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Articoli di approfondimento - La manifattura di microchip senza maschera apre nuovi mercati

Dispositivi miniaturizzati come gli smart phone hanno ormai raggiunto il mercato del consumatore di massa, ma quando vengono introdotti, i costi di produzione per bassi volumi possono rallentare l'affermazione dei prodotti innovativi. Alcuni ricercatori finanziati dall'UE hanno sviluppato una nuova tecnologia per la produzione di microchip che promette di tagliare drasticamente i costi e aumentare la flessibilità del design. Riducendo i costi per la produzione su piccola scala e permettendo un'ulteriore miniaturizzazione dei microchip, i risultati probabilmente apriranno le porte a nuove applicazioni e nuovi mercati. La tecnologia del progetto aiuterà anche le aziende di microelettronica dell'UE più piccole.

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La litografia dei semiconduttori è il processo attraverso il quale sui microchip sono stampati i piccolissimi canali e le porte che sono il centro dei transistor che formano il moderno "circuito integrato" (CI). Usando una tecnica chiamata "litografia senza maschera" (ML2), i ricercatori del progetto, finanziato dall'UE, MAGIC ("Maskless lithography for IC manufacturing") stanno dando inizio a una nuova era nella produzione di CI su piccola scala che renderà il processo più veloce, più semplice e più economico. L'attuale produzione di microchip usa una tecnica di litografia ottica con maschera, usando in pratica una sagoma per definire lo schema di circuito desiderato. È un processo che ha funzionato bene a lungo per l'industria del microchip perché è molto efficace. Le maschere però sono molto costose: ci possono volere fino a diverse centinaia di migliaia di euro per produrne solo una. Un solo chip richiede diverse di queste maschere. Il costo totale della maschera sta aumentando molto man mano che le caratteristiche del chip diventano più piccole e più sofisticate. Per questa ragione, il progetto MAGIC ha studiato il potenziale della tecnologia senza maschera per combattere l'aumento dei costi delle maschere per i semiconduttori. In effetti la litografia con maschera sta diventando sempre più complessa con ogni nuovo progresso nel campo della tecnologia litografica. Per esempio, la correzione ottica di prossimità è una tecnica che compensa gli effetti di distorsione che spesso si vedono lungo i margini dei canali del circuito, mentre le maschere a spostamento di fase usano l'interferenza prodotta dalle differenze di fase della luce per migliorare la risoluzione della fotolitografia. Entrambe queste tecniche sono necessarie per compensare i problemi creati spingendo ancora più in là le tecniche litografiche. Man mano che la litografia diventa più sofisticata la produzione delle maschere diventa più complessa e costosa. Adesso le maschere devono avere un rendimento più alto, hanno bisogno di materiali costosi ed elaborati e di lunghi processi di produzione. "C'è un'esigenza reale di litografia senza maschera, perché i più alti costi legati alla produzione delle maschere hanno un ruolo enorme nel costo totale della proprietà di questa tecnica," spiega Laurent Pain, coordinatore del progetto MAGIC. La tecnologia ML2 usa principi a multi raggio. Essenzialmente, un ampio raggio di elettroni viene sparato attraverso un'apertura. L'apertura può dividere il raggio in migliaia, o persino milioni, di raggi più piccoli. Questi raggi passano attraverso un elemento di sistema micro-elettro-meccanico (micro-electrical-mechanical system o MEMS) chiamato blanker, che può controllare individualmente ogni raggio. Alcuni raggi vengono poi deviati mentre quelli cui è permesso passare creano il circuito del microchip desiderato. Un aiuto per il settore europeo della microelettronica I produttori industriali su larga scala, come Intel e Samsung, si occupano in particolare della massiccia produzione di microprocessori o chip di memoria. Secondo loro, l'impatto dell'aumento del costo della litografia è meno grave perché i costi collegati sono distribuiti in enormi processi produttivi che riguardano milioni di chip. Ma le aziende che sviluppano circuiti integrati specifici di applicazione (application specific integrated circuits o ASIC) e le piccole e medie imprese (PMI) sono messe in difficoltà da questi aumenti. È un problema grave per l'Europa perché molte delle aziende tecnologiche del continente sono PMI. È un problema generale anche per la tecnologia perché l'alto costo della produzione di microchip in piccola scala