Un paso a paso (también conocido como paso a paso de oblea ) es un dispositivo utilizado en la fabricación de circuitos integrados (CI). Es una parte esencial del proceso de fotolitografía , que crea millones de elementos de circuito microscópicos en la superficie de las obleas de silicio a partir de las cuales se fabrican los chips. Su funcionamiento es similar al de un proyector de diapositivas o una ampliadora fotográfica . Los circuitos integrados que se fabrican forman el corazón de los procesadores de las computadoras , los chips de memoria y muchos otros dispositivos electrónicos.
Stepper es la abreviatura de cámara de paso y repetición.
El paso a paso surgió a finales de los años 1970, pero no se generalizó hasta los años 1980. Esto se debía a que estaba reemplazando una tecnología anterior, el alineador de mascarillas . Los alineadores tomaron imágenes de toda la superficie de una oblea al mismo tiempo, produciendo muchos chips en una sola operación. Por el contrario, el paso a paso solo tomaba imágenes de un chip a la vez y, por lo tanto, su funcionamiento era mucho más lento. El paso a paso finalmente desplazó al alineador cuando las fuerzas implacables de la Ley de Moore exigieron que se utilizaran tamaños de características más pequeños. Debido a que el paso a paso tomaba imágenes de solo un chip a la vez, ofrecía una resolución más alta y fue la primera tecnología en exceder el límite de 1 micrón. La adición de sistemas de alineación automática redujo el tiempo de configuración necesario para crear imágenes de múltiples circuitos integrados y, a fines de la década de 1980, el paso a paso había reemplazado casi por completo al alineador en el mercado de alta gama.
El paso a paso fue reemplazado por sistemas de paso y escaneo (escáneres), que ofrecían un avance de resolución adicional de un orden de magnitud . Los sistemas de paso y escaneo funcionan escaneando solo una pequeña porción de la máscara en busca de un CI individual y, por lo tanto, requieren tiempos de operación mucho más prolongados que los motores paso a paso originales. Los sistemas de paso y escaneo se generalizaron durante la década de 1990 y fueron esencialmente universales en la década de 2000. Hoy en día, los sistemas de paso y escaneo están tan extendidos que a menudo se les llama simplemente pasos. Un ejemplo de sistema paso a paso es el PAS 5500 de ASML .
1957: Los intentos de miniaturizar los circuitos electrónicos comenzaron en 1957, cuando Jay Lathrop y James Nall, de los Diamond Ordnance Fuse Laboratories del ejército de EE. UU ., obtuvieron una patente US2890395A para una técnica fotolitográfica que podía usarse para depositar tiras metálicas de película delgada que a su vez solían conecte transistores discretos en una placa de cerámica. También se utilizó para grabar agujeros en las capas de dióxido de silicio (SiO 2 ) para microfabricar conjuntos de diodos. Posteriormente, en 1959, Lathrop pasó a Texas Instruments , trabajando para Jack Kilby , y Nall se unió a Fairchild Semiconductor . [1]
1958: Basándose en sus trabajos, Jay Last y Robert Noyce de Fairchild Semiconductor construyeron una de las primeras cámaras de «paso y repetición» que repetía patrones idénticos de los transistores en una sola oblea mediante fotolitografía. [1]
1959: (O a más tardar 1961); La división David W. Mann de GCA Corporation se convirtió en la primera empresa en fabricar dispositivos comerciales de reducción de máscara de repetición y paso llamados fotorrepetidores, que fueron los predecesores de los modernos fotolitografía paso a paso. [2] [3] Posteriormente, la empresa se vendió a GCA Corporation /Mann y Perkin Elmer. [2]
1970: la empresa Cobilt fue fundada por un grupo de tres ingenieros de Alemania e Inglaterra (de Kasper Instruments) y un vendedor , Peter Wolken. La empresa fabricó lo que más tarde se llamaría máquinas de litografía o wafer steppers, en aquel momento denominadas alineadores de máscaras . [a] [5] El rendimiento de esta máquina fue de una oblea de 2 pulgadas de ancho a la vez. [4] : 2–3
La Cobilt, que también comerciaba en el extranjero y tenía plantas en Asia (Hong-Kong, Corea, etc.), en Europa estuvo representada originalmente por una empresa llamada Advanced Semiconductor Materials (ASM) dirigida por Arthur del Prado en Holanda , quien fundaron la ASML a mediados de los años 1960. [4] : 7
Alrededor de 1971, Computervision adquirió el Cobilt , que tenía una máquina Cobilt muy automatizada. [4] : 2–3
1973: Perkin-Elmer introdujo el alineador de proyección Micralign . [6] [7] Ayudó a disminuir la cantidad de chips defectuosos que resultaron en bajos rendimientos e impulsó enormemente la industria de circuitos integrados al ayudar a reducir los precios de los chips.
