1 nm.

Simulações, bem como experimentos, demonstraram que os desequilíbrios da pupila na litografia EUV podem resultar em erros de posicionamento de padrão dependentes do passo.^[92][93] Como o desequilíbrio da pupila muda com o envelhecimento ou contaminação do espelho coletor de EUV, tais erros de posicionamento podem não ser estáveis ao longo do tempo. A situação é especificamente desafiadora para dispositivos lógicos, onde vários passos têm requisitos críticos ao mesmo tempo.^[94] O problema é idealmente abordado por múltiplas exposições com iluminações personalizadas.^[95]

A direção da iluminação também é altamente dependente da posição da fenda, essencialmente rotacionada azimutalmente.^{[99][100][47][101][102][103]} A Nanya Technology e a Synopsys descobriram que o viés horizontal vs. vertical mudava através da fenda com a iluminação dipolo.^[104] O plano rotativo de incidência (faixa azimutal entre −25° e 25°) é confirmado no microscópio de revisão actínico SHARP no CXRO, que imita a óptica para sistemas de litografia de projeção EUV.^[105] O motivo para isso é que um espelho é usado para transformar campos retangulares retos em campos em forma de arco.^[106][107] A fim de preservar um plano fixo de incidência, a reflexão do espelho anterior seria a partir de um ângulo diferente com a superfície para uma posição de fenda diferente; isso causa não uniformidade de refletividade. Para preservar a uniformidade, usa-se a simetria rotacional com um plano rotativo de incidência.^[108] De forma mais geral, os chamados sistemas de "campo anelar" (ring-field) reduzem aberrações dependendo da simetria rotacional de um campo em forma de arco derivado de um anel (annulus) fora do eixo.^[109] Isto é preferível, visto que os sistemas reflexivos devem usar caminhos fora do eixo, o que agrava as aberrações. Portanto, padrões de matriz (die) idênticos dentro de diferentes metades da fenda em forma de arco exigiriam OPCs diferentes. Isso os torna não inspecionáveis por comparação matriz-a-matriz (die-to-die), pois não são mais matrizes verdadeiramente idênticas. Para passos que exigem iluminação dipolo, quadrupolo ou hexapolo, a rotação também causa incompatibilidade com o mesmo layout de padrão em uma posição de fenda diferente, ou seja, borda vs. centro. Mesmo com iluminação anular ou circular, a simetria rotacional é destruída pela refletância multicamadas dependente do ângulo descrita acima. Embora a faixa de ângulo azimutal seja de cerca de ±20°^[110] (dados de campo indicaram mais de 18°^[111]) em scanners de 0,33 NA, nas regras de projeto de 7 nm (passo de 36–40 nm), a tolerância para iluminação pode ser de ±15°,^[112][113] ou até menos.^{[114][115][116]} A não uniformidade e a assimetria da iluminação anular também afetam significativamente a imagem.^[117] Sistemas mais novos têm faixas de ângulo azimutal que chegam a ±30°.^[118] Em sistemas de 0,33 NA, o passo de 30 nm e inferior já sofrem uma redução suficiente do preenchimento da pupila para afetar significativamente o rendimento.^[119]

O ângulo de incidência maior para a tendência de iluminação dipolo dependente do passo através da fenda não afeta tanto o sombreamento da linha horizontal, mas o sombreamento da linha vertical aumenta ao ir do centro para a borda.^[120] Além disso, sistemas de NA mais alta podem oferecer alívio limitado do sombreamento, uma vez que visam passos restritos.^[120]

A dependência da posição da fenda é particularmente difícil para os padrões inclinados encontrados em DRAM.^[102] Além dos efeitos mais complicados devidos ao sombreamento e rotação da pupila, as bordas inclinadas são convertidas em forma de escada, que podem ser distorcidas pelo OPC. De fato, a DRAM de passo de 32 nm por EUV alongará até pelo menos a área de célula 9F², onde F é o meio-passo da área ativa (tradicionalmente, era de 6F²).^[104] Com um corte de área ativa de padrão duplo autoalinhado em 2D, a área da célula é ainda menor, em 8,9F².^[121]

As aberrações, decorrentes de desvios de superfícies ópticas de especificações subatômicas (<0,1 nm),^[122] bem como deformações térmicas^[123][124] e possivelmente incluindo efeitos de refletância polarizada,^[125] também dependem da posição da fenda,^[126][124] como será discutido mais adiante, no que diz respeito à otimização fonte-máscara (SMO). Espera-se que as aberrações induzidas termicamente exibam diferenças entre as diferentes posições através da fenda, correspondendo a diferentes posições de campo, já que cada posição encontra diferentes partes dos espelhos deformados.^[127] Ironicamente, o uso de materiais de substrato com alta estabilidade térmica e mecânica torna mais difícil compensar os erros de frente de onda.^[128]

Em combinação com a faixa de comprimentos de onda, o plano rotativo de incidência agrava o já severo impacto estocástico na imagem EUV.^[129]

Ao contrário das fontes de litografia ultravioleta profunda (DUV), baseadas em lasers excimer, as fontes de plasma EUV produzem luz em uma ampla faixa de comprimentos de onda^[130] abrangendo aproximadamente uma largura de banda FWHM de 2% perto de 13,5 nm (13,36 - 13,65 nm a 50% de potência). O ultravioleta extremo (EUV) (10–121 nm) é a banda mais longa que os raios X (0,1–10 nm) e mais curta que a linha Lyman-alfa do hidrogênio.

