En estos momentos ASML está preparando el envío de su segundo equipo de litografía de ultravioleta extremo (UVE) y alta apertura (High-NA) a uno de sus clientes. Todavía no conocemos su identidad, pero lo que sí sabemos es que por ahora el único fabricante de semiconductores que ya tiene instalada una de estas complejísimas y carísimas máquinas en una de sus plantas es Intel. De hecho, la tiene en fase de pruebas en su fábrica de Hillsboro (EEUU).
Hace apenas unas horas hemos participado en una sesión técnica dirigida por los ingenieros de Intel que están operando esta máquina y nos han contado cosas interesantísimas. No obstante, antes de meternos en harina merece la pena que repasemos brevemente qué tenemos entre manos en este artículo. Un equipo de litografía UVE de alta apertura como el que tiene Intel en Hillsboro pesa tanto como dos Airbus A320 e incorpora más de 100.000 piezas, 3.000 cables, 40.000 pernos, y también más de 2 km de conexiones eléctricas.
Cada uno de ellos cuesta 350 millones de euros y los ingenieros de ASML han invertido una década en el desarrollo de la tecnología necesaria para poner a punto esta máquina, que, en realidad, es un equipo de litografía de ultravioleta extremo (UVE) de segunda generación. Un apunte interesante más: ASML envió a Intel este equipo, cuya denominación comercial es TWINSCAN EXE:5000, empaquetado en más de 250 cajas que fueron depositadas dentro de 43 contenedores de carga. Volaron hasta Seattle en varios aviones de carga, y desde ahí las trasladaron a su ubicación definitiva en Oregón utilizando 20 camiones. Toda una odisea.
Intel tiene un plan muy ambicioso para sacar partido a las máquinas UVE de alta apertura
Actualmente los ingenieros de Intel están enfrascados en el proceso de calibración del primer equipo UVE de alta apertura que ha pasado por sus manos. Presumiblemente durante los próximos meses esta compañía estadounidense comprará a ASML más máquinas de este tipo debido a que, como podemos intuir, una sola no será en absoluto suficiente para satisfacer sus necesidades de fabricación de semiconductores de muy alta integración. De hecho, ASML prevé entregar a sus clientes anualmente a partir de 2025 unos 20 equipos de este tipo.
Para desarrollar el equipo de litografía UVE de alta apertura los ingenieros de ASML han puesto a punto una arquitectura óptica muy avanzada que tiene una apertura de 0,55 frente al valor de 0,33 que tienen los equipos de litografía UVE de primera generación. Este refinamiento de la óptica permite transferir a la oblea patrones de mayor resolución, de ahí que sea posible fabricar chips empleando tecnologías de integración más avanzadas que las utilizadas actualmente en los nodos de 3 nm.
En el artículo que dedicamos al criterio de Rayleigh explicamos con mucho detalle en qué consiste el parámetro ‘NA’ (numerical aperture), pero en este texto por ahora nos basta saber que esta variable 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.
No obstante, esto no es todo. ASML también ha mejorado los sistemas mecánicos que se responsabilizan de la manipulación de las obleas con el propósito de hacer posible que una sola máquina UVE de alta apertura sea capaz de producir más de 200 obleas por hora. La fotografía de portada de este artículo nos permite intuir la extrema complejidad y la sofisticación que tiene uno de estos equipos, que, por cierto, no sería posible sin la cooperación de otras empresas, como la alemana ZEISS o Cymer, una compañía de origen estadounidense que actualmente está bien afianzada dentro de la estructura de ASML.
En 2025 Intel comenzará a realizar las primeras pruebas de producto empleando el equipo de litografía UVE de alta apertura
La diapositiva que publicamos debajo de estas líneas describe el itinerario que se ha marcado Intel hasta 2027 y contiene algo muy interesante: en 2025 comenzará a realizar las primeras pruebas de producto empleando el equipo de litografía UVE de alta apertura. Los primeros circuitos integrados fabricados con esta máquina saldrán del nodo 14A durante 2026, y en 2027 Intel pondrá en marcha una revisión presumiblemente mejorada de este nodo que recibirá el nombre 14A-E. Estos dos nodos marcarán el inicio de la fabricación de chips utilizando los nuevos equipos de litografía UVE y alta apertura de ASML.
Según Intel los equipos de litografía UVE de alta apertura ayudarán a los fabricantes de circuitos integrados que apuesten por ellos a sostener la ley de Moore durante más tiempo. Tanto ASML como Intel defienden que estas máquinas han sido diseñadas para ayudar a los fabricantes de semiconductores a incrementar la resolución de sus procesos litográficos sin que aumente la complejidad. En la práctica esta cualidad debería tener un impacto perceptible al alza en la productividad de los equipos, y, a la vez, a la baja en el coste de producción de los chips.
La siguiente diapositiva resume las que según Intel son las mayores fortalezas de los equipos de litografía UVE de alta apertura: los procesos litográficos serán más simples y requerirán menos pasos intermedios; la nueva tecnología de máscara estará alineada con el incremento de la resolución; será posible monitorizar el funcionamiento de cada máquina para optimizar su rendimiento, etc.
En cualquier caso, lo más interesante es que en teoría es mucho más sencillo, eficiente y barato producir semiconductores de alta integración empleando un equipo UVE de alta apertura que recurriendo al multiple patterning en una máquina de litografía menos avanzada. Esta técnica a grandes rasgos consiste en transferir el patrón a la oblea en varias pasadas con el propósito de incrementar la resolución del proceso litográfico. Puede tener un impacto al alza en el coste de los chips y a la baja en la capacidad de producción, pero funciona.
La siguiente diapositiva describe cómo ha mejorado la litografía durante las últimas cuatro décadas. El desarrollo que ha experimentado esta tecnología durante este tiempo es impresionante, pero para entender su repercusión en toda su magnitud nos interesa indagar en la ecuación que ejerce como la biblia de ASML. Es, precisamente, el criterio de Rayleigh que he mencionado unos párrafos más arriba. La ecuación la podéis ver en la esquina inferior izquierda de la diapositiva, y contiene todos los parámetros que condicionan el rendimiento de los equipos de litografía utilizados para fabricar circuitos integrados.
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.
La dimensión crítica (‘CD’) 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.
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.
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
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.
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. 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.
La última diapositiva de Intel en la que vamos a indagar contiene varias pistas interesantes. La primera en la que merece la pena que reparemos consiste en que el equipo de litografía UVE de alta apertura que tiene Intel en Hillsboro ya está completamente ensamblado. La fuente de radiación ultravioleta está lista para operar y los espejos que conforman el complejísimo bloque óptico de la máquina ya están alineados.
El equipo de litografía UVE de alta apertura que tiene Intel en Hillsboro ya está completamente ensamblado
Los ingenieros de Intel podrán poner en marcha la máquina y llevar a cabo las primeras pruebas a finales de este año, y, como hemos visto, en 2025 comenzarán las pruebas preliminares que persiguen fabricar circuitos integrados en el nodo 14A. Suena emocionante. Seguiremos la pista a esta máquina muy de cerca para manteneros al tanto de todos los avances.