può uccidere l'innovazione; i nuovi mercati non possono decollare se i dispositivi innovativi sono troppo cari quando vengono costruiti in piccole quantità. Il concetto di una tecnica senza maschera è già sostenuto da alcuni produttori di semiconduttori metallo-ossido complementari (complementary metal-oxide-semiconductor o CMOS) di tutto il mondo, come la TSMC di Taiwan e la STMicroelectronics in Francia. Anche Intel, nelle ultime conferenze del settore, ha sottolineato il potenziale di questa tecnologia come soluzione complementare alla litografia ottica. Questo significa che la tecnologia ha un futuro promettente che rende un percorso di R&S ancora più allettante. Testare le tecnologie multi-raggio MAGIC, il progetto collaborativo finanziato dall'UE, ha cercato di sviluppare tecnologie di ML2 per prototipi da sottoporre a test. Due partner, la MAPPER Lithograhy con sede nei Paesi Bassi e IMS Nanofabrication con sede in Austria, hanno già fatto importanti progressi verso la progettazione di circuiti integrati ad alta risoluzione usando la litografia a elettroni senza maschera, confermando così la capacità di questa tecnologia e la leadership di queste due aziende europee nel settore. Metà del lavoro del progetto MAGIC è consistito nell'ulteriore sviluppo degli strumenti creati da MAPPER e IMS. Questo ha fornito un'ampia gamma di tecnologie, visto che lo strumento di MAPPER si basa su raggi di elettroni a basso voltaggio mentre IMS ha sviluppato un sistema di raggio ad alto voltaggio. Il progetto ha fornito prototipi che soddisfano i requisiti della produzione di semiconduttori di tecnologie mezzo passo di 32 nanometri. Mezzo passo si riferisce a linee e spazi che separano un elemento da un altro sul microchip. "Nei tre anni del progetto entrambe le piattaforme hanno fatto avanzare la maturità della loro rispettiva tecnologia dal livello proof-of-concept a quello pre-alfa," osserva il dott. Pain, aggiungendo "Oggi, entrambe le soluzioni hanno fatto progressi significativi, aumentando la credibilità della litografia senza maschera." La seconda metà del lavoro di MAGIC ha mirato a sviluppare l'infrastruttura necessaria per usare questi strumenti in un ambiente industriale e il lavoro di questa infrastruttura è stato diviso in tre aree principali: trattamento dei dati, effetti della prossimità del raggio di elettroni e integrazione industriale. MAGIC ha sviluppato una piattaforma di preparazione dei dati veloce, solida e commerciale, compatibile con gli standard del settore e in grado di supportare un sistema di produzione senza maschera. La piattaforma compensa anche gli effetti della prossimità del raggio di elettroni legato alla ML2. È uno sviluppo fondamentale. L'interazione generale del raggio di elettroni sul substrato, e i potenziali effetti di riscaldamento, devono essere compensati per assicurare una corretta modellazione del microcircuito. Le soluzioni sviluppate nell'ambito di MAGIC eliminano questo problema applicando le correzioni adatte. In fine il progetto ha dimostrato in condizioni reali che la ML2 può essere integrata in ambienti di produzione usando le piattaforme sviluppate dai partner. "Il 2010 è stato un anno importante per MAGIC," osserva Pain. "L'anno appena trascorso ha confermato il pieno potenziale della litografia a raggi di elettroni estremamente paralleli. Per entrambe le tecnologie sviluppate, sono state costruite macchine operative che dimostrano tutti gli elementi funzionali chiave." La tecnica è promettente, ma ha passato tanto tempo in fase di sviluppo. IMS Nanofabrication ha proposto per la prima volta il concetto di litografia senza maschera negli anni 1980, ma richiedeva tecnologie abilitanti che all'epoca non esistevano. Le attività recenti per sostenere l'introduzione della litografia senza maschera sono cominciate nel 2005 con un altro progetto finanziato dall'UE e chiamato RIMANA ("Radical innovation in maskless nanolithography") e coi i progetti T408 e T409 di MEDEA+. Adesso MAGIC ha migliorato enormemente la posizione dell'Europa nella produzione avanzata di semiconduttori ML2. Il progetto MAGIC ha ricevuto finanziamenti per la ricerca dal Settimo programma quadro (7° PQ), nell'ambito della linea di budget TIC. Link utili: - Progetto "Maskless lithography for IC manufacturing" - Record dei dati del progetto MAGIC su CORDIS Articoli correlati: - Un progetto dell'UE sviluppa un sistema di screening completamente ambulatoriale - Un progetto finanziato dall'UE per lo sviluppo di un linguaggio di specifica di microchip - Nessun limite ai circuiti integrati in silicio