Produccion de los wafers de silicio
Arena
(dióxido de silicio).
Silicio, altamente purificado, creciendo como un solo cristal a alta temperatura.
Lingote de silicio, cortado en obleas circulares.
dióxido de silicio luz ultravioleta
La fotolitografía de semiconductores
En las últimas décadas nada ha permitido tanto la reducción del tamaño e integración de los elementos de circuitos integrados como los avances en la fotolitografía. En 1975, un microprocesador de Intel tenía unos 4,500 transistores con tamaño lineal de 6 micrones; desde el 2012, cada chip procesador tiene más de 1,400,000,000 transistores, con tamaño lineal de apenas 0.022 micrones (¡más de 60 millones de estos transistores caben en la cabeza de un alfiler de 1.5 mm de diámetro!). La técnica de transferir patrones de circuitos integrados sobre la superficie de una oblea (wafer) de silicio se llama fotolitografía, y es esencialmente la misma usada en las impresiones litográficas. La superficie altamente pulida de la oblea de silicio es cubierta con un film muy delgado de un polímero protector fotosensible. El film fotoprotector (resist) se aplica líquido, y luego se calienta para solidificarlo. Sobre la oblea de silicio se coloca una máscara de vidrio o cromo, que contiene el patrón a imprimirse. Seguidamente, el resist es iluminado uniformemente con luz ultravioleta a través de la máscara, lo cual deja una imagen latente en las áreas expuestas del film protector. Al ser inmerso en una solución de revelado, solo las regiones expuestas a la luz ultravioleta permanecen protegidas por el film. Las regiones no cubiertas por el film protector pueden ser atacadas con una solución ácida, lo que abre ventanas en la superficie oxidada de la oblea por donde pueden introducirse elementos dopantes (como el fósforo), para cambiar localmente las propiedades electrónicas del semiconductor. Este proceso de fotolitografía puede repetirse varias veces, formando estructuras en capas. ¿Cuán pequeños pueden ser los elementos en un circuito integrado sobre silicio? Tan pequeños como lo permita la resolución del sistema óptico que se use para la impresión. Esta resolución depende directamente de la longitud de onda de la luz utilizada para
máscara patrón
Microprocesador en su paquete final.
Actualmente, cada chip tiene miles de millones de transistores.
revelado
ataque ácido eliminación del resist
la industria de semiconductores, y los asombrosos dispositivos que han aparecido en el presente.
resist silicio
barrera de óxido
exponer el film fotoprotector: cuanto más pequeña es la longitud de onda de la luz usada, más pequeño el componente que se puede fabricar. Adicionalmente, la resolución puede mejorarse usando lentes diseñados con mucha precisión. También mejora la resolución cuando el lente que proyecta la luz está inmerso en un medio con índice de refracción alta, usualmente agua (sistemas de inmersión). Como ejemplo, en 1975 se utilizaba luz azul (longitud de onda de 436 nanómetros) en sistemas que producían rasgos de 5 micrones; en 1997 se introdujeron láseres ultravioleta con longitud de onda de 248 nanómetros, y en 2003 láseres en el ultravioleta profundo (196 nanómetros). Estos últimos, utilizados en sistemas de inmersión, son capaces de producir rasgos de apenas 32 nanómetros (nm). La nueva generación de fuentes de luz para reducir aún más el tamaño de los circuitos por debajo de 32 nm está siendo desarrollada por la compañía Cymer en San Diego, California. A diferencia de las fuentes láser actuales, con longitud de onda de 192 nm, las nuevas fuentes emitirán radiación con longitud de onda de solo 13.4 nm (región extremo-ultravioleta). De nuevo, la física presenta retos muy grandes a su implementación. En esta longitud de onda los lentes ópticos tradicionales no funcionan, pues absorben la luz. En su lugar deben usarse espejos con recubrimientos ópticos especiales. El ambiente donde ocurre la exposición debe estar en vacío, pues los gases también absorben la radiación. El sistema de creación de la luz en el extremo ultravioleta es también tecnológicamente complejo. Básicamente, un rayo láser infrarrojo de muy alta potencia (hasta 30 mil Watts) es concentrado y utilizado para irradiar gotas de estaño líquido dentro de una cámara al vacío. Al recibir los pulsos del rayo láser, las gotas son vaporizadas y producen un plasma altamente ionizado. Los átomos, en estados altamente excitados, decaen emitiendo radiación con una longitud de onda de 13.5 nanómetros en todas direcciones. La luz es colectada y concentrada por un gran espejo cóncavo, para luego dirigirse hacia el
Microprocesadores fabricados sobre una oblea de silicio. Cada rectángulo es un chip.
sistema fotolitográfico. Al entrar en producción, esta fuente de luz permitirá la fabricación de circuitos de hasta 10 nanómetros en tamaño. Cuando el tamaño de cada transistor llega a ser tan pequeño, la física interpone nuevos obstáculos. En este caso, se trata de la dificultad de mantener a los electrones confinados en una sola región. El transistor es básicamente una válvula: cuando está abierta, la corriente de electrones fluye fácilmente de un lugar a otro. Cuando está cerrada, la corriente debe parar, es decir, los electrones no pueden pasar de una región a otra del transistor. Sin embargo, cuando las regiones están tan cercanas una a otra, los electrones obedecen las leyes de la mecánica cuántica. En particular, la probabilidad de que puedan colarse de una región a otra es grande, aun cuando la válvula esté cerrada. Esto causa una fuga de corriente eléctrica y la consecuente degradación del dispositivo. Se predice que la fotolitografía actual seguirá avanzando hasta el año 2020, cuando llegará a su límite físico. Se han planteado alternativas para sustituir o complementar la tecnología actual, como la computación cuántica y circuitos moleculares. Aunque estas tecnologías están en su infancia, quién sabe qué avances maravillosos traen en camino. Con el advenimiento de circuitos integrados en escala de pocos nanómetros, viene la promesa de tecnologías sorprendentes, como implantes en el cuerpo humano capaces de monitorear el estado de salud y suministrar medicamentos en respuesta. También nos acercamos más a la creación de computadoras con suficiente poder no solo para ejecutar instrucciones sumamente complejas, sino para aprender y nutrirse de sus experiencias, con el ambiente que las rodea, una inteligencia artificial en imitación del cerebro humano. *Doctor en Física, guatemalteco. Trabaja en el desarrollo de las nuevas fuentes de luz para la fotolitografía del futuro, Cymer-ASML, San Diego, California.
Guatemala, VIERNES 8 de noviembre de 2013
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