Cómo la luz, el plasma y el vapor trazan el camino de un circuito atómico

En el proceso de semiconductores de 2 nanómetros (nm), el ancho del trazado del circuito equivale al tamaño de aproximadamente 40 átomos dispuestos en línea ¹. A diferencia del concepto habitual de una “línea delgada”, que suele asociarse al grosor de un cabello (aprox. 80 µm, es decir, 80 000 nm) o a la escala de micrómetros, un ancho equivalente a 40 átomos representa una escala extrema, en contacto directo con el mundo atómico. Este ancho tan reducido no lo graba una sola máquina de precisión en una sola pasada; se logra mediante la operación alternada de tres tipos de equipos, que actúan decenas o incluso más de cien veces: un equipo que dibuja el boceto mediante luz, otro que talla el material con gas ionizado y un tercero que deposita el material capa por capa mediante vapor reactivo ².

Resulta más fácil comprender esta complejidad al considerar la estructura global de la fabricación de chips. Los semiconductores son materiales con propiedades intermedias entre conductores y aislantes, capaces de controlar el flujo eléctrico gracias a su banda prohibida (la brecha energética necesaria para que los electrones salten a la banda de conducción, que en los semiconductores es de aproximadamente 1 a 3 eV) ². La fabricación de transistores consiste en modificar la conductividad de regiones específicas mediante la dopaje con fósforo o boro, y sobre estas regiones se depositan posteriormente interconexiones metálicas; estas operaciones de procesamiento se repiten decenas o incluso más de cien veces sobre la oblea ². En este proceso, los equipos clave que comparten las funciones esenciales son el litógrafo, el sistema de grabado y el equipo de deposición.

Litógrafo: dibuja el boceto con luz de 13.5 nm

La primera operación, que consiste en transferir el circuito a la oblea, se denomina fotolitografía o litografía óptica. Este proceso se divide principalmente en tres etapas: aplicación de la capa fotosensible → exposición a la luz (exposición) → revelado ². La capa fotosensible (resina fotográfica) es un material cuyas propiedades químicas cambian al recibir luz; tras la exposición, al aplicar el revelador, únicamente las regiones expuestas (o no expuestas, según el tipo de resina) se eliminan, dejando sobre la oblea surcos o protuberancias con la forma exacta del circuito diseñado ². Es como una impresión fotográfica: el patrón se transfiere a la superficie.

El problema clave que debe resolver el equipo en esta etapa es la difracción de la luz. Cuanto mayor es la longitud de onda de la luz utilizada para reducir la imagen mediante lentes, más borrosos se vuelven los detalles más finos; por lo tanto, para dibujar líneas más delgadas, es necesario reducir la longitud de onda ³. Existe un registro histórico claro de cómo la industria de los semiconductores ha ido reduciendo progresivamente las longitudes de onda siguiendo este principio: partiendo de la luz visible, la litografía DUV (ultravioleta profundo), que fue la tecnología principal durante un largo periodo, utilizaba una longitud de onda de 193 nm, y la sucesora, la EUV (ultravioleta extremo), emplea 13.5 nm (con una energía de fotón de 92 eV) ³. El litógrafo EUV, que reduce la longitud de onda a 1/14 de la usada previamente, se desarrolló como la herramienta necesaria para gestionar anchos de línea ultrafinos inferiores a 22 nm e incluso de alrededor de 10 nm ³.

Al acortar la longitud de onda, es necesario sustituir las lentes de vidrio por espejos y operar en vacío. Como explica una columna técnica, la transición a EUV “implica hacer que todo funcione en vacío y requiere un sistema óptico de reflexión”, lo que ha supuesto cambios imposibles con los sistemas ópticos convencionales ³. Asimismo, a medida que se reduce el ancho del circuito, la composición química de la resina fotosensible se convierte en una variable crítica. En una investigación publicada en Scientific Reports en 2015, un equipo de investigación comparó la litografía por interferencia a 13.5 nm y 6.5 nm (BEUV); mientras que una resina inorgánica basada en hafnio (Inpria IB) lograba un semiperíodo de 18 nm (la mitad del periodo entre línea y espacio) en ambas longitudes de onda, la resina química amplificada orgánica (CAR) deterioraba casi al doble su semiperíodo mínimo implementable bajo BEUV respecto al logrado con EUV (18 nm) ³. Esto significa que, cuando aumenta la energía de la luz, las variaciones en los resultados dependen de cómo la estructura molecular de la resina fotosensible responde a esa energía. En consecuencia, el litógrafo no solo debe emitir “luz fina”, sino que también debe diseñarse considerando la química de la resina que reacciona ante dicha luz.

Equipo de grabado: elimina lo que está fuera del boceto con iones de plasma

Si la litografía es la etapa que deja únicamente el boceto, el grabado es la etapa que realmente graba la forma del circuito. El grabado consiste en eliminar las regiones innecesarias tras la exposición mediante productos químicos líquidos o plasma, dejando solo las estructuras con la forma deseada ². En los procesos modernos que manejan patrones de dimensiones finas, el grabado seco es indispensable. Aunque el grabado húmedo (con productos químicos) es rápido, tiene la desventaja de erosionar uniformemente en todas direcciones, lo que distorsiona los anchos pequeños; en cambio, el grabado seco permite erosionar verticalmente mediante iones dirigidos con direccionalidad ⁴.

