Si todo sale como han previsto IBM y TSMC, en 2023 arrancará la producción a gran escala de semiconductores utilizando fotolitografía de 2 nm. Esta tecnología de integración está, literalmente, a la vuelta de la esquina. Y probablemente los otros grandes fabricantes de semiconductores no tardarán mucho más en introducir en algunas de sus plantas este proceso fotolitográfico.
Cuando hablamos de la producción de semiconductores es inevitable que todos pensemos en TSMC, Samsung, Intel y GlobalFoundries. Al fin y al cabo estas son las compañías que acaparan buena parte de la producción mundial de chips. Sin embargo, todas ellas utilizan la tecnología desarrollada por una empresa europea mucho menos conocida, y que, sin duda alguna, tiene mucho que decir en este mercado: ASML.
Como os contamos en el artículo que enlazo aquí mismo, esta compañía de Países Bajos está participada por Philips, y diseña y fabrica los equipos fotolitográficos que utilizan la mayor parte de los fabricantes de semiconductores en sus instalaciones. De hecho, las cuatro empresas que he mencionado en el párrafo anterior son sus clientes.
La proximidad de la litografía de 2 nm nos coloca irremediablemente un paso más cerca del límite físico impuesto por la tecnología del silicio, por lo que estamos en un momento idóneo para repasar la ecuación que refleja cuáles son los parámetros que condicionan la miniaturización de los elementos que dan forma a un circuito integrado.
El criterio de Rayleigh, explicado
La ecuación en la que estamos a punto de indagar es la biblia de ASML. No exagero lo más mínimo. De hecho, es algo que los investigadores de esta compañía reconocen sin titubear. Esta es la razón por la que merece la pena que la repasemos con el único propósito de conocer, como he mencionado unas líneas más arriba, qué parámetros condicionan el desarrollo de la tecnología de integración. Esta es la ecuación conocida como criterio de Rayleigh:
A bote pronto parece una fórmula complicada, pero, en realidad, no lo es tanto si conocemos qué representa cada uno de los términos de la ecuación. Os propongo que los repasemos uno a uno de izquierda a derecha. El primero de ellos, 'CD', procede de la expresión inglesa critical dimension, e identifica en qué medida es posible miniaturizar los componentes que conforman un circuito integrado.
Como podemos intuir, este es el parámetro que los fabricantes de semiconductores quieren reducir a toda costa. De hecho, todos ellos, y en especial ASML, dedican una cantidad ingente de recursos al desarrollo de las tecnologías que permiten refinar la dimensión crítica, lo que nos invita a echar un vistazo a la expresión que tenemos en la parte derecha de la igualdad matemática.
Los fabricantes de semiconductores dedican una cantidad ingente de recursos al desarrollo de las tecnologías que permiten refinar la dimensión crítica ('CD')
El factor 'k₁' es un coeficiente que está delimitado por los parámetros físicos que condicionan el proceso de fabricación de semiconductores. Lo que nos interesa tener en cuenta es que el límite físico que impone la fotolitografía del silicio es 'k₁ = 0,25', por lo que, como podemos intuir, los fabricantes hacen todo lo que está en su mano para refinar su tecnología y aproximar este coeficiente tanto como sea posible a este valor límite.
El siguiente parámetro, identificado por la letra griega lambda ('λ'), nos indica cuál es la longitud de onda de la luz utilizada en el proceso de fabricación de los semiconductores. Uno de los desafíos más importantes a los que se enfrentan las compañías de las que estamos hablando consiste, precisamente, en reducir la longitud de onda de la luz para, así, incrementar la resolución del proceso fotolitográfico.
No obstante, cada paso hacia delante que dan en este camino requiere poner a punto nuevos equipos litográficos, nuevas fuentes de luz (generalmente se utiliza luz ultravioleta), nuevos elementos ópticos, nuevos materiales fotorresistentes, y también un nuevo procedimiento de fabricación. En definitiva, cada vez que una planta reduce la longitud de onda de la luz que proyecta sobre sus obleas se ve obligada a cambiar la mayor parte de su equipamiento y su proceso de fabricación.
Cada paso hacia delante requiere poner a punto nuevos equipos litográficos, fuentes de luz, elementos ópticos, etc.
El último ingrediente de la receta en el que nos interesa indagar es el parámetro 'NA' (numerical aperture), que identifica el valor de apertura de la óptica utilizada por el equipo litográfico. En este contexto este parámetro refleja esencialmente lo mismo que el valor de apertura cuando hablamos de la óptica de una cámara de fotos, por lo que condiciona la cantidad de luz que los elementos ópticos son capaces de recoger. Como podemos intuir, cuanta más luz recaben, mejor.
Como colofón, la conclusión a la que podemos llegar después de analizar la información que nos entrega el criterio de Rayleigh es que para incrementar la resolución de su proceso fotolitográfico los productores de semiconductores se ven obligados a refinar los tres parámetros que coexisten en la expresión de la parte derecha de la ecuación.
Cuando TSMC, Intel, Samsung o GlobalFoundries, entre otros fabricantes de semiconductores, anuncian que tienen a punto una nueva tecnología de integración lo que nos están diciendo entre líneas es que han conseguido reducir la longitud de onda de la luz que utilizan en sus procesos litográficos, refinar sus elementos ópticos para incrementar su capacidad de recoger luz, y posiblemente también que han logrado acercarse un poco más al límite físico que impone la fotolitografía del silicio. A ese 'k₁ = 0,25'. Ni más ni menos.
Imagen de portada: ASML
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