Embora o espectro EUV não seja completamente monocromático, nem mesmo tão espectralmente puro quanto as fontes de laser DUV, o comprimento de onda de trabalho tem sido geralmente considerado como 13,5 nm. Na realidade, a potência refletida é distribuída principalmente na faixa de 13,3-13,7 nm.^[131] A largura de banda da luz EUV refletida por um espelho multicamadas usado para litografia EUV é superior a +/-2% (>270 pm);^[132] as mudanças de fase devido a mudanças de comprimento de onda em um dado ângulo de iluminação podem ser calculadas^[133] e comparadas com o orçamento de aberração.^[134] A dependência do comprimento de onda da refletância^[133][131] também afeta a apodização, ou distribuição de iluminação através da pupila (para diferentes ângulos); comprimentos de onda diferentes efetivamente 'veem' iluminações diferentes à medida que são refletidos de forma diferente pela multicamada da máscara.^[135][131] Essa inclinação efetiva da iluminação da fonte pode levar a grandes deslocamentos da imagem devido à desfocagem.^[136] Por outro lado, o pico do comprimento de onda refletido varia através da pupila devido a diferentes ângulos de incidência.^[131][137] Isso é agravado quando os ângulos abrangem um raio amplo, por exemplo, iluminação anular. O pico de comprimento de onda de refletância aumenta para ângulos de incidência menores.^[138] Multicamadas aperiódicas foram propostas para reduzir a sensibilidade à custa de menor refletividade, mas são excessivamente sensíveis a flutuações aleatórias nas espessuras das camadas, como decorrentes de imprecisões no controle da espessura ou interdifusão.^[139]

Uma largura de banda mais estreita aumentaria a sensibilidade ao absorvedor da máscara e à espessura do buffer na escala de 1 nm.^[140]

O reflexo indesejado (flare) é a presença de luz de fundo originada do espalhamento (scattering) em características da superfície que não são resolvidas pela luz. Em sistemas EUV, essa luz pode ser EUV ou luz fora da banda (OoB) que também é produzida pela fonte EUV. A luz OoB adiciona a complicação de afetar a exposição da resina de outras formas além das contabilizadas pela exposição EUV. A exposição à luz OoB pode ser mitigada por uma camada revestida sobre a resina, bem como por recursos de 'borda preta' na máscara EUV.^{[carece de fontes?]} No entanto, o revestimento da camada inevitavelmente absorve a luz EUV, e a borda preta adiciona custos de processamento da máscara EUV.

Um desafio fundamental para a EUV é o comportamento de contra-escala da distância de ponta a ponta da linha (T2T) à medida que o meio-passo (hp) é reduzido.^[114] Isso se deve em parte ao menor contraste de imagem para as máscaras binárias usadas na litografia EUV, o que não é encontrado com o uso de máscaras de mudança de fase na litografia de imersão.^[141][142] O arredondamento dos cantos da extremidade da linha leva ao encurtamento da extremidade da linha,^[143] e isso é pior para máscaras binárias.^[144] O uso de máscaras de mudança de fase (phase-shift masks) na litografia EUV tem sido estudado, mas encontra dificuldades no controle de fase em camadas finas^[145] bem como na própria largura de banda da luz EUV.^[146] De maneira mais convencional, a correção de proximidade óptica (OPC) é usada para lidar com o arredondamento de cantos e o encurtamento da extremidade da linha. Apesar disso, foi demonstrado que a resolução de ponta a ponta e a capacidade de impressão da ponta da linha são compensadas uma em relação à outra, sendo efetivamente CDs de polaridade oposta.^[147]

Em camadas metálicas unidirecionais, o espaçamento de ponta a ponta é um dos problemas mais severos para a padronização de exposição única. Para as linhas verticais de passo de 40 nm, uma lacuna desenhada nominal de ponta a ponta de 18 nm resultou em uma distância real de ponta a ponta de 29 nm com OPC,^[114] enquanto para linhas horizontais de passo de 32 nm, a distância de ponta a ponta com uma lacuna nominal de 14 nm foi para 31 nm com OPC.^[148] Essas distâncias reais de ponta a ponta definem um limite inferior do meio-passo do metal correndo na direção perpendicular à ponta. Neste caso, o limite inferior é em torno de 30 nm. Com maior otimização da iluminação (discutida na seção sobre otimização fonte-máscara), o limite inferior pode ser reduzido ainda mais para cerca de 25 nm.^[149]

Para passos maiores, onde a iluminação convencional pode ser usada, a distância de ponta a ponta da linha geralmente é maior. Para as linhas de meio-passo de 24 nm, com uma lacuna nominalmente desenhada de 20 nm, a distância era na verdade 45 nm, enquanto para linhas de meio-passo de 32 nm, a mesma lacuna nominal resultou em uma distância de ponta a ponta de 34 nm.^[148] Com o OPC, estes se tornam 39 nm e 28 nm para meio-passo de 24 nm e meio-passo de 32 nm, respectivamente.^[150]