El plasma, material esencial del grabado seco, es un gas ionizado generado al aportar energía a un gas para separar electrones de los enlaces de átomos o moléculas; es un medio conductor eléctrico compuesto por una mezcla de electrones libres, iones y partículas neutras ⁵. Al acelerar los iones mediante un campo eléctrico y hacerlos chocar perpendicularmente contra la superficie de la oblea, se producen reacciones físicas y químicas que permiten el grabado anisotrópico: solo se erosionan con precisión las zonas expuestas bajo la resina fotosensible ⁴. El plasma se genera mediante diferentes métodos: acoplamiento inductivo (ICP, que crea campos electromagnéticos mediante una bobina), acoplamiento capacitivo (CCP, que utiliza electrodos paralelos) o resonancia ciclotrónica de electrones (ECR, que aumenta la densidad mediante campos magnéticos). La energía empleada se clasifica en RF (radiofrecuencia), microondas y corriente continua: la RF ofrece un control flexible de la energía iónica y se usa principalmente en grabado; las microondas proporcionan alta densidad de plasma para procesos de alta precisión, y la corriente continua se destina principalmente a deposición física por pulverización catódica (sputtering) ⁵.

Dado que variables como la energía iónica, el caudal de gas y la presión de la cámara interactúan entre sí, la dificultad de control aumenta considerablemente en los procesos más finos. Por ello, el equipo de grabado no debe entenderse como una solución autónoma, sino como un componente responsable de la precisión de una de las decenas de etapas del proceso.

Equipo de deposición ALD: una estampilla que deposita átomo a átomo

La deposición es la etapa que aplica nuevas capas sobre el material previamente tallado. En las estructuras más avanzadas, donde el grosor debe controlarse a nivel atómico, la deposición por capas atómicas (ALD) es la herramienta clave. La ALD es una tecnología capaz de depositar películas ultrafinas —necesarias en dispositivos de escala nanométrica, como el óxido de puerta de un MOSFET— de forma uniforme incluso en estructuras tridimensionales complejas, resultando esencial para los dispositivos de alta integración ⁵.

La capacidad de la ALD para construir películas capa por capa radica en una propiedad química denominada “reacción autorlimitante” (self-limiting reaction). La guía de precursores CVD/ALD de Merck Millipore describe el ciclo en cuatro etapas ⁶.

• ① Al introducir el primer precursor (molécula de materia prima) en la cámara, las moléculas se adsorben en los sitios activos de la superficie del sustrato.
• ② Cuando todos los sitios libres de la superficie quedan saturados, ya no se produce más adsorción (saturación, autorlimitación).
• ③ El gas residual restante se elimina mediante purga.
• ④ Al introducir el segundo precursor, este reacciona con la capa previamente adsorbida en la superficie, completando un compuesto de espesor de una sola capa atómica ⁶.

La etapa ② es fundamental: dado que la reacción se detiene físicamente cuando la superficie está saturada, incluso tras repetir el ciclo 100 veces no se produce una “deposición excesiva” que haga la película más gruesa o delgada de lo previsto. El principio es análogo al de una estampilla: cuando la tinta cubre por completo la superficie, no se transfiere más. Para definir el grosor, basta con ajustar el número de ciclos. En este proceso, es necesario evaluar con precisión el comportamiento de saturación del precursor, la eficiencia de la purga y la ventana del proceso, y, a diferencia de la CVD, el control secuencial de las reacciones es determinante ⁶.

Existe un ejemplo que demuestra por qué esta precisión es crucial en la escala de la era de 2 nm. Un equipo conjunto de investigación de Kurt J. Lesker Company, la Universidad Estatal de Pensilvania, el MIT y el Ejército de los Estados Unidos de América publicó un estudio en Nature Communications Engineering en el que, especificando un ancho de línea de aproximadamente 40 átomos para el proceso de 2 nm, elaboró películas de nitruro de aluminio y escandio (AlScN) mediante deposición por capas atómicas mejorada con plasma (PEALD) bajo condiciones de alta pureza ¹. Se empleó un precursor alternativo casi libre de oxígeno y se apilaron de forma alterna los subciclos de AlN y ScN, intercalando tratamiento por plasma entre ellos; mediante la repetición de miles de “superciclos”, se construyó una película libre de defectos con una precisión de nivel angstrom ¹. Como resultado, la película con menor contaminación de oxígeno y carbono mostró un lazo de histéresis más nítido y una mayor polarización remanente que las películas fabricadas mediante deposición física en fase de vapor (PVD) ¹.

Por qué los tres equipos actúan de forma alternada sobre una misma oblea

Al examinar los equipos por separado, el principio de funcionamiento de cada uno resulta extenso; sin embargo, un chip se fabrica mediante la operación alternada de estos equipos sobre una misma oblea. La repetición decenas o más de cien veces de etapas como oxidación/deposición de películas delgadas, exposición, grabado, dopaje e interconexión metálica se debe a que secuencias de operaciones como deposición-exposición-grabado no se completan en una sola pasada ². Cada etapa debe ejecutarse con precisión nanométrica; si alguna de ellas presenta desviaciones, la función de conmutación del transistor o la transmisión de señales a través de las interconexiones metálicas fallarán en todo el circuito ².

Decir simplemente que la fabricación de semiconductores consiste en “la operación repetitiva de máquinas de precisión” puede parecer abstracto. Pero en el momento en que se comprenden tres principios físicos y químicos concretos —“luz de 13.5 nm”, “gas ionizado acelerado por campo eléctrico” y “reacción autorlimitante que se detiene cuando la superficie está saturada”—, la cifra de un ancho de 40 átomos deja de parecer una hazaña mágica y se revela como la escala real que las herramientas manejan. El circuito no lo graba una sola máquina en una única operación, sino que es el resultado de tres equipos, cada uno garantizando la precisión con principios diferentes, trabajando en cadena decenas de veces ²³⁵⁶.