Las máquinas de fotolitografía ultravioleta extremo (UVE) que fabrica la compañía holandesa ASML son un prodigio de la tecnología. De hecho, sin ellas los circuitos integrados más avanzados que producen los mayores fabricantes de semiconductores del planeta, entre los que se encuentran TSMC y Samsung, no serían posibles.
Su complejidad es tal que para explicar cómo funcionan con cierta profundidad tendría que dedicarles no uno, sino varios artículos muy extensos. Ignacio Mártil, catedrático de electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y una autoridad en semiconductores, nos ofrece en uno de sus interesantísimos artículos varias cifras que pueden ayudarnos a entender de qué estamos hablando.
Una sola de las máquinas de litografía UVE de ASML contiene más de 100 000 piezas, 3000 cables, 40 000 pernos y nada menos que dos kilómetros de conexiones eléctricas. Ahí queda eso. No obstante, el hardware es solo uno de los ingredientes de la receta. El otro, y también es esencial, es el software integrado que se responsabiliza de dirigir y supervisar el correcto funcionamiento de cada uno de los equipos de litografía.
Actualmente ASML ocupa una posición central en la industria de los semiconductores, y su estatus es indudablemente el resultado del esfuerzo titánico que esta compañía europea ha realizado en I+D durante años. Sin embargo, como podemos intuir, no ha recorrido este camino sola. El 90% de los componentes de sus máquinas de litografía proceden de otras empresas diseminadas por todo el planeta. Y el rol de al menos dos de ellas es fundamental.
Cymer entrega a ASML la materia prima que necesitan sus máquinas de litografía
Esta empresa estadounidense fundada en 1986 está especializada en la fabricación de láseres y fuentes de luz ultravioleta profundo (DUV) y extremo (UVE). Mantiene una relación muy estrecha con ASML desde hace muchos años; de hecho, es tan relevante el rol que tienen las fuentes de luz que fabrica Cymer en las máquinas de litografía que en 2013 ASML compró esta empresa de San Diego con el propósito de invertir en ella para acelerar el desarrollo de las tecnologías involucradas en la litografía UVE.
De algún modo Cymer entrega a ASML la materia prima que necesitan sus máquinas de fotolitografía. Y esa materia prima no es otra que la luz ultravioleta que se responsabiliza de transportar el patrón geométrico descrito por la máscara para que pueda ser transferido con muchísima precisión a la superficie de la oblea de silicio. Como veremos en la siguiente sección del artículo, en este proceso también están involucrados los elementos ópticos que diseña y produce la compañía alemana ZEISS.
Los equipos de fotolitografía más avanzados que diseña y fabrica ASML son extraordinariamente complejos. La fuente de luz ultravioleta está alojada en la parte inferior del extremo derecho de la máquina, y las obleas se desplazan por su interior con una precisión asombrosa.
Dado que estamos metidos en harina merece la pena que indaguemos un poco más en las características de la luz utilizada por los equipos de litografía UVE. Y su propiedad más llamativa consiste en que pertenece a la porción más energética de la región ultravioleta del espectro electromagnético. De hecho, su longitud de onda se extiende en el rango que va desde los 10 hasta los 100 nanómetros (nm).
La luz UVE debe viajar desde la fuente hasta la oblea de silicio sin interaccionar con la más mínima partícula de polvo
El problema es que no es nada fácil generar y lidiar con esta forma de radiación electromagnética. Y no lo es, entre otras razones, debido a que es tan energética que altera la estructura de los elementos físicos con los que interacciona en el interior de la máquina de litografía.
Además, la luz UVE debe viajar desde la fuente hasta la oblea de silicio sin interaccionar con la más mínima partícula de polvo, por lo que es necesario que todo el proceso de producción de los chips se lleve a cabo en el interior de una cámara diseñada para proporcionar un vacío de mucha calidad.
Afortunadamente, como os contamos en este artículo, está siendo desarrollado un nuevo procedimiento de medida del vacío que posiblemente marcará la diferencia en los procesos litográficos que llegarán en el futuro.
La pericia de ZEISS en la fabricación de ópticas es una apuesta segura para ASML
A finales del año pasado tuve la oportunidad de visitar el laboratorio de óptica que tiene ZEISS en el mismo edificio en el que reside su sede principal, que está situada en la localidad alemana de Oberkochen, a poco más de 180 km de Múnich. Y me llevé una grata sorpresa.
Sabía que esta veterana empresa alemana (fue fundada en 1890) estaba involucrada en la producción de elementos ópticos para equipos de litografía, pero esa visita me ayudó a identificar con más precisión la envergadura de los equipos ópticos que ZEISS fabrica expresamente para las máquinas de litografía UVE que produce ASML.
La óptica para litografía que podemos ver en esta fotografía es una Starlith 1700i fabricada por ZEISS. Cuando la tienes delante sus dimensiones intimidan.
El rol de los elementos ópticos de ZEISS en estos equipos de litografía es crucial. Y lo es porque se responsabilizan, dejando a un lado los detalles más complejos, de trasladar la luz UVE con una longitud de onda de 13,5 nm desde la fuente que se encarga de su emisión hasta la máscara que contiene el patrón geométrico que es necesario plasmar en la oblea de silicio.
Pero esto no es todo. A partir de este momento entra en acción la óptica de proyección con el propósito de transferir la radiación UVE que ya contiene el patrón geométrico a la oblea de material semiconductor. Dicho así no parece muy complejo, pero lo es. Es un proceso complejísimo. Si los espejos que intervienen en la propagación de la luz UVE no están fabricados con una enorme precisión el patrón geométrico definido por la máscara se verá alterado, y los chips se irán al garete.
Además, los espejos reflectores que se encargan de transportar la luz desde la fuente emisora hasta la máscara deben conseguir que la radiación UVE llegue a esta última con una uniformidad extrema. De lo contrario, de nuevo, el proceso de fabricación de circuitos integrados no tendrá éxito. No obstante, ZEISS no produce únicamente los espejos involucrados en este delicadísimo proceso.
También se encarga de diseñar y fabricar los sensores y actuadores que se responsabilizan de que el trabajo que llevan a cabo los equipos ópticos de las máquinas de litografía se adecua a las tolerancias que exige este proceso, que son extraordinariamente restrictivas. Y de escribir el software que supervisa en tiempo real el correcto funcionamiento de este subsistema. Ahí queda eso.
Imágenes: ASML
Más información: ASML | Ignacio Mártil
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