La última frontera (por ahora) de los chips: litografía de ultravioleta extremo

Ignacio Mártil

Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

Imagen de un equipo de litografía de ultravioleta extremo fabricado por la empresa holandesa ASML

La litografía óptica es un proceso clave en la fabricación de chips. Por medio de este proceso, se transfieren los patrones geométricos de diseño de los chips desde una máscara a una oblea de semiconductor, lo que permite construir sobre cada oblea cientos de chips, que contienen cada uno circuitos electrónicos muy complejos, con miles de millones de componentes distribuidos en un espacio muy reducido, de unos pocos milímetros cuadrados. Esta posibilidad de fabricar cientos de chips en cada oblea, para a continuación cortar, encapsular y probar cada uno de ellos, es la base de una electrónica potente y relativamente económica. Si cada circuito tuviera que fabricarse de manera individual, el coste sería prohibitivo y la electrónica no tendría la importancia ni la relevancia que tiene hoy en día. Recientemente, la Litografía de Ultravioleta Extremo (en lo que sigue, UVE) se ha mostrado como la única opción viable para fabricar los chips más avanzados. Como veremos en este y en posteriores artículos, la litografía UVE permite la creación de patrones geométricos de tamaños muy reducidos, por debajo de 20 nm.

Uno de los varios aspectos que voy a tratar en esta nueva serie de cuatro artículos, es mostrar cómo la tecnología europea es tan excelente como la que se hace en cualquier otra parte del mundo en este campo de la fabricación de chips. Varias empresas de Europa están a la cabeza de esta tecnología puntera:

1. ¿Qué es la radiación ultravioleta extrema?

En el espectro electromagnético, el ultravioleta extremo (UVE) es la parte más energética de la región ultravioleta. Se extiende entre las longitudes de onda comprendidas entre 100 y 10 nanómetros, lo que la sitúa entre los rayos X ( 10 nm) y el ultravioleta lejano (100 a 200 nm). A modo de comparación, la luz visible está comprendida entre 700 nm y 400 nm.

El espectro electromagnético, con los detalles de la zona ultravioleta del mismo

La corona del Sol produce radiación UVE, pero no llega a la superficie de la Tierra porque la atmósfera y la capa de ozono la absorben, ya que la radiación UVE es absorbida por cualquier tipo de materia, lo que condiciona fuertemente los equipos de litografía basados en esta fuente de radiación, como podremos ver. En la Tierra, la radiación UVE solo se puede producir mediante fuentes artificiales, ya que no existen fuentes naturales de esta radiación.

2. En los límites de la tecnología: litografía de UVE

Como ya vimos en un artículo previo, el desafío de la fotolitografía es trasladar a la oblea semiconductora patrones geométricos de dimensiones cada vez más reducidas, lo que complica el procesos mucho, puesto que definir nítidamente motivos de un tamaño inferior a 100 nm desafía algunas leyes de la física. La óptica nos enseña que el límite de resolución de cualquier proceso fotolitográfico viene determinado por el Criterio de Rayleigh, que dice que el tamaño mínimo que se puede resolver por un equipo viene determinado por la siguiente expresión:

Donde λ es longitud de onda de la radiación con la que iluminamos la máscara donde se han dibujado los motivos a transferir a la oblea; k es un coeficiente que depende de factores relacionados con las características de la máquina de litografía, cuyo valor límite para la litografía “convencional” es k = 0.25; finalmente, el término NA es la “apertura numérica” del sistema óptico en su conjunto, que determina con cuánta luz se ilumina la oblea semiconductora.

Con el paso de los años, los fabricantes de chips han ido reduciendo los tamaños de los patrones geométricos, aplicando una regla basada en la expresión anterior: cuanto menor es el tamaño del motivo a resolver, menor debe ser la longitud de onda con la que debemos iluminarlo. De hecho, la historia moderna de la litografía es una “simple” letanía de opciones de longitud de onda, siempre decreciente. Desde la década de 1960 hasta la década de 1980, la industria de semiconductores ha ido recorriendo las líneas espectrales de las lámparas de mercurio (de λ=436 nm. a λ=365 nm.). Después, a medida que aumentaban los requisitos de resolución, las lámparas de mercurio se reemplazaron por láseres de excímeros, primero el fluoruro de criptón (KrF, λ=248 nm, introducido en 1990) y luego los láseres de fluoruro de argón (ArF, λ=193 nm, introducido en 2002). Estas dos últimas longitudes de onda se encuentran en el Ultravioleta Profundo (UVP) del espectro electromagnético y es la tecnología mayoritariamente utilizada en la actualidad.

