La fabricación de chips semiconductores ha experimentado un avance continuo en busca de dispositivos más rápidos y eficientes. La litografía EUV se ha convertido en la tecnología clave, junto con la nueva óptica High-NA, que promete mejorar aún más la resolución. Pero para que esto sea posible, existe un tipo de lentes fundamentales, como es el llamado vidrio ULE (marca registrada de Corning) del que te comentaremos aquí…
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¿Qué es el vidrio ULE?
El vidrio ULE (Ultra-Low Expansion) es un material basado en silicato que se caracteriza por tener un coeficiente de expansión térmica extremadamente bajo, casi cero. Esto significa que sus dimensiones prácticamente no cambian con la temperatura, lo que es fundamental para aplicaciones en las que la estabilidad dimensional es crítica. Fue desarrollado originalmente para telescopios y otras aplicaciones ópticas avanzadas, donde los cambios en el tamaño del material debido a las fluctuaciones de temperatura podrían comprometer la precisión.
La fotolitografía EUV utiliza luz con una longitud de onda extremadamente corta (13,5 nm), lo que permite definir estructuras en los chips con dimensiones de muy pocos nanómetros e incluso de decenas de Ángstroms. Sin embargo, la luz EUV es absorbida por la mayoría de los materiales, por lo que se deben emplear espejos multicapa especiales para redirigir la luz hacia el sustrato del chip sin ese problema.
Para minimizar los errores, se requiere que los espejos ópticos en los sistemas de litografía sean extremadamente estables en tamaño y forma, independientemente de los cambios térmicos. Aquí es donde entra en juego el vidrio ULE. Gracias a su coeficiente de expansión térmica casi nulo, el vidrio ULE asegura que las superficies de los espejos se mantengan estables incluso bajo fluctuaciones de temperatura, lo que mejora la calidad y la repetibilidad del proceso de fabricación de chips.
Composición del vidrio ULE
Corning, el fabricante americano de vidrios y cerámicas especiales, conocido también por ser el creador de la tecnología Corning Gorilla Glass para hacer más resistentes las pantallas de los dispositivos móviles, es una de las empresas que también creará este tipo de vidrio ULE.
El vidrio ULE de Corning está compuesto principalmente por sílice (SiO₂) y una pequeña cantidad de óxido de titanio (TiO₂), con la siguiente estructura:
- Sílice (SiO₂): constituye aproximadamente el 92,5% de la composición del vidrio. La sílice es un componente esencial que le proporciona al material su base de estructura de vidrio amorfo.
- Óxido de titanio (TiO₂): representa alrededor del 7,5% del vidrio ULE. La adición de TiO₂ es clave para ajustar el coeficiente de expansión térmica, haciendo que el vidrio tenga una expansión ultrabaja. El óxido de titanio se distribuye homogéneamente en la matriz de sílice para garantizar las propiedades uniformes del material.
La combinación de estos componentes, «titania-silicate», y el proceso de fabricación especializado de Corning han dado grandes resultados.
Propiedades técnicas del vidrio ULE en aplicaciones High-NA
Las características clave que hacen al vidrio ULE ideal para la litografía EUV y High-NA incluyen:
- Coeficiente de expansión térmica extremadamente bajo: el vidrio ULE tiene un coeficiente de expansión térmica en el rango de ±0,03 x 10⁻⁶/°C, lo que proporciona una estabilidad dimensional superior incluso en condiciones de fluctuaciones térmicas.
- Alta estabilidad a largo plazo: no solo es importante que el material sea estable durante un uso típico, sino también que mantenga sus propiedades a lo largo del tiempo para aplicaciones de precisión.
- Compatibilidad con recubrimientos multicapa: en la litografía EUV, los espejos están recubiertos con capas alternas de materiales para optimizar la reflectividad de la luz de 13,5 nm. El vidrio ULE es compatible con estos recubrimientos y mantiene la adherencia y la planitud necesarias para maximizar la eficiencia óptica.
- Alta homogeneidad óptica: la homogeneidad en