Fotolitografía
Proyecta un patrón con luz sobre un recubrimiento fotosensible y luego lo ataca
La fotolitografía imprime patrones sobre una oblea de silicio con luz, de forma muy parecida a revelar una foto a través de una plantilla. Dibuja los miles de millones de transistores y cables de un chip de ordenador, una capa cada vez. Cada chip de tu móvil pasó por ella docenas de veces.
Cómo funciona
Aplica la resina por centrifugado. La oblea ya lleva una capa fina que se va a modelar, como óxido de silicio o metal. Unas gotas de fotorresina (un plástico líquido sensible a la luz) caen sobre ella, y la oblea gira a miles de rpm, dejando una película uniforme de aproximadamente un micrómetro de espesor o menos. Un breve horneado la seca.
Alinea y expón. Una máscara (una placa de vidrio que lleva el patrón de una capa en cromo, también llamada retículo) se alinea con los patrones que ya hay en la oblea, con una precisión de unos pocos nanómetros en chips avanzados. La luz UV pasa por sus partes transparentes, y una lente reduce la imagen, normalmente cuatro veces, sobre la resina. La máquina, llamada stepper o scanner, repite esto campo a campo por toda la oblea.
Revela. Un líquido revelador baña la oblea. Con la fotorresina positiva más habitual, las zonas iluminadas se disuelven, dejando aberturas con la forma de las zonas transparentes de la máscara.
Ataca. En un atacador de plasma (una cámara de gas con carga eléctrica), el plasma corroe la capa solo donde la resina está abierta; en el resto la resina la protege. En lugar de atacarlas, las aberturas también pueden recibir material nuevo o átomos implantados.
Retira la resina. La resina sobrante se elimina con disolventes o con un plasma de oxígeno. El patrón ya existe en la propia capa.
Repite. Se añade una nueva capa y el ciclo vuelve a empezar con la siguiente máscara, cada patrón alineado con los de abajo. Un chip avanzado pasa por docenas de estos ciclos.
Datos clave
- Materiales
- Obleas de silicio recubiertas de fotorresina; también vidrio, semiconductores compuestos y placas de circuito
- Piezas típicas
- Patrones planos apilados capa a capa: transistores, cableado, sensores, planos posteriores de pantallas
- Tamaño de pieza
- Obleas de hasta 300 mm de diámetro; una exposición cubre un campo de aproximadamente 26 × 33 mm
- Precisión
- Aproximadamente un micrómetro con alineadores de laboratorio sencillos; decenas de nanómetros con luz láser de 193 nm; cerca de 10 nm con luz EUV (13,5 nm)
- Acabado superficial
- No deja textura propia; las obleas con patrones reluce con colores del arcoíris
- Tamaño de lote adecuado
- Producción en masa: un juego de máscaras sirve para miles de obleas, cada una con cientos a miles de chips
- Coste de utillaje y máquina
- Alineadores de máscaras de laboratorio: de decenas a cientos de miles de dólares; scanners EUV: cientos de millones; un juego de máscaras avanzado: millones
- Velocidad
- Un scanner de producción expone aproximadamente 100–300 obleas por hora, una capa cada una
Ventajas y límites
Ventajas
- Modela toda una oblea en paralelo: miles de millones de detalles a la vez
- Alcanza un detalle a escala nanométrica con los scanners modernos
- Muy repetible: la columna vertebral de toda la producción de chips
- Coste por transistor muy bajo a gran volumen
Límites
- Máquinas, máscaras y salas blancas extremadamente caras
- La longitud de onda de la luz limita el detalle más fino
- Solo capas planas; las estructuras 3D salen de apilar docenas de ellas
- Necesita salas sin polvo ni vibraciones bajo luz amarilla
Dónde se usa
- ElectrónicaProcesadores, chips de memoria, sensores de imagen de cámaras
- PantallasLa rejilla de transistores detrás de las pantallas LCD y OLED
- Sensores y MEMSAcelerómetros, micrófonos, sensores de presión
- FotónicaChips LED, diodos láser, guías de luz en chips
- Placas de circuitoPistas de cobre, modeladas con resina de película seca
- InvestigaciónDispositivos microfluídicos de «laboratorio en un chip»
Cómo reconocerlo
- Los patrones son invisibles al ojo. Las líneas más finas son miles de veces más delgadas que un cabello y necesitan un microscopio electrónico para verse. Se esconden dentro de cada chip de tu móvil, tu portátil y tu coche, y detrás de cada píxel de tu pantalla.
- Reflejos de arcoíris. Inclina una oblea desnuda o un dado de chip bajo la luz y destella colores del arcoíris: sus patrones regulares separan la luz como lo hace un CD.
- Salas con luz amarilla. En las fotos de fábricas, la zona de litografía brilla en amarillo, porque la resina ignora la luz amarilla.
- Placas de circuito. Las finas pistas de cobre de una placa de circuito verde también se definieron con luz a través de una máscara, a una escala mucho más gruesa.
Compáralo con
Míralo
TED-Ed · Una breve visión animada de la fabricación de chips y de dónde encaja la litografía
Branch Education · Animación 3D detallada de cada paso de la fábrica, incluido el scanner
Conformable Decoders · Fotolitografía real de laboratorio, paso a paso
ASML · Cómo generan los scanners más avanzados su luz EUV
Ver fotos reales
- Wikipedia: Fotolitografía — diagramas de los pasos y fotos de equipos de litografía
- Búsqueda de fotos en Wikimedia Commons
Recuerda
- La fotolitografía imprime de una vez una capa entera del chip, como revelar una foto a través de una plantilla.
- Recubre, expón, revela, ataca, retira, y luego repite: docenas de ciclos por chip.
- La luz de menor longitud de onda imprime detalles más finos, y por eso existen las máquinas EUV.
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