GCA presentó el primer paso a paso exitoso, el DSW 4800, en 1975. Podía alcanzar dimensiones críticas de 1 micrón, mejor que cualquier otro sistema en ese momento. [8]
Los circuitos integrados (CI) se producen en un proceso conocido como fotolitografía. El proceso comienza con un gran cristal cilíndrico altamente purificado del material semiconductor conocido como bola . Se cortan rodajas finas de la bola para formar discos y luego se someten a un procesamiento y tratamiento inicial para crear una oblea de silicio en blanco .
Los elementos del circuito que se crearán en el IC se reproducen en un patrón de áreas transparentes y opacas en la superficie de una placa de vidrio o plástico llamada fotomáscara o retícula. La oblea está recubierta con un material fotosensible llamado fotorresistente . La máscara se coloca sobre la oblea y se proyecta una luz brillante, normalmente ultravioleta , a través de la máscara. La exposición a la luz hace que las secciones de la resistencia se endurezcan o ablanden, según el proceso.
Después de la exposición, la oblea se revela como una película fotográfica, lo que hace que el fotorresistente se disuelva en ciertas áreas de acuerdo con la cantidad de luz que recibieron las áreas durante la exposición. Estas áreas de fotorresistente y sin fotorresistente reproducen el patrón en la retícula. La oblea revelada se expone luego a disolventes . El disolvente elimina el silicio de las partes de la oblea que ya no están protegidas por el revestimiento fotorresistente. Se utilizan otros productos químicos para cambiar las características eléctricas del silicio en las áreas desnudas.
Luego, la oblea se limpia, se recubre con fotorresistente y luego se pasa nuevamente por el proceso en un proceso que crea el circuito en el silicio, capa por capa. Una vez que se completa todo el proceso, la oblea se corta en chips individuales, se prueba y se empaqueta para la venta.
Antes de los steppers, las obleas se exponían mediante alineadores de máscara , que modelaban toda la oblea a la vez. Las máscaras para estos sistemas contendrían muchos circuitos integrados individuales distribuidos a lo largo de la máscara. Entre cada paso, el operador usaría un microscopio para alinear la oblea con la siguiente máscara que se aplicará. Durante la década de 1970, los alineadores generalmente funcionaban con un aumento de uno a uno, lo que limitaba la cantidad de detalles de la oblea a aproximadamente lo que se podía producir en la máscara.
A medida que los tamaños de las características se redujeron, siguiendo la ley de Moore , la construcción de estas complejas máscaras de múltiples chips se volvió muy difícil. En 1975, GCA presentó la primera cámara de paso y escaneo, que simplificó el proceso de fabricación de máscaras. En este sistema, se produjo a gran escala una máscara monoparental, conocida como retícula , para que pudiera ser mecánicamente robusta. Esto se tomó a través de un proyector fotográfico, reduciendo la imagen proyectada de 5 a 10 veces. El mecanismo fotografió la retícula en una placa fotográfica, movió la retícula a otra posición y repitió este proceso. El resultado fue una máscara que contenía muchas imágenes precisas del patrón de retícula original.
GCA continuó el desarrollo del hardware como un sistema directo a la oblea, eliminando la necesidad de producir una máscara a partir de la retícula y, en su lugar, utilizando la retícula para exponer la oblea directamente. Debido a que la retícula estaba a una escala mucho mayor que la imagen final, la resolución podría mejorarse, ya que anteriormente estaba limitada a la resolución de la propia máscara. Para modelar toda la oblea, la máscara se mueve o se pasa repetidamente a lo largo de la superficie de la oblea. Esto requiere que el mecanismo paso a paso sea increíblemente preciso y exija una alineación precisa. El proceso de alineación normalmente está automatizado, eliminando la operación manual. Como cada exposición dura tanto como toda la máscara de un alineador, los pasos son intrínsecamente más lentos de usar que los alineadores, por lo que los alineadores siguen utilizándose para funciones en las que no se requieren resoluciones más altas.
Los motores paso a paso aumentaron la resolución posible muchas veces respecto a la de los alineadores y fueron los primeros sistemas en permitir características de menos de 1 micrón. Sin embargo, el implacable impulso de la ley de Moore empujó a la industria hasta el punto en que ni siquiera los aumentos máximos posibles en el sistema de proyección fueron suficientes para seguir reduciendo el tamaño de las características. Esto llevó a la introducción en 1990 de los sistemas de paso y escaneo, que combinan un sistema paso a paso con un escáner que toma imágenes solo de una parte de la máscara a la vez. Esto permite enfocar mucho mejor la pequeña parte de la máscara, aunque también hace que el proceso de producción de circuitos integrados sea mucho más lento. A partir de 2008, los sistemas de paso y escaneo son los sistemas más utilizados para la fabricación de dispositivos semiconductores de alta gama .
