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Nueva tecnología extenderá la vida de la Ley de Moore.

La litografía EUV finalmente está lista para la fabricación de chips

Última Actualización en: marzo 27, 2018

“Una planta es como un iceberg”, alguien me dice. No sé a quién, porque todos estamos cubiertos de pies a cabeza con ropa de sala limpia. Una gira por la planta #8 de GlobalFoundries en Malta, N.Y., ciertamente refuerza esa analogía: Acabamos de salir del ” la sub-planta”, los 10 metros de espacio vertical bajo el piso, donde las tuberías y los cables serpentean desde cada una de las herramientas de fabricación de semiconductores de arriba a un conjunto de manipuladores químicos automatizados, analizadores de agua, acondicionadores de energía y, en el caso de la unidad, he venido a ver láseres de clase kilovatio.

El sistema láser ocupa de 15 a 20 metros cuadrados de los 80 metros cuadrados del espacio requerido para una sola máquina. Aproximadamente a la mitad de un proceso de ensamblaje de seis semanas de alucinante complejidad, el equipo que constituye la punta del iceberg es una aglomeración del tamaño de una casa de tubos metálicos brillantes, cámaras opacas y cableado. Media docena de técnicos vestidos de conejito se mueven alrededor del gigante, investigando y conectando cosas en un procedimiento cuidadosamente coreografiado.

La máquina gigante que recoge toda esta atención es una herramienta de litografía ultravioleta extrema. Durante más de una década, la industria de fabricación de semiconductores ha estado esperando alternativamente que EUV pueda salvar la Ley de Moore y desesperando de que la tecnología nunca llegue. Pero finalmente está aquí, y no es demasiado pronto.

Samsung fue el primero en afirmar que estará listo para producir chips para los clientes que utilizan herramientas EUV, diciendo que eso sucederá en la segunda mitad de 2018. Pero sus competidores GlobalFoundries, Taiwan Semiconductor Manufacturing Co (TSMC) e Intel están claramente en camino de hacer lo mismo en uno o dos trimestres.

Intel no revelará nada sobre su hoja de ruta, diciendo a través de un portavoz, “Estamos comprometidos a poner en producción EUV tan pronto como la tecnología esté lista a un costo efectivo”. Pero el analista de VLSI Research G. Dan Hutcheson señala que Intel ha adquirido más herramientas EUV que cualquier otra empresa.

GlobalFoundries, Samsung y TSMC han sido más comunicativos y parecen estar siguiendo el mismo modelo. Cada uno de ellos está introduciendo EUV en una segunda iteración de un proceso de fabricación de 7 nanómetros -el nodo de 7 nm, como se le llama- que habrá durado hasta un año utilizando la tecnología pre-EUV.

El pensamiento es claramente que dos grandes cambios serían demasiado para manejar. Gary Patton, director de tecnología de GlobalFoundries, describe el proceso de 7 nm incluso sin EUV como “un deporte extremo”. Si las cosas funcionan y las fundiciones pueden mantener la herramienta en funcionamiento el 80 por ciento del tiempo o más, lo que tanto GlobalFoundries como TSMC dicen que pueden hacer, EUV hará que el proceso de 7 nm sea más simple y barato. Para entender por qué, sin embargo, hay que tener un buen conocimiento de cómo se hace ahora la fabricación de chips.

“La litografía es el corazón de la fábrica”, dice Thomas Caulfield, vicepresidente senior y director general de Fab 8 de GlobalFoundries. Las obleas de silicio tienen que hacer muchas paradas a lo largo del camino en su transformación de blanks lisos a platos iridiscentes repletos de microprocesadores de 13.000 millones de transistores. Y muchas de esas paradas tienen lugar dentro de una herramienta de fotolitografía.