As estruturas de auxílio (assist features) são frequentemente usadas para ajudar a equilibrar a assimetria da não telecentricidade em diferentes posições da fenda, devido aos diferentes ângulos de iluminação, começando no nó de 7 nm,^[151][152] onde o passo (pitch) é de ~ 41 nm para um comprimento de onda de ~13,5 nm e NA=0,33, correspondendo a k1 ~ 0,5.^[153] No entanto, a assimetria é reduzida, mas não eliminada, já que as estruturas de auxílio melhoram principalmente as frequências espaciais mais altas, enquanto as frequências espaciais intermediárias, que também afetam o foco e a posição da característica, não são muito afetadas. O acoplamento entre a imagem primária e as autoimagens é muito forte para que a assimetria seja eliminada pelas estruturas de auxílio; apenas a iluminação assimétrica pode alcançar isso.^[75] As estruturas de auxílio também podem atrapalhar o acesso aos barramentos de energia/aterramento (power/ground rails). Espera-se que os barramentos de energia sejam mais largos, o que também limita a eficácia do uso de estruturas de auxílio, ao restringir o passo local. Passos locais entre 1× e 2× o passo mínimo proíbem a colocação de estruturas de auxílio, pois simplesmente não há espaço para preservar a simetria do passo local. De fato, para a aplicação ao caso da assimetria de duas barras, o posicionamento ideal da estrutura de auxílio pode ser menor ou exceder o passo de duas barras.^[152] Dependendo do parâmetro a ser otimizado (área da janela de processo, profundidade de foco, latitude de exposição), a configuração ideal da estrutura de auxílio pode ser muito diferente, por exemplo, o passo entre a estrutura de auxílio e a barra sendo diferente do passo de duas barras, simétrico ou assimétrico, etc.

Em passos menores que 58 nm, há um compromisso (tradeoff) entre o aprimoramento da profundidade de foco e a perda de contraste pela colocação de estruturas de auxílio.^[152] Geralmente, ainda há um compromisso de foco-exposição, pois a janela de dose é restringida pela necessidade de as estruturas de auxílio não serem impressas acidentalmente.

Uma preocupação adicional vem do ruído de disparo (shot noise);^[154] estruturas de auxílio de sub-resolução (SRAFs) fazem com que a dose necessária seja menor, de modo a não imprimir as estruturas de auxílio acidentalmente.^[155] Isso resulta em menos fótons definindo características menores (veja a discussão na seção sobre ruído de disparo).

Como as SRAFs são características menores do que as características primárias e não devem receber doses altas o suficiente para imprimir, elas são mais suscetíveis a variações estocásticas de dose que causam erros de impressão; isso é particularmente proibitivo para EUV, onde máscaras de mudança de fase (phase-shift masks) podem precisar ser usadas.^[156]

Devido aos efeitos da não telecentricidade, os formatos padrão da pupila de iluminação, como disco ou anular, não são suficientes para serem usados para tamanhos de características de ~20 nm ou menos (nó de 10 nm e além).^[157] Em vez disso, certas partes da pupila (frequentemente mais de 50%) devem ser excluídas assimetricamente. As partes a serem excluídas dependem do padrão. Em particular, as linhas permitidas mais densas precisam ser alinhadas ao longo de uma direção e preferem um formato de dipolo. Para esta situação, a litografia de dupla exposição seria necessária para padrões 2D, devido à presença de padrões orientados tanto em X quanto em Y, cada um exigindo sua própria máscara de padrão 1D e orientação de dipolo.^[158][159] Pode haver 200–400 pontos de iluminação, cada um contribuindo com seu peso da dose para equilibrar a imagem geral através do foco. Assim, o efeito do ruído de disparo (a ser discutido mais adiante) afeta criticamente a posição da imagem através do foco, em uma grande população de características.

Modelação dupla ou múltipla (double- or multiple-patterning) também seria necessária se um padrão consistisse de sub-padrões que exigissem iluminações otimizadas significativamente diferentes, devido a diferentes passos, orientações, formas e tamanhos.

Em grande parte devido à forma da fenda,^[110] e à presença de aberrações residuais,^[160] a eficácia da SMO varia através da posição da fenda.^[157] Em cada posição da fenda, existem diferentes aberrações^[126] e diferentes ângulos azimutais de incidência levando a diferentes sombreamentos.^[47] Consequentemente, pode haver variações não corrigidas através da fenda para características sensíveis a aberrações, que podem não ser obviamente vistas com padrões regulares de linha-espaço.^[152] Em cada posição da fenda, embora a correção de proximidade óptica (OPC), incluindo as estruturas de auxílio mencionadas acima, também possa ser aplicada para lidar com as aberrações,^[161][162] elas também retroalimentam a especificação de iluminação,^{[163][157][164][165]} uma vez que os benefícios diferem para diferentes condições de iluminação.^[161] Isso exigiria o uso de diferentes combinações fonte-máscara em cada posição da fenda, ou seja, múltiplas exposições de máscara por camada.^[126][166]

As aberrações cromáticas supramencionadas, devidas à apodização induzida pela máscara,^[135] também levam a otimizações fonte-máscara inconsistentes para diferentes comprimentos de onda.

O melhor foco para um determinado tamanho de característica varia como uma forte função do passo, polaridade e orientação sob uma dada iluminação.^[167] No passo de 36 nm, características horizontais e verticais de campo escuro (darkfield) têm mais de 30 nm de diferença de foco. As características de passo de 34 nm e passo de 48 nm têm a maior diferença de melhor foco, independentemente do tipo de característica. Na faixa de passo de 48-64 nm, a melhor posição de foco muda de forma aproximadamente linear como uma função do passo, em até 10-20 nm.^[168] Para a faixa de passo de 34-48 nm, a melhor posição de foco muda de forma aproximadamente linear na direção oposta como uma função do passo. Isso pode ser correlacionado com a diferença de fase entre as ordens de difração zero e um.^[169] Descobriu-se que as estruturas de auxílio, se puderem caber dentro do passo, não reduzem muito essa tendência, para uma série de passos intermediários,^[170] ou até a pioraram no caso de 18-27 nm e iluminação quasar.^[171] Orifícios de contato de 50 nm em passos de 100 nm e 150 tiveram melhores posições de foco separadas por aproximadamente 25 nm; espera-se que características menores sejam piores.^[172] Os orifícios de contato na faixa de passo de 48-100 nm mostraram uma faixa de melhor foco de 37 nm.^[173] A posição do melhor foco vs. o passo também é dependente da resina.^[174] Camadas críticas frequentemente contêm linhas em um passo mínimo de uma polaridade, por exemplo, trincheiras de campo escuro, em uma orientação, por exemplo, vertical, misturadas com espaços da outra polaridade da outra orientação. Isso frequentemente amplia as diferenças de melhor foco e desafia a imagem ponta-a-ponta e ponta-a-linha.^[175]

