La luz como herramienta en la fabricación de chips

La fabricación de circuitos integrados y dispositivos semiconductores requiere de la ejecución de una larga secuencia de muchos y complejos procesos. La Litografía, una de las tecnologías relacionadas a la luz, es uno de estos procesos que se usan desde 10 y hasta más de 30 veces en un flujo típico de fabricación de circuitos integrados. No solo es muy usado; también define las dimensiones de los dispositivos, el dopado y las interconexiones en cada segmento de cada dispositivo. Literalmente, este proceso de litografía define casi todos los elementos funcionales en un circuito integrado.

El dominio de la litografía en el proceso de fabricación de circuitos integrados es tal que consume cerca de 60 por ciento del ciclo total de fabricación y alrededor de 40 por ciento del costo de fabricación de un circuito integrado. Y su impacto es tal que, sin el desarrollo de ésta, no se hubiera alcanzado la ubicuidad y bajo costo de la electrónica moderna.

Pero, ¿qué es litografía?: Es una técnica de impresión inventada hace ya 200 años. En electrónica “fotolitografía” o “nanolitografía”, son actualizaciones de esta vieja técnica mediante la cual se produce una imagen óptica de circuitos electrónicos sobre una capa sensible a luz. Actualmente la litografía que se usa para fabricar chips utiliza luz ultravioleta para obtener patrones muy pequeños, con dimensiones del orden de 40 nanómetros (1 nanómetro, denotado como nm, es una millonésima de milímetro) a una velocidad muy grande. Lo que hace de esta litografía la más avanzada, costosa y demandante tecnología de fabricación de chips.

Gracias a esta tecnología es que la industria de fabricación de chips se ha mantenido: por la necesidad de hacer chips cada vez más pequeños, con mayores funciones y a menor precio. Éstos se producen masivamente sobre sustratos de silicio, llamados obleas, de 1 mm de espesor y diámetros de 20 o 30 cm. Después cada chip se separa de la oblea. Cada oblea es como un pieza valiosa de terreno, donde se construyen cada día más chips libres de defectos y así se obtienen mayores ganancias.

Hace ya más de 40 años Gordon Moore (cofundador de Intel) predijo que la tecnología duplicaría el número de componentes de un chip en intervalos regulares de tiempo, lo que daría mas funcionalidad y reduciría costos. Predicción que ha regido a la industria de semiconductores.

La tecnología que ha hecho posible esta revolución en la manufactura de chips es la litografía. Cada nuevo desarrollo en esta tecnología facilita que más chips se realicen en obleas de silicio con mayores funcionalidades. El resultado de hacer chips más pequeños es:

  • Reducción de los costos de producción; por lo tanto, un precio de venta menor.
  • Aumento en el funcionamiento del chip con menor consumo de potencia y dispositivos más veloces por su menor tamaño.
  • Con el menor consumo de potencia se logran equipos móviles con mayor duración de la batería.
  • Portabilidad; con más sistemas acomodados en un chip, se requieren menos componentes y así tenemos por ejemplo los teléfonos celulares.
  • Confiabilidad; al tener más integración de sistemas complejos, hay menos conexiones mecánicas, mejorando la confiabilidad.

En suma, la litografía es la tecnología detrás de procesadores más rápidos, chips de memoria masiva, cámaras digitales de alta resolución y electrónica inteligente.

Para los fabricantes de chips, la litografía es etapa crítica de fabricación, y para entender esto revisaremos rápidamente el proceso de fabricación de chips.

Las capas que forman un chip se van construyendo mediante un ciclo repetitivo de tratamiento térmico a las capas y un proceso de litografía. En éste se seleccionan las regiones donde se efectúan las adiciones selectivas de cada material. La figura ilustra este proceso. Entre más complejo es el chip, más capas son requeridas. En los avanzados procesos actuales, con dimensiones de dispositivos de 40 nm, se necesita de hasta 40 capas de material por chip. Algunas capas requieren de menores dimensiones y mayor precisión que otras. La exactitud con que se hace coincidir una capa sobre la anterior se llama “registro”, y los equipos actuales tienen un registro de 5 nm. Un cabello humano tiene unos 50 mil nm de ancho y crece 5 nm por segundo; 1 nm tiene la longitud de cuatro átomos de silicio.

Una consecuencia de que la litografía sea capaz de resolver estas extremadamente pequeñas dimensiones es que un chip moderno, como el del núcleo de una computadora, que tiene más de mil millones de transistores en una área de silicio de poco más de 1.5 cm2, resultando en un costo por componente de apenas 2 milésimas de centavo de dólar, y en consecuencia, un precio al consumidor cada vez menor y con mayor número de funciones.

Es pertinente mencionar que todo este desarrollo no ha sido fortuito ni simple. Para alcanzar a resolver por medio de litografía dimensiones cada vez más pequeñas es necesario contar con fuentes de luz con longitud de onda más y más pequeña y de muy alta estabilidad. Así, los primeros sistemas de litografía usados en la industria de semiconductores usaban como fuente de luz lámparas de mercurio. Éstas proporcionaban iluminación suficiente para poder resolver dimensiones de hasta 2.5 micrómetros (µm). Los patrones geométricos a ser transferidos se ponían en contacto con la resina fotosensible y con el tiempo se dañaban. Surgió así la litografía por proximidad y posteriormente por proyección. Las fuentes luminosas son ahora láseres con longitudes de onda que han recorrido desde los 436 nm, longitud de onda usada para resolver 1.25 µm de dimensión mínima, hasta la actual longitud de onda de 157 nm llamada ultravioleta profunda (DUV), y que ha resultado en el desarrollo un láser de excimero de F2 y el uso de lentes muy específicas, que no presentan problemas con la transmisión de esta luz.

Sin el desarrollo de las tecnologías relacionadas con la luz, muchas áreas de la moderna tecnología no tendrían una evolución tan grande, como es el caso de la tecnología de fabricación de chips. Sin litografía no tendríamos a la electrónica presente en todos los aspectos cotidianos de nuestra vida y a un costo cada vez menor.

 

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