Un paso a paso típico tiene los siguientes subconjuntos: cargador de oblea, etapa de oblea, sistema de alineación de oblea, cargador de retícula, etapa de retícula, sistema de alineación de retícula, lente reductora y sistema de iluminación. Los programas de proceso para cada capa impresa en la oblea son ejecutados por un sistema de control centrado en una computadora que almacena el programa de proceso, lo lee y se comunica con los diversos subconjuntos del paso a paso para llevar a cabo las instrucciones del programa. Los componentes del paso a paso están contenidos en una cámara sellada que se mantiene a una temperatura precisa para evitar distorsiones en los patrones impresos que podrían ser causadas por la expansión o contracción de la oblea debido a las variaciones de temperatura. La cámara también contiene otros sistemas que apoyan el proceso, como aire acondicionado , fuentes de alimentación , tableros de control de los distintos componentes eléctricos, entre otros.
Las obleas de silicio se recubren con fotorresistente y se colocan en un casete o "bote" que contiene varias obleas. Luego se coloca en una parte del paso a paso llamada cargador de obleas , generalmente ubicado en la parte frontal inferior del paso a paso.
Un robot en el cargador de obleas toma una de las obleas del casete y la carga en la plataforma de obleas donde se alinea para permitir otro proceso de alineación más fino que ocurrirá más adelante.
El patrón del circuito de cada chip está contenido en un patrón grabado en cromo en la retícula, que es una placa de cuarzo transparente . Una retícula típica utilizada en motores paso a paso mide 6 pulgadas cuadradas y tiene un área utilizable de 104 mm por 132 mm.
Una variedad de retículas, cada una apropiada para una etapa del proceso, están contenidas en un estante en el cargador de retículas , generalmente ubicado en la parte frontal superior del paso a paso. Antes de exponer la oblea, un robot carga una retícula en la plataforma de la retícula , donde también se alinea con mucha precisión. Dado que se puede utilizar la misma retícula para exponer muchas obleas, se carga una vez antes de exponer una serie de obleas y se realinea periódicamente.
Una vez que la oblea y la retícula están en su lugar y alineadas, la etapa de la oblea, que se mueve con mucha precisión en las direcciones X e Y (de adelante hacia atrás y de izquierda a derecha) mediante tornillos sin fin o motores lineales , transporta la oblea de modo que la primera de Los numerosos patrones (o "disparos") que se exponen se encuentran debajo de la lente, directamente debajo de la retícula.
Aunque la oblea se alinea después de colocarla en la etapa de oblea, esta alineación no es suficiente para garantizar que la capa de circuito que se va a imprimir en la oblea se superponga exactamente a las capas anteriores que ya están allí. Por lo tanto, cada disparo se alinea utilizando marcas de alineación especiales que se encuentran en el patrón de cada chip IC final. Una vez que se completa esta fina alineación, la toma se expone a la luz del sistema de iluminación del paso a paso que pasa a través de la retícula, a través de una lente reductora y hasta la superficie de la oblea. Un programa de proceso o "receta" determina la duración de la exposición, la retícula utilizada, así como otros factores que afectan la exposición.
Cada disparo se ubica en un patrón de cuadrícula en la oblea y se expone a su vez a medida que la oblea avanza y retrocede debajo de la lente. Cuando todas las tomas de la oblea están expuestas, el robot cargador de oblea descarga la oblea y otra oblea ocupa su lugar en el escenario. La oblea expuesta eventualmente se mueve a un revelador donde el fotorresistente en su superficie se expone a químicos de revelado que eliminan áreas del fotorresistente, dependiendo de si estuvieron expuestas o no a la luz que pasa a través de la retícula. La superficie revelada se somete luego a otros procesos de fotolitografía .
La mayor limitación a la capacidad de producir líneas cada vez más finas en la superficie de la oblea ha sido la longitud de onda de la luz utilizada en el sistema de exposición. A medida que las líneas requeridas se han vuelto cada vez más estrechas, se han puesto en servicio fuentes de iluminación que producen luz con longitudes de onda cada vez más cortas en motores paso a paso y escáneres. Una alternativa a la litografía convencional basada en luz es la litografía por nanoimpresión . [9]
La capacidad de un sistema de exposición, como un paso a paso, para resolver líneas estrechas está limitada por la longitud de onda de la luz utilizada para la iluminación, la capacidad de la lente para capturar la luz (o en realidad órdenes de difracción ) que llega en ángulos cada vez más amplios (llamados apertura numérica o NA), y diversas mejoras en el propio proceso. Esto se expresa mediante la siguiente ecuación:
es la dimensión crítica, o línea más fina resoluble, es un coeficiente que expresa factores relacionados con el proceso, es la longitud de onda de la luz y es la apertura numérica. Disminuir la longitud de onda de la luz en el sistema de iluminación aumenta el poder de resolución del paso a paso.