Uma consequência da SMO e das janelas de foco variáveis tem sido a redução do preenchimento da pupila. Em outras palavras, a iluminação ideal é necessariamente uma sobreposição otimizada das iluminações preferidas para os vários padrões que precisam ser considerados. Isso leva a um preenchimento de pupila menor, fornecendo melhores resultados. No entanto, o rendimento é afetado abaixo de 20% do preenchimento da pupila devido à absorção.^{[176][177][178]}

Uma vantagem comumente alardeada da EUV tem sido a relativa facilidade da litografia, conforme indicado pela razão do tamanho da característica em relação ao comprimento de onda multiplicado pela abertura numérica, também conhecida como fator k1. Uma largura de linha de metal de 18 nm tem um k1 de 0,44 para um comprimento de onda de 13,5 nm e 0,33 NA, por exemplo. Para o k1 se aproximando de 0,5, algum aprimoramento de resolução fraca, incluindo máscaras de mudança de fase atenuadas, tem sido usado como essencial para a produção com o comprimento de onda do laser ArF (193 nm),^{[179][180][181][182][183][184]} ao passo que esse aprimoramento de resolução não está disponível para EUV.^{[185][186][187]} Em particular, os efeitos de máscara 3D, incluindo o espalhamento (scattering) nas bordas do absorvedor, distorcem o perfil de fase desejado.^[186] Além disso, o perfil de fase é efetivamente derivado do espectro de onda plana refletido da multicamada através do absorvedor, em vez da onda plana incidente.^[188] Sem absorvedores, a distorção de campo próximo também ocorre em uma parede lateral de multicamada atacada quimicamente (etched) devido à iluminação de incidência oblíqua;^[189] alguma luz atravessa apenas um número limitado de bicamadas perto da parede lateral.^[72] Além disso, as diferentes polarizações (TE e TM) têm diferentes mudanças de fase.^[72] Fundamentalmente, uma máscara de mudança de fase sem cromo permite o fracionamento do passo pela supressão da ordem difratada zero na máscara, mas fabricar uma máscara de mudança de fase de alta qualidade para EUV certamente não é uma tarefa trivial. Uma maneira possível de conseguir isso é através da filtragem espacial no plano de Fourier do padrão da máscara. No Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley, a luz da ordem zero é um sistema centralmente obscurecido, e as ordens difratadas +/-1 serão capturadas pela abertura clara, fornecendo um equivalente funcional à máscara de mudança de fase sem cromo enquanto usa uma máscara de amplitude binária convencional.^[190]

A luz EUV gera fotoelétrons ao ser absorvida pela matéria. Esses fotoelétrons, por sua vez, geram elétrons secundários, que desaceleram antes de se envolverem em reações químicas.^[191] Em doses suficientes, sabe-se que elétrons de 40 eV penetram em resinas de 180 nm de espessura, levando à revelação (development).^[192] A uma dose de 160 μC/cm², correspondente a uma dose EUV de 15 mJ/cm² presumindo um elétron/fóton, elétrons de 30 eV removeram 7 nm de resina PMMA após a revelação padrão.^[193] Para uma dose mais alta de 30 eV de 380 μC/cm², equivalente a 36 mJ/cm² a um elétron/fóton, 10,4 nm de resina PMMA são removidos.^[194] Isso indica as distâncias que os elétrons podem percorrer na resina, independentemente da direção.^[195]

Foi demonstrado que o grau de emissão de fotoelétrons da camada subjacente à fotorresina EUV afeta a profundidade de foco.^[196] Infelizmente, as camadas de máscara rígida (hardmask) tendem a aumentar a emissão de fotoelétrons, degradando a profundidade de foco. Elétrons de imagens desfocadas na resina também podem afetar a imagem de melhor foco.^[197]

A aleatoriedade do número de elétrons secundários é, por si só, uma fonte de comportamento estocástico nas imagens de resina EUV. O próprio comprimento de escala do desfoque de elétrons (electron blur) tem uma distribuição.^[198] A Intel demonstrou com uma simulação rigorosa que os elétrons liberados por EUV se espalham por distâncias superiores a 15 nm em resinas EUV.^[199]

O desfoque de elétrons também é afetado pela reflexão interna total da superfície superior do filme de resina.^[200][201]

Uma descrição mais realista do desfoque de elétrons usa a diferença de duas funções exponenciais.^[202]

Em resinas quimicamente amplificadas, o desfoque de ácido (acid blur) pode ajudar a suavizar a rugosidade da borda, mas a rugosidade de baixa frequência espacial ainda permanece, enquanto em resinas de óxido de metal, até mesmo a rugosidade de alta frequência espacial permanece, uma vez que não há a suavização do desfoque de ácido.^[203] Mais desfoque pode suavizar a rugosidade em menor escala, mas à custa da redução do contraste da imagem.^[204]