El proceso de vanguardia actual se denomina litografía por inmersión de 193 nm. Como su nombre indica, la luz con una longitud de onda de 193 nm brilla a través de una superficie estampada llamada fotomáscara. Este proceso vierte el patrón a través del agua en la oblea de silicio, donde se fija con un producto químico fotosensible y luego se graba al aguafuerte en la oblea. El problema es que la luz no puede definir directamente características más pequeñas que su propia longitud de onda. Y 193 nm es mucho más largo que el tamaño de las características que necesitan los chips modernos. Hoy en día se necesita una gran cantidad de trucos ópticos y soluciones para compensar la diferencia. El más costoso de ellos es el uso de hasta tres o cuatro fotomáscaras diferentes para producir un único patrón en un chip. Con los procesadores más complejos de hoy en día, eso significa que una oblea podría necesitar unos 80 viajes a través de la herramienta de litografía.

La razón de ser de la litografía EUV es que utiliza una luz de 13,5 nm, que se acerca mucho más al tamaño de las características finales que se van a imprimir. Con él, los fabricantes pueden convertir tres o cuatro pasos de litografía en uno solo. Para su proceso EUV de 7 nm, GlobalFoundries reemplazará 15 pasos por sólo 5. John Lin, director de equipos de litografía y tecnología de máscaras de TSMC, dice que su compañía planea una reducción similar.

Aunque eso hará que el trabajo a 7 nm sea más rápido y barato, es en los nodos más allá donde EUV será absolutamente crucial. “Si no se usara el EUV durante 5 nm, serían más de 100[pasos litograficos]”, dice Patton. “Eso sería una locura.”

Patton lo hace sonar como si la litografía EUV hubiera llegado justo a tiempo, y en cierto modo lo ha hecho. Pero ha sido un viaje de décadas con muchos momentos en que uno u otro experto lo declaró muerto. Su llegada a la producción todavía parece un poco increíble para algunos observadores.

Según Hutcheson de VLSI, el largo retraso no debería ser tan sorprendente. “La tecnología principal lleva mucho más tiempo de lo que nadie esperaría”, dice. A pesar de usar diferentes fuentes de luz a lo largo del camino, la litografía realmente no ha tenido un cambio en la tecnología tan fundamental desde la década de 1980, argumenta.

A lo largo de la mayor parte de la historia de EUV, el principal problema ha sido la fuente de luz, y considerando su complejidad, no es de extrañar. En una cámara de vacío en uno de los extremos de la máquina, gotas microscópicas de estaño fundido se disparan en una corriente cuando dos ráfagas de láser golpean cada una de ellas secuencialmente. La primera golpea las gotas con tanta precisión que se aplastan en discos nebulosos. El segundo los explota con tanta potencia que se convierten en pequeñas bolas de plasma que brillan con luz EUV.

Los desarrolladores de fuentes de luz no pudieron proporcionar la energía necesaria durante años, y siempre prometieron demasiado y entregaron poco. Pero ahora las preocupaciones sobre la fuente de luz han sido básicamente puestas a descansar. Una fuente capaz de emitir 205 vatios de luz está lista para ser enviada, y ASML ha demostrado 250 W en el laboratorio. “Estamos seguros de que el ASML alcanzará los 250 W en el campo en 2018”, dice Lin de TSMC.

Aunque la mayor parte de la luz se pierde en su viaje del multireflector a través de la máquina, ese vatiaje trabajará incluso para el nodo de 5 nm. Pero para 3 nm, los analistas piensan que los fabricantes de chips necesitarán 500 W, y tal vez 1.000 W un par de generaciones más adelante para 1 nm. La primera es posible gracias a una combinación de aumento de la potencia de los láseres de accionamiento, mejora de la eficiencia en la conversión de la energía láser en luz EUV, y una estabilidad y control más precisos. Pero esto último requeriría una cantidad absurda de poder. La herramienta EUV y sus láseres de propulsión asociados y otros equipos que vi en GlobalFoundries consumen alrededor de 1 megavatio para finalmente entregar unas pocas decenas de vatios de potencia luminosa a la oblea. Caulfield me dice que tuvieron que añadir un 10 por ciento a la fuente de alimentación de Fab 8 para acomodar las dos herramientas EUV que se instalarán en 2018.

