Las fotomáscaras son elementos muy caros, algunas cuestan miles de euros, y tienen que ser muy precisas, con mínimos márgenes de tolerancia. De ello dependerá los resultados de la fotolitografía, y del funcionamiento del chip. Pero, en la realidad, aunque sean extremadamente precisas, lo cierto es que los resultados no son los esperados.
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¿Qué es una fotomáscara?
Una fotomáscara, también conocida como retícula o patrón, es una placa opaca con patrones transparentes que se utiliza en el proceso de fotolitografía para transferir un diseño a una superficie de material fotosensible. En los diseños más antiguos se usaba una fotomáscara que podía contener todo el patrón para exponer la oblea al completo, actualmente, debido a la complejidad de los chips, se usa un stepper y se va exponiendo chip a chip, repitiendo el proceso de exposición cientos de veces por cada oblea.
Además, el tamaño de las máscaras ha crecido considerablemente, para contener diseños cada vez más complejos. Aunque las lentes ópticas serán las encargadas de reducir el tamaño del patrón hasta el tamaño de la superficie del dado. Su coste también ha ido creciendo, desde los 1000 euros de las más simples, hasta diseños que pueden costar cerca de 100.000 euros en la actualidad.
Un precio que no es nada bajo, más teniendo en cuenta que para fabricar un chip se necesitan decenas de ellas, cada una para un proceso de exposición, como puede ser una para crear los pozos del transistor, otro para el óxido de puerta, otro para las interconexiones metálicas de primer nivel, etc.
Las fotomáscaras son encargadas a empresas especializadas, no se crean en la foundry. Sino que con el layout o circuito resultante del diseño del chip, se fabricarán éstas. Se hacen en sustratos de vidrio o cuarzo, recubiertas por un material opaco como el cromo o molibdeno.
Los pasos para crear una de estas máscaras debe ser muy preciso, para evitar que la superficie del cristal tenga defectos que puedan alterar la luz. La capa del material opaco también se realiza de forma meticulosa, y se realiza una técnica de deposición de vapor químico y litografía de forma similar a la fabricación de un chip para ello, pero al ser de un tamaño muy superior, no es tan complejo, ya que no hablamos de nanómetros, sino de milímetros.
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Introducción a la fotolitografía de chips
La fotomáscara se coloca entre la fuente de luz y la oblea, permitiendo que la luz pase solo a través de las áreas transparentes del patrón, exponiendo las áreas correspondientes de la oblea. Las áreas no expuestas se protegen y luego se eliminan en pasos posteriores del proceso de fotolitografía, como ya sabrás…
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Patrón de la fotomáscara vs grabado en la práctica
Ahora bien, tal vez creas que la fidelidad con la que la fotomáscara está reproducida es la misma con la que se grabará el chip, y eso no es cierto. El proceso de fotolitografía puede verse alterado por vibraciones, mala alineación de la máscara con la oblea, fenómenos físicos de la luz, contaminantes, deformaciones, imperfecciones, refracción, etc.
Por ejemplo, si te fijas en la imagen superior, con una exposición normal en la que la fotomáscara tendría el patrón que se aprecia en la columna Design, el resultado en la oblea sería lo que se aprecia en Image. La fidelidad es pobre.
Por ello se aplican medias de corrección conocidas como OPC (Optical Proximity Correction) a la fotomáscara, y como se puede apreciar en las siguientes filas de la imagen anterior, la resolución mejora considerablemente. Para verlo de una forma más real, aquí tienes una imagen por microscopio con otro ejemplo:
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