Elétrons secundários das camadas abaixo da resina podem afetar o perfil da resina, bem como o colapso do padrão (pattern collapse).^[205] Portanto, a seleção tanto da subcamada (underlayer) quanto da camada sob essa subcamada são considerações importantes para a litografia EUV. Além disso, os elétrons de imagens desfocadas podem agravar a natureza estocástica da imagem.^[206]

Devido à elevada capacidade de absorção de EUV pelas fotorresinas (photoresists), o aquecimento e a desgaseificação (liberação de gases) constituem problemas de primeira ordem. Um desafio bem documentado é a deposição de resíduos sobre a resina provenientes de hidrocarbonetos do ambiente ou libertados, os quais resultam de reações desencadeadas por EUV ou por elétrons.^[207] As fotorresinas orgânicas libertam hidrocarbonetos,^[208] ao passo que as fotorresinas de óxido de metal libertam água e oxigênio^[209] e metal (num meio com hidrogênio); esta última contaminação não pode ser limpa.^[56] É sabido que a contaminação por carbono prejudica a refletividade multicamada,^[210] enquanto o oxigênio é especialmente prejudicial para as camadas de cobertura (capping layers) de rutênio (que se mantêm relativamente estáveis em condições de EUV e hidrogênio) na óptica multicamada de EUV.^[211]

A degradação da resina para EUV intensifica-se com o aumento da dose, como atesta a desgaseificação dos seus componentes essenciais.^{[212][213][214][215]}

O hidrogênio atômico presente nas câmaras do equipamento é utilizado para remover estanho e carbono que se fixam nas superfícies ópticas do EUV.^[216] O hidrogênio atômico é gerado pela luz EUV ao fotoionizar diretamente o H₂:^[217]

hν + H₂ → H⁺ + H + e⁻.

Os elétrons resultantes desta reação podem também decompor o H₂ para formar hidrogênio atômico:^[217]

e⁻ + H₂ → H⁺ + H + 2e⁻.

A reação com o estanho na fonte de luz (por exemplo, estanho numa superfície óptica no interior da fonte) para formar o SnH₄ volátil (estanano) que pode ser extraído da fonte processa-se através da reação^[216]

Sn(s) + 4 H(g) → SnH₄(g).

O SnH₄ consegue atingir os revestimentos das restantes superfícies ópticas EUV, onde volta a depositar Sn através da reação^[216]

SnH₄ → Sn(s) + 2 H₂(g).

A redeposição pode também acontecer por via de outras reações intermédias.^[218]

O Sn que voltou a ser depositado^[55][56] poderá ser, subsequentemente, retirado por intermédio da exposição ao hidrogênio atômico. Contudo, em termos globais, a eficácia da remoção de estanho (o quociente entre o fluxo de estanho extraído de uma amostra de estanho e o fluxo de hidrogênio atômico dirigido a essa amostra) cifra-se num valor inferior a 0,01%, como consequência simultânea da redeposição e da dessorção de hidrogênio, o que conduz à criação de moléculas de hidrogênio à custa do hidrogênio atômico.^[216] Constata-se que a eficácia da remoção de estanho no caso do óxido de estanho é cerca do dobro daquela observada no estanho simples (revestido por uma camada de óxido natural de ~2 nm).^[216] A injeção de uma quantidade reduzida de oxigênio na fonte de luz poderá incrementar a taxa de limpeza de estanho.

A extração das partículas de estanho (Sn) afigura-se essencial para a preservação da integridade da máscara, uma vez que o Sn, sendo usado na produção da luz EUV, provoca a contaminação contínua das máscaras EUV ao longo do processo de litografia.^[219]

Ademais, o hidrogênio atua sobre elementos que englobam metais, convertendo-os na sua forma metálica pura,^[220] e penetra o silício^[221] e o molibdênio^[222] que compõem a estrutura multicamada, desencadeando, a seu tempo, a formação de empolamentos.^{[223][224][225]} As coberturas projetadas para atenuar as deteriorações relacionadas com o hidrogênio frequentemente diminuem a capacidade de reflexão para índices bastante inferiores a 70%.^[224] Reconhece-se que as camadas de cobertura são transponíveis por gases presentes no meio, tais como o oxigênio^[226] e o hidrogênio,^{[227][228][229][230]} evidenciando-se ainda propensas às anomalias causadas pelos empolamentos instigados pelo hidrogênio.^[231][223] O hidrogênio tem ainda a faculdade de interagir com a camada de cobertura, provocando o seu desgaste.^[232] A TSMC apresentou alternativas orientadas para o apaziguamento dos defeitos empolados pelo hidrogênio nas máscaras EUV, circunstância que se reflete na produtividade.^[233]

O hidrogênio é capaz de infiltrar-se no estanho (Sn) fundido, originando a formação de bolhas de hidrogênio no seu interior. Caso estas bolhas atinjam a superfície do estanho fundido, estas estouram, lançando estanho e provocando a sua dispersão num raio angular alargado. Este evento, conhecido como respingo de estanho (tin spitting), assume-se como uma das origens da contaminação do Coletor EUV.