Hace veinte años, [ ¿cuándo? ] la "línea g" (436 nm) del espectro de mercurio se utilizó para crear líneas en el rango de 750 nm en motores paso a paso que empleaban lámparas de mercurio como fuente de iluminación. Varios años más tarde , se introdujeron sistemas que empleaban la "i-line" ultravioleta (365 nm) de lámparas de mercurio para crear líneas tan bajas como 350 nm. A medida que los anchos de línea deseados se acercaban y eventualmente se volvían más estrechos que la longitud de onda de la luz utilizada para crearlos, se desarrolló una variedad de técnicas de mejora de la resolución para hacer esto posible, como retículas de cambio de fase y varias técnicas para manipular los ángulos de la luz de exposición. para maximizar el poder de resolución de la lente.
Sin embargo, con el tiempo, los anchos de línea deseados se volvieron más estrechos de lo que era posible usando lámparas de mercurio, y cerca de mediados de la década de 2000, la industria de los semiconductores avanzó hacia máquinas paso a paso que empleaban láseres excímeros de fluoruro de criptón (KrF) que producían luz de 248 nm. Actualmente, estos sistemas se utilizan para producir líneas en el rango de 110 nm. Las líneas de tan solo 32 nm se están resolviendo mediante motores paso a paso con capacidad de producción que utilizan láseres excímeros de fluoruro de argón (ArF) que emiten luz con una longitud de onda de 193 nm. Aunque se encuentran disponibles láseres de fluoruro (F2) que producen luz de 157 nm, no son prácticos debido a su baja potencia y porque degradan rápidamente el fotorresistente y otros materiales utilizados en el paso a paso.
Dado que no se disponía de fuentes de luz prácticas con longitudes de onda más estrechas que estos láseres, los fabricantes han buscado mejorar la resolución reduciendo el coeficiente del proceso . Esto se logra mejorando aún más las técnicas para manipular la luz a medida que pasa a través del sistema de iluminación y la retícula, así como también mejorando las técnicas para procesar la oblea antes y después de la exposición. Los fabricantes también han introducido lentes cada vez más grandes y caras como medio para aumentar la apertura numérica. Sin embargo, estas técnicas se están acercando a su límite práctico y los anchos de línea en el rango de 45 nm parecen estar cerca de lo mejor que se puede lograr con el diseño convencional.
En última instancia, habrá que utilizar otras fuentes de iluminación, como haces de electrones , rayos X o fuentes similares de energía electromagnética con longitudes de onda mucho más cortas que la luz visible . Sin embargo, para retrasar lo más posible el enorme gasto y la dificultad de adoptar un tipo completamente nuevo de tecnología de iluminación, los fabricantes han recurrido a una técnica, anteriormente utilizada en microscopios , para aumentar la apertura numérica de la lente permitiendo que la luz pasar por agua en lugar de aire . Este método, llamado litografía por inmersión , es la vanguardia actual de la tecnología de producción práctica. Funciona porque la apertura numérica es función del ángulo máximo de luz que puede entrar en la lente y del índice de refracción del medio por el que pasa la luz. Cuando se emplea agua como medio, aumenta considerablemente la apertura numérica, ya que tiene un índice de refracción de 1,44 a 193 nm, mientras que el aire tiene un índice de 1,0003. Las máquinas de producción actuales que emplean esta tecnología son capaces de resolver líneas en el rango de 32 nm, [10] y eventualmente pueden lograr líneas de 30 nm.
Los escáneres modernos son motores paso a paso que aumentan la longitud del área expuesta en cada toma (el campo de exposición) moviendo la etapa de retícula y la etapa de oblea en direcciones opuestas entre sí durante la exposición. En lugar de exponer todo el campo a la vez, la exposición se realiza a través de una "rendija de exposición" que es tan ancha como el campo de exposición, pero sólo una fracción de su longitud (como una rendija de 9x25 mm para un campo de 35x25 mm). La imagen de la rendija de exposición se escanea en todo el área de exposición.
Esta técnica tiene varios beneficios. El campo se puede exponer con una reducción menor de tamaño desde la retícula hasta la oblea (como una reducción de 4x en un escáner, en comparación con una reducción de 5x en un paso a paso), al tiempo que se permite un tamaño de campo mucho mayor que el que se puede exponer con un paso a paso típico. Además, las propiedades ópticas de la lente de proyección se pueden optimizar en el área a través de la cual pasa la imagen de la rendija de proyección, mientras que las aberraciones ópticas se pueden ignorar fuera de esta área, porque no afectarán el área expuesta de la oblea.
El escaneo exitoso requiere una sincronización extremadamente precisa entre la retícula móvil y las etapas de la oblea durante la exposición. Lograr esto presenta muchos desafíos tecnológicos.
Fabricantes de pasos :
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