Reportaje - Desenmascarar la fabricación de microchips para revelar nuevos mercados potenciales
La litografía de semiconductores es un proceso por el que se imprimen microchips dotados de los diminutos canales y puertas que constituyen el núcleo de los transistores que conforman el «circuito integrado» (CI) moderno. Valiéndose de una técnica denominada «litografía sin máscara» (ML2), los investigadores participantes en el proyecto financiado con fondos europeos MAGIC («Litografía sin máscara para la fabricación de CI») inauguraron una nueva época en la producción de CI a pequeña escala en la que el proceso resultará más rápido, más sencillo y más barato. Actualmente la fabricación de microchips se utiliza empleando una técnica de litografía óptica basada en una máscara, la cual consiste básicamente en emplear una plantilla para definir el patrón del circuito deseado. Se trata de un proceso que ha resultado de gran utilidad desde hace mucho tiempo para la industria de los microchips por su elevada efectividad. No obstante, las llamadas máscaras tienen un coste muy elevado, de hasta varios cientos de miles de euros para producir cada unidad. Y cada chip precisa de varias de estas máscaras. Por tanto, a medida que las características de los chips reducen su tamaño y adquieren sofisticación, se dispara de manera desorbitada el coste total de las máscaras. Por esta razón el equipo de MAGIC se propuso dar con una tecnología exenta de máscaras semiconductoras para frenar la escalada de los costes derivados. Ciertamente, la litografía con máscaras adquieren una complejidad cada vez mayor con cada nuevo adelanto en la tecnología litográfica. Por ejemplo, la corrección óptica de proximidad (OPC) es una técnica que permite compensar los efectos de distorsión que se aprecian con frecuencia en los bordes de los canales de los circuitos, mientras que las máscaras de cambio de fase (PSM) máscaras de transición entre fases emplean la interferencia producida por diferencias entre fases de la luz para aumentar la resolución de la fotolitografía. Las dos técnicas mencionadas se necesitan para compensar las deficiencias que surgen a medida que se ponen a prueba los límites de las técnicas litográficas. Así pues, conforme la litografía gana en sofisticación, la fabricación de las máscaras resulta también más compleja y costosa, ya que en la actualidad las máscaras requieren materiales caros y de mayor rendimiento y también procesos de producción muy elaborados y lentos. «Hoy en día existe una verdadera necesidad de una litografía sin máscaras, ya que el incremento de los costes derivados de la fabricación de éstas influyen de manera determinante en el coste total del empleo de esta técnica», explicó Laurent Pain, coordinador del proyecto MAGIC. La tecnología ML2 se fundamenta en principios de múltiples haces. En pocas palabras, consiste en enfocar un gran haz de electrones a través de una apertura. Ésta puede dividir el haz en miles o incluso millones de haces más pequeños. Dichos haces pasan a través de un elemento de un MEMS (siglas de «sistema micro-electro-mecánico») denominado blanker, o supresor, capaz de controlar cada uno de los haces. A continuación algunos de los haces son desviados, o suprimidos, mientras que los que consiguen pasar crean el circuito de microchip deseado. Una mano a la industria europea de la microelectrónica Los grandes fabricantes industriales como Intel y Samsung se centran en la producción en serie de microprocesadores y chips de memoria. Para ellos, el encarecimiento de la litografía no resulta tan inquietante porque los costes derivados se reparten entre sus ingentes tandas de producción, de las que resultan millones de chips. Pero dicho encarecimiento sí que dificulta la situación a las empresas dedicadas al desarrollo de circuitos integrados para aplicaciones específicas (ASIC) y para las pequeñas y medianas empresas (PYME). Esto plantea por tanto un problema de gran magnitud para Europa, dado que un número muy elevado de las empresas tecnológicas del continente son PYME. Se trata asimismo de un gran impedimento para la tecnología en general, puesto que el elevado coste de la fabricación de microchips a pequeña escala puede aniquilar la innovación, puesto que los nuevos mercados no pueden despegar si la fabricación de dispositivos innovadores, producidos inicialmente en pequeñas cantidades, resulta demasiado cara. El concepto de la técnica sin máscaras ya cuenta con partidarios entre algunos de los principales fabricantes de CMOS (metal-óxido-semiconductor complementario) del