O hidrogênio também interage com as resinas (resists), provocando o ataque químico (etch)^[234][235] ou a sua desintegração.^[236] Para além da fotorresina, os plasmas de hidrogênio possuem a capacidade de atacar o silício, se bem que a um ritmo consideravelmente reduzido.^[237]Predefinição:Primary source inline

No sentido de contribuir para a mitigação das consequências descritas, o modelo de máquina EUV mais recente lançado em 2017, o NXE:3400B, incorpora uma membrana que isola o wafer da estrutura óptica de projeção do equipamento, assegurando a proteção desta última face à libertação de gases (desgaseificação) emanados pela resina aplicada no wafer.^[238] A membrana integra na sua composição camadas desenhadas para absorver a radiação DUV e IR, enquanto assegura a transmissão de 85–90% da radiação EUV incidente. Paralelamente, assiste-se, como seria expectável, à acumulação de contaminação oriunda da desgaseificação do wafer, a par da presença de partículas de um modo genérico (que, não obstante estarem situadas fora de foco, mantêm o potencial de impedir a passagem da luz).

Os sistemas litográficos que utilizam luz EUV operam em um ambiente com gás de fundo de hidrogênio a uma pressão de 1–10 Pa.^[239] O plasma atua como uma fonte de radiação VUV (ultravioleta de vácuo), bem como de elétrons e íons de hidrogênio.^[240][241] Sabe-se que esse plasma ataca quimicamente (etch) os materiais expostos.^[241][242]

Em 2023, foi publicado um estudo com o apoio da TSMC que indicou um acúmulo de carga elétrica líquida gerada por elétrons provenientes do plasma, bem como pela emissão de elétrons.^[243] Descobriu-se que o carregamento ocorre mesmo fora da área de exposição ao EUV, indicando que a área circundante havia sido exposta aos elétrons.

Devido à pulverização química (chemical sputtering) do carbono pelo plasma de hidrogênio,^[244] pode ocorrer a geração de nanopartículas,^[245] que podem vir a obstruir a exposição da resina ao EUV.^[246][247]

A litografia EUV é particularmente sensível aos efeitos estocásticos.^[248][249] Em uma grande população de características impressas por EUV, embora a esmagadora maioria seja resolvida, algumas sofrem falha completa de impressão, por exemplo, orifícios ausentes (missing holes) ou linhas conectadas indevidamente (bridging). Uma contribuição significativa e conhecida para esse efeito é a dose usada para imprimir.^[250] Isso está relacionado ao ruído de disparo, que será discutido mais adiante. Devido às variações estocásticas no número de fótons que chegam, algumas áreas designadas para impressão na verdade não atingem o limiar para imprimir, deixando regiões de defeito não expostas. Algumas áreas podem ser superexpostas, levando à perda excessiva de resina ou à reticulação (crosslinking). A probabilidade de falha estocástica aumenta exponencialmente à medida que o tamanho da característica diminui e, para o mesmo tamanho de característica, o aumento da distância entre as características também aumenta significativamente a probabilidade.^[250] Cortes de linha malformados são um problema significativo devido ao potencial de formação de arcos elétricos e curtos-circuitos.^[251] O rendimento (yield) exige a detecção de falhas estocásticas abaixo de 1e-12.^[250]

A tendência a defeitos estocásticos é agravada pela desfocagem em um grande preenchimento de pupila.^[252][253]

Vários modos de falha podem existir para a mesma população. Por exemplo, além da união indevida em trincheiras (bridging), as linhas que separam as trincheiras podem se romper.^[250] Isso pode ser atribuído à perda estocástica de resina,^[248] por elétrons secundários.^[254][255] A aleatoriedade do número de elétrons secundários é, por si só, uma fonte de comportamento estocástico nas imagens de resina EUV.

A coexistência de regiões de defeito estocasticamente subexpostas e superexpostas leva a uma perda da janela de dose em um determinado nível de defeito pós-ataque químico (post-etch) entre os penhascos de modelagem (patterning cliffs) de baixa dose e alta dose.^[256] Consequentemente, o benefício de resolução decorrente do comprimento de onda mais curto é perdido.

A subcamada de resina (underlayer) também desempenha um papel importante.^[250] Isso pode ser devido aos elétrons secundários gerados pela subcamada.^[257] Elétrons secundários podem remover mais de 10 nm de resina da borda exposta.^[254][258]

O ruído de disparo de fótons também leva a um erro estocástico de posicionamento de borda (edge placement error).^[259] O ruído de disparo de fótons pode ser compensado até certo ponto por fatores de desfoque, como elétrons secundários ou ácidos em resinas quimicamente amplificadas;^[260] quando significativo, o desfoque também reduz o contraste da imagem na borda. Um erro de posicionamento de borda (EPE) de até 8,8 nm foi medido em um padrão de metal impresso em EUV com passo de 48 nm.^[261]

Com a distribuição de Poisson natural devido aos tempos de chegada e absorção aleatórios dos fótons,^[262][263] há uma variação natural esperada da dose (número de fótons) de pelo menos vários por cento a 3 sigma, tornando o processo de exposição suscetível a variações estocásticas. A variação da dose leva a uma variação da posição da borda da característica, tornando-se efetivamente um componente de desfoque. Ao contrário do limite de resolução rígido imposto pela difração, o ruído de disparo impõe um limite mais flexível, sendo a principal diretriz a especificação de rugosidade da largura da linha (LWR) do ITRS de 8% (3s) da largura da linha.^[264] Aumentar a dose reduzirá o ruído de disparo,^[265] mas isso também exige maior potência da fonte.

Os dois problemas do ruído de disparo e dos elétrons liberados por EUV apontam para dois fatores limitantes: 1) manter a dose alta o suficiente para reduzir o ruído de disparo a níveis toleráveis, mas também 2) evitar uma dose muito alta devido à maior contribuição de fotoelétrons liberados por EUV e elétrons secundários para o processo de exposição da resina, o que aumenta o desfoque da borda e, assim, limita a resolução. Além do impacto na resolução, uma dose mais alta também aumenta a desgaseificação^[266] e limita o rendimento, e a reticulação (crosslinking)^[267] ocorre em níveis de dose muito altos. Para resinas quimicamente amplificadas, a exposição a doses mais altas também aumenta a rugosidade da borda da linha devido à decomposição do gerador de ácido.^[268] Além disso, um limite superior para o quanto a dose pode ser aumentada é imposto pela perda de resina.^[269]

Devido ao afinamento da resina com o aumento da dose, os limites de defectividade estocástica do EUV definirão uma janela estreita de CD ou de dose.^[270][271] A resina mais fina sob uma dose incidente maior reduz a absorção e, consequentemente, a dose absorvida.

Mesmo com maior absorção na mesma dose, a EUV apresenta uma preocupação maior com o ruído de disparo do que o comprimento de onda do ArF (193 nm), principalmente porque é aplicada a resinas mais finas.^[272] Há também um ruído de componente extra proveniente da emissão de elétrons secundários.^[273][274]

Devido a considerações estocásticas, o roteiro (roadmap) de litografia do IRDS de 2022 agora reconhece o aumento das doses para tamanhos de características menores.^[275]

A resolução do EUV provavelmente será comprometida por efeitos estocásticos. As densidades de defeitos estocásticos ultrapassaram 1/cm² em um passo de 36 nm;^[276][277] isso é agravado pelo desfoque de elétrons.^[278] Em 2024, uma exposição de resina EUV pela ASML revelou um piso de densidade de defeito de orifício de contato (missing+bridging) de passo de 32 nm >0,25/cm² (177 defeitos por wafer), agravado com resina mais fina.^[279] A ASML indicou que o passo de 30 nm não usaria exposição direta, mas modelagem dupla (double patterning).^[280] A Intel não usou EUV para o passo de 30 nm.^[281] Além da menor densidade de fótons absorvidos, o impacto dos efeitos estocásticos na resolução do EUV também está atrelado ao tamanho molecular menor das resinas EUV.^{[282][283][284][285]}

O dimensionamento da DRAM também se tornará difícil nas regras de design de 10-11 nm devido à estocástica do EUV.^[286][287] Os padrões de nó de armazenamento, que são organizados em uma matriz hexagonal, são particularmente sensíveis devido à sua dependência da iluminação EUV hexapolo, que divide a imagem em três sub-imagens diferentes, cada uma com um terço da dose.^[288]

Características maiores podem inesperadamente sofrer de flutuações estocásticas também, devido a picos e vales locais em sua imagem aérea.^[289]

O modelo de rendimento do IMEC atualizado em 2024 indicou que o aumento do uso de EUV para o nó de 5 nm e além resultou na redução do rendimento, devido à maior defectividade estocástica em passos mais estreitos.^[290]

Até 2025, as probabilidades de defeitos estocásticos estavam na ordem de ppm e também podiam variar em uma ordem de magnitude, levando a rendimentos erráticos.^{[291][292][293]}

Para pitches (passos de padrão) menores que metade do comprimento de onda dividido pela abertura numérica, a iluminação dipolo é necessária. Essa iluminação preenche no máximo uma área em forma de folha na borda da pupila. No entanto, devido a efeitos tridimensionais na máscara EUV,^[294] passos ainda menores exigem porções ainda menores dessa forma de folha. Abaixo de 20% da pupila, o rendimento (throughput) e a estabilidade de dose começam a sofrer.^[295] Uma abertura numérica mais alta permite usar um preenchimento de pupila maior para o mesmo passo, mas a profundidade de foco é significativamente reduzida.^[296]

Um preenchimento de pupila maior é mais suscetível a flutuações estocásticas de ponto a ponto na pupila.^[297][298]

Prevê-se que a EUV utilize padronização múltipla (double-patterning) em um passo (pitch) de cerca de 34 nm com 0,33 NA.^[299][300] Esta resolução é equivalente à geração '1Y' para DRAM.^[301][302] Em 2020, a ASML relatou que a camada M0 de 5 nm (passo mínimo de 30 nm) exigia modelagem dupla.^[280] No segundo semestre de 2018, a TSMC confirmou que seu esquema EUV de 5 nm ainda usava padronização múltipla (multi-patterning),^[303] indicando também que a contagem de máscaras não diminuiu de seu nó de 7 nm, que usava padronização múltipla extensiva em DUV, para seu nó de 5 nm, que usava EUV extensivo.^[304] Os fornecedores de EDA (Automação de Design Eletrônico) também indicaram o uso contínuo de fluxos de modelagem múltipla.^[305][306] Embora a Samsung tenha introduzido seu próprio processo de 7 nm com modelagem única em EUV,^[307] ela encontrou um ruído de disparo de fótons (shot noise) severo causando rugosidade excessiva na linha, o que exigiu uma dose maior, resultando em menor rendimento (throughput).^[262] O nó de 5 nm da TSMC usa regras de design ainda mais restritas.^[308] A Samsung indicou que dimensões menores teriam um ruído de disparo mais severo.^[262]

No esquema de litografia complementar da Intel com meio-passo (half-pitch) de 20 nm, a EUV seria usada apenas em uma segunda exposição para corte de linha, após uma primeira exposição de impressão de linha de 193 nm.^[309]

Exposições múltiplas também seriam esperadas quando dois ou mais padrões na mesma camada, por exemplo, larguras ou passos diferentes, devem usar diferentes formatos otimizados de pupila de fonte.^{[310][311][312][313]} Por exemplo, ao considerar uma matriz de barras alternadas com um passo vertical de 64 nm, a alteração do passo horizontal de 64 nm para 90 nm altera significativamente a iluminação otimizada.^[59] A otimização fonte-máscara que se baseia apenas em grades de linha-espaço e grades de ponta a ponta não acarreta melhorias para todas as partes de um padrão lógico, por exemplo, uma trincheira densa com uma lacuna em um lado.^[310][314]

Em 2020, a ASML relatou que para o nó de 3 nm, espaçamentos de contato/via de centro a centro de 40 nm ou menos exigiriam modelagem dupla ou tripla para alguns arranjos de contato/via.^[315]

Para o passo de metal de 24–36 nm, descobriu-se que o uso de EUV como uma (segunda) exposição de corte tinha uma janela de processo significativamente mais ampla do que como uma exposição única e completa para a camada de metal.^[316][310] No entanto, o uso de uma segunda exposição na abordagem LELE (litografia-ataque-químico-litografia-ataque-químico) para dupla modelagem não contorna a vulnerabilidade a defeitos estocásticos.^[317][318]

Múltiplas exposições da mesma máscara também são esperadas para o controle de defeitos sem películas protetoras (pellicles), limitando a produtividade de forma semelhante à modelagem múltipla.^[319]

A técnica de litografia-ataque-químico-litografia-ataque-químico autoalinhada (SALELE - Self-aligned litho-etch-litho-etch) é uma técnica híbrida SADP/LELE cuja implementação começou em 7 nm.^[320] A técnica SALELE tornou-se uma forma aceita de modelagem dupla a ser usada com EUV.^[321]

Para evitar doses mais altas a fim de mitigar os efeitos estocásticos (mesmo para vias de 36 nm^[322]), dividir o padrão, levando à modelagem dupla ou múltipla, resultaria em uma melhor qualidade de imagem.^[323][324] De fato, isso ocorre em regras de design grandes o suficiente (isto é, 36 nm) de modo que se sobrepõe à modelagem dupla em DUV.^[323]

Um retorno a gerações estendidas de modelagem única seria possível com ferramentas de maior abertura numérica (NA). Uma NA de 0,45 poderia exigir um reajuste de alguns por cento.^[325] Aumentar a desampliação poderia evitar esse reajuste, mas a redução do tamanho do campo afeta severamente padrões grandes (um dado (die) por campo de 26 mm × 33 mm), como os chips Xeon de 14 nm com muitos núcleos e bilhões de transistores,^[326] ao exigir a costura de campo (field stitching) de duas exposições de máscara.

Em 2015, a ASML divulgou detalhes de seu scanner EUV anamórfico de próxima geração, com uma NA de 0,55. Essas máquinas custam cerca de 360 milhões de dólares americanos.^[327] A desampliação é aumentada de 4× para 8× apenas em uma direção (no plano de incidência).^[328] No entanto, a NA de 0,55 tem uma profundidade de foco muito menor^[329] do que a litografia de imersão.^[330] Além disso, descobriu-se que uma ferramenta anamórfica de 0,52 NA exibe variabilidade excessiva de CD (dimensão crítica) e posicionamento para a exposição única do nó de 5 nm e corte de modelagem múltipla.^[331]

A redução da profundidade de foco (Depth of focus - DOF)^[332] com o aumento da NA também é uma preocupação,^[333] especialmente em comparação com exposições de modelagem múltipla usando litografia de imersão de 193 nm:

Ferramentas EUV de alta abertura númerica (NA) focam linhas horizontais e verticais de forma diferente dos sistemas de baixa NA, devido à diferente desampliação para linhas horizontais.^[334][335]

As ferramentas EUV de alta abertura númerica (NA) também sofrem de obscuração, o que pode causar erros na formação de imagens de certos padrões.^[336]

A Intel concluiu a montagem de sua primeira ferramenta comercial de alta NA, TWINSCAN EXE:5000, em sua fábrica de P&D D1X no Oregon em abril de 2024,^[337] com uma segunda máquina instalada em outubro de 2024.^[338] No final de 2025, a Intel instalou o novo TWINSCAN EXE:5200B para o seu futuro nó 14A, com produção em volume prevista para 2027.^[339]

Para nós inferiores a 2 nm, os sistemas EUV de alta NA serão afetados por uma série de problemas: rendimento (throughput), novas máscaras, polarização, resinas mais finas, e desfoque e aleatoriedade de elétrons secundários.^[340] A profundidade de foco reduzida requer uma espessura de resina inferior a 30 nm, o que, por sua vez, aumenta os efeitos estocásticos, devido à redução da absorção de fótons.

Estima-se que o desfoque de elétrons (electron blur) seja de pelo menos ~2 nm, o que é suficiente para anular o benefício da litografia EUV de alta NA.^[341][342]

Indo além da alta NA, a ASML anunciou em 2024 planos para o desenvolvimento de uma ferramenta EUV hiper-NA (hyper-NA) com uma NA além de 0,55, como uma NA de 0,75 ou 0,85.^[343][344] Essas máquinas poderiam custar US$ 720 milhões cada e espera-se que estejam disponíveis em 2030.^[327] Um problema com a hiper-NA é a polarização da luz EUV causando uma redução no contraste da imagem.^[343][345]