El futuro de la fabricación de chips

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Los investigadores del MIT (Instituto Tecnológico de Massachusets) muestran cómo hacer litografía "e-beam", comúnmente utilizada para los chips prototipo de computadoras, más práctico, como una técnica de producción en masa.
Durante 50 años, los transistores en los chips de computadoras han sido cada vez más pequeños, y durante 50 años, los fabricantes han utilizado la misma técnica - fotolitografía - para hacer sus chips. Sin embargo, la longitud de onda de la luz visible limita el tamaño de los transistores que puede producir la fotolitografía. Si los fabricantes de chips mantienen la reducción de los chips, probablemente tendrán que recurrir a otros métodos de fabricación.

Los investigadores han utilizado una técnica conocida como litografía de haz de electrones (o e-beam) para hacer prototipos de chips, pero el estándar de litografía de haz de electrones es mucho más lento que la fotolitografía. El aumento de su velocidad en general, se produce a expensas de la resolución: Anteriormente, el chip más pequeño que podían fabricar con haz de electrones de alta velocidad e-vigas eran de 25 nanómetros de diámetro, apenas mejor que los sistemas de la fotolitografía experimental de 32 nanómetros que los fabricantes habían  puesto de manifiesto. En un próximo número de la revista Microelectronic Engineering, sin embargo, los investigadores del  Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE) del MIT presentan una forma de obtener la resolución de la alta velocidad de litografía por haz de electrones hasta apenas nueve nanómetros. Combinado con otras tecnologías emergentes, podrían señalar el camino hacia convertir la litografía por haz de electrones en una técnica de producción en masa.

La forma más intuitiva para los fabricantes de mantener la reducción en chip es cambiar a longitudes de onda de la luz más cortas- lo que se conoce en la industria como ultravioleta extremo. Pero eso es más fácil decirlo que hacerlo. "Debido a que la longitud de onda es muy pequeña, la óptica [son] todas diferentes", dice Víctor Manfrinato, un estudiante graduado del RLE y primer autor del nuevo documento. "Así que los sistemas son mucho más complicados ... [y] la fuente de luz es muy ineficiente."

La luz visible, ultravioleta y la litografía por haz de electrones, todos usan el mismo enfoque general. Los materiales que componen un chip se depositan en capas. Cada vez que se coloca una nueva capa, se cubreo con un material llamado "resistente". Como un trozo de papel fotográfico, el "resistente" está expuesto - a la luz o a un haz de electrones - en un patrón cuidadosamente prescrito. El "resistente" no expuesto  y  la parte de abajo del material, se  graban aparte, mientras que el "resistente" expuesto protege el material que cubre. La repetición de este proceso construye gradualmente una estructura tridimensional en la superficie del chip.

La principal diferencia entre la litografía por haz de electrones y la fotolitografía es la fase de exposición. En la fotolitografía, la luz brilla a través de una plantilla patrón, llamada máscara, golpeando toda la superficie del chip a la vez. Con la litografía por haz de electrones, por otro lado, un haz de electrones escanea la superficie del "resistente", fila por fila, una operación que necesita más tiempo.

Una forma de mejorar la eficiencia de la litografía por haz de electrones es el uso de múltiples haces de electrones a la vez, pero todavía queda el problema de cuanto tiempo tiene que estar un rayo enfocando en cada punto de la superficie del "resistente". Ese es el problema que los investigadores del MIT tratan de resolver.

Cuanto menos electrones se necesitan para exponer un punto del "resistente", más rápido se podrá mover el haz de electrones. Pero reducir el número de electrones significa disminuir la energía del haz, y un menor número de electrones tienden a la "dispersión" más que los electrones de alta energía a medida que pasan a través del resistente, la difusión más lejos cuanto más profundo se van. Para reducir la dispersión, los sistemas e-beam generalmente usan rayos de alta energía, pero esto requiere que los "resistentes" se adapten a mayores dosis de electrones.

Manfrinato, un miembro del grupo de  Nanoestructuras cuánticas y Nanofabricación del RLE y  y el líder del grupo, Karl Berggren, junto con el profesor de ingeniería eléctrica Henry Smith, y los estudiantes de postgrado Lin Lee Cheong y Donald Winston, y el estudiante Huigao Duan, todos del RLE - utilizaron dos trucos para mejorar la resolución de la litografía de haz de electrones de alta velocidad. El primero consistía en utilizar un diluyente de la capa de resistente, para minimizar la dispersión de electrones. La segunda consistía en utilizar una solución que contenía sal de mesa común para "desarrollar" el resistente, endureciendo las regiones que recibieron un poco más de electrones, pero no aquellos que recibieron un poco menos.

Pieter Kruit, un profesor de física en la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos y co-fundador de Mapper, una empresa que ha construido sistemas de litografía, con 110 haces de electrones en paralelo, dice que además de ser más rápido, los sistemas de haz de electrones que emiten dosis más pequeñas de electrones son mucho más fáciles de construir. Cuanto mayor sea la dosis de electrones, más energía consume el sistema, y se necesita mayor aislamiento entre los electrodos. "Eso requiere tanto espacio que es imposible construir un instrumento", dice Kruit.

Kruit duda de que los fabricantes utilizarán exactamente el resistente que los investigadores del MIT usanron en sus experimentos. Aunque el objetivo de los investigadores fue encontrar un resistente que respondiese a pequeñas dosis de electrones, el que usaron en realidad es "un poco demasiado sensible", dice Kruit: La cantidad de electricidad que proporciona un electrodo en la superficie de un chip puede variar ligeramente, explica, y si el resistente es demasiado sensible a las variaciones, la anchura del chip puede variar también. "Pero eso es una cuestión de modificar el resitente un poco, y eso es lo que las empresas de resistente hacen todo el tiempo", añade.


Escrito por Larry Hardesty, MIT News Office