mundo, como TSMC de Taiwán y STMicroelectronics. Incluso Intel, en congresos industriales recientes, ha destacado el potencial que atesora esta tecnología como solución complementaria a la litografía óptica. Por tanto, esta tecnología tiene ante sí un futuro prometedor y ofrece una vía de investigación y desarrollo (I+D) aún más atractiva. Ensayos de tecnologías con múltiples haces MAGIC, un proyecto de colaboración financiado con fondos europeos, se propuso desarrollar las tecnologías ML2 y obtener prototipos en fase alfa con los que realizar ensayos. Dos de los socios, MAPPER Lithography (Países Bajos) y IMS Nanofabrication (Austria), ya habían logrado adelantos importantes en el diseño de CI de gran resolución empleando litografías electrónicas sin máscaras, confirmando así las posibilidades de esta tecnología y la posición de liderazgo de estas dos empresas europeas en este sector. La mitad de la labor realizada en el marco de MAGIC se centró en el perfeccionamiento de las herramientas creadas por MAPPER e IMS. Esto dio lugar a una amplia gama de tecnologías, puesto que la herramienta de MAPPER se basa en haces de electrones de baja tensión mientras que IMS había desarrollado un sistema de haces de alta tensión. Los responsables del proyecto crearon prototipos en versión alfa que se ajustaban a los requisitos de fabricación de semiconductores relativos a la tecnología de paso medio de 32 nanómetros. El paso medio (half pitch) se refiere al tamaño de las líneas y los espacios que separan a un elemento de otro en el microchip. Durante los tres años que duró el proyecto, ambas plataformas han madurado sus respectivas tecnologías pasando de la prueba de concepto a un nivel pre-alfa», afirmó Pain, quien añadió que «se puede afirmar que los dos productos han registrado un progreso significativo que refuerza la credibilidad de la litografía sin máscaras». La segunda mitad de la labor realizada en MAGIC se orientó al desarrollo de la infraestructura necesaria para usar estas herramientas en un entorno industrial, y dicha labor se repartió entre tres áreas fundamentales: tratamiento de datos, efectos de la proximidad del haz de electrones e integración industrial. El equipo de MAGIC desarrolló una plataforma de preparación de datos rápida, fiable y comercial, compatible con los estándares de la industria y capaz de sustentar plenamente un sistema de producción sin máscaras. Esta plataforma compensa también los efectos de proximidad del haz de electrones relacionados con la ML2, un logro indispensable, ya que la interacción global de los haces de electrones sobre el sustrato y los posibles efectos del calentamiento tienen que compensarse para asegurar un grabado preciso del microcircuito. Las técnicas desarrolladas en MAGIC solucionar este problema aplicando las correcciones convenientes. Por último, el equipo del proyecto demostró en condiciones reales de la viabilidad de integrar la ML2 en los procesos de fabricación utilizando las plataformas desarrolladas por los socios. «El 2010 fue un año importante para MAGIC», destacó Pain. «Se confirmó todo el potencial que atesora la litografía con haces de electrones masivamente paralela. Se construyeron máquinas operativas correspondientes a las dos tecnologías desarrolladas que demostraron todos los elementos funcionales clave.» Se trata pues de una técnica prometedora, si bien ha sido objeto de un largo proceso de desarrollo. IMS Nanofabrication propuso por primera vez el concepto de la litografía sin máscaras en la década de 1980, pero por entonces no se disponía de las tecnologías auxiliares necesarias. Los intentos por hacer realidad e implantar la litografía sin máscaras no empezarán hasta 2005, de la mano de otro proyecto europeo denominado RIMANA («Innovación radical en la nanolitografía sin máscaras») y con los proyectos de MEDEA+ T408 y T409. Ahora MAGIC ha conseguido reforzar drásticamente la posición de Europa en la fabricación avanzada de semiconductores mediante ML2. El proyecto MAGIC recibió fondos para sus actividades de investigación a través del Séptimo Programa Marco (7PM) de la UE, concretamente al amparo de la línea presupuestaria dedicada a las TIC. Enlaces útiles: - proyecto «Maskless lithography for IC manufacturing» - registro de datos del proyecto MAGIC en CORDIS Artículos relacionados: - Un proyecto de la UE desarrolla un sistema de pruebas sanitarias «in situ» - Un proyecto financiado con fondos comunitarios desarrolla un lenguaje de especificación de microchip - Los circuitos integrados de silicio no tienen límites