De nuevo según las leyes de la óptica, con λ=193 nm es posible resolver motivos de tamaños superiores a 50 nm., siempre que los otros dos factores (k y NA) tengan los valores óptimos. Si se quieren definir tamaños inferiores hay que reducir aún más la longitud de onda de la fuente luminosa. Después de evaluar una serie de alternativas no ópticas (litografía por haz de electrones, litografía de Rayos X), la industria de semiconductores finalmente decidió dar un salto revolucionario en la longitud de onda y pasar a la radiación UVE, a la que consideraron la mejor apuesta. Esto ha significado un gran reto, porque a pesar de que los principios que subyacen a una máquina de litografía de UVE son los mismos que para sus predecesores de UVP, la puesta en práctica en forma de equipos industriales es completamente diferente y acarrea todo un conjunto de desafíos extraordinarios.

En la fotolitografía de UVE se utiliza una longitud de onda de λ=13.5 nm para iluminar la máscara donde se han dibujado los motivos a transferir a la oblea de semiconductor. Eso es un factor 15 veces menor que los sistemas actuales, que trabajan con λ=193 nm. Esta elección de longitud de onda se debe esencialmente a la perspectiva de conseguir una resolución mucho mejor que la que se puede alcanzar con UVP. Debido a que la mejora es tan significativa, la litografía de UVE debería poder utilizarse durante un largo período de tiempo, al menos una década más. Esto resulta de gran interés para los fabricantes de chips, que esperan hacer uso de esa tecnología para fabricar chips cada vez más potentes durante el mayor tiempo posible. Por eso en ciertos ámbitos del sector se dice que la litografía de UVE ha venido para “salvar” la Ley de Moore.

3. ¿Por qué la litografía UVE difiere tanto de las generaciones anteriores?

Por varias razones, siendo las principales dos. En primer lugar, la radiación UVE es difícil de generar de manera controlada. Este es un aspecto que no abordaré en este artículo, salvo breves comentarios cuando veamos cómo son las máquinas de fotolitografía UVE.

En segundo lugar, la radiación UVE es fácilmente absorbida por el aire, otros gases y en general, por toda clase de materia sólida. Debido a esto, los sistemas de litografía UVE utilizan ópticas totalmente reflectantes. Esto implica nuevas consideraciones a la hora de construir las máquinas basadas en esta radiación: la luz del sistema de proyección de los motivos de las máscaras tiene que viajar a través de un vacío de alta calidad desde el momento en que se genera hasta el momento en que se transfieren los motivos a la oblea. También significa que es imposible construir máscaras de UVE al modo que se hace con la litografía UVP, donde los rayos atraviesan las zonas de la máscara transparentes sin ser absorbidos, debido a que en esta máscara tradicional también se absorbe la luz UVE, impidiendo “grabar” la oblea. En su lugar, es necesario emplear espejos reflectantes de una complejidad extraordinaria en los que se deben definir los motivos a transferir; es decir, la máscara también debe ser reflectante. Entraré en más detalles de esto en un próximo artículo:

Diferencia entre las máscaras de litografía de UVP (izquierda) y de UVE (derecha). En la primera, la transferencia de patrones a la oblea se hace con una óptica de transmisión, relativamente sencilla de fabricar, mientras que en la segunda se hace con una de reflexión, de una complejidad extraordinaria

En definitiva, la litografía de UVE plantea, entre otros, los siguientes desafíos técnicos: fuentes de luz lo suficientemente brillantes, que generen la potencia adecuada para obtener altos rendimientos, máscaras reflectantes de suficiente calidad y contraste, unos requisitos muy estrictos de diseño para los numerosos componentes ópticos del equipo, etc.

4. En el interior de un equipo UVE

El esquema de un equipo de litografía UVE se muestra en la siguiente imagen:

Esquema de los elementos principales de un sistema de litografía UVE. Véase el párrafo siguiente para comprender su principio de funcionamiento

En líneas generales el funcionamiento es como sigue: la luz UVE se genera en la LPP source y se enfoca a un sistema de espejos reflectores denominado globalmente Iluminador cuya misión es hacer que, al llegar a la máscara, la radiación sea muy uniforme. La Máscara refleja los rayos UVE y esa radiación, que ya “contiene” los motivos geométricos que definen los chips, es transferida a la oblea de semiconductor mediante la Óptica de Proyección. En esta zona del equipo, la imagen reflejada por la máscara debe reducirse y proyectarse con alta fidelidad sobre la oblea, para conseguir una réplica nítida del patrón dibujado en la máscara. El siguiente vídeo muestra brevemente el funcionamiento de un sistema de litografía de UVE:

Todo el conjunto de subsistemas descritos está dentro de una máquina de unas características verdaderamente asombrosas, que describiré con cierto detalle en próximos artículos, así como los elementos esenciales del sistema (la fuente de luz UVE, las máscaras, y el sistema óptico en general).