Aunque el reto de la potencia se ha superado en gran medida, eso no quiere decir que la litografía EUV esté funcionando a la perfección. Todavía hay algunos problemas con las máscaras. Estas máscaras EUV se diferencian bastante de las utilizadas para la litografía de 193 nm en que reflejan la luz -utilizando docenas de capas a nanoescala compuestas de diferentes materiales- en lugar de transmitirla. En la práctica tienen imperfecciones, que son difíciles de detectar y evitar. Además, las cubiertas transparentes -llamadas películas- que normalmente protegen las máscaras de litografía del polvo no están completamente preparadas para la EUV.

Las peliculas son importantes porque, incluso dentro del ambiente ultralimpio dentro de la máquina EUV -que a su vez se encuentra en una sala limpia de última generación- todavía se genera algo de polvo en el proceso de fabricación. Una partícula que cae sobre la fotomáscara puede proyectar una sombra que mata el dispositivo en cada uno de los chips terminados y hacer que una máscara bastante cara no valga nada.

Por eso, en las herramientas de litografía actuales, la fotomáscara está cubierta por una película transparente. Piensa en ello como gafas de seguridad para la máscara. Pero las peliculas de hoy son opacas para EUV.

Para trabajar con EUV, las películas deben tener membranas extrafinas para hacerlas transparentes, pero deben ser lo suficientemente fuertes para soportar los choques mecánicos del movimiento normal de escaneo de la fotomáscara y los choques térmicos que vienen con las explosiones de radiación energética EUV.

Incluso sin una buena película en la mano, los fabricantes de chips están apostando a que con sólo unos pocos pasos EUV en el proceso, el riesgo de usar una máscara desnuda valdrá la pena. Esa solución no puede continuar una vez que los fabricantes de chips empiecen a confiar en EUV para más pasos, pero se están buscando soluciones. ASML, por ejemplo, ha probado un diseño para su uso con una fuente de luz EUV de 250 W. “El diseño de las peliculas tiene que evolucionar”, dice Vivek Bakshi, consultor de EUV. “No lo veo como un espectáculo.”

El problema más grave es que todavía no hay una buena manera de inspeccionar una fotomáscara para detectar defectos. Lo ideal sería usar luz EUV para escanear en busca de manchas que necesiten reparación. Pero esa tecnología, llamada inspección de máscaras con patrones actínicos, todavía está en marcha. Todo lo que los fabricantes de chips tienen ahora es un puñado de medidas provisionales. Una es utilizar las herramientas existentes que dependen de la luz de 193 nm. Pero en el nodo de tecnología de 7 nm, usar una longitud de onda tan grande es como tratar de leer braille con el codo: funciona, pero probablemente te pierdas algo. Las herramientas de inspección por haz de electrones tienen la resolución pero pueden ser lentas. ASML envió su primera herramienta de inspección por haz de electrones recientemente.

Los fabricantes de chips también pueden usar lo que llaman un “cheque de impresión”. Es decir, pegan la máscara en la herramienta de litografía EUV, produciendo una oblea de silicio estampada, e inspeccionan la propia oblea, un proceso que consume más tiempo y es más costoso de lo que les gustaría.

Sin embargo, los fabricantes de chips están avanzando. “La gente que adopta EUV está definiendo su uso, para que estas cosas no se interpongan en el camino”, dice Aki Fujimura, CEO de la empresa de tecnología de haz de electrones D2S y experto en la tecnología utilizada para escribir patrones en fotomáscaras.

Los expertos en tecnología esperan que algunos ingenieros muy inteligentes resuelvan pronto este y otros problemas restantes de la litografía EUV. De hecho, los diferentes fabricantes de chips probablemente se distinguirán por lo bien que pueden encontrar ingenieros que estén a la altura de la tarea. “Gastamos todo este dinero en las herramientas, pero si no tenemos las personas adecuadas, no podemos hacer esto”, dice Patton.

Este artículo aparece en la revista impresa de enero de 2018 como “EUV Lithography Finally Ready for Fabs”.

Este artículo fue corregido el 11 de enero para caracterizar correctamente las herramientas de máscaras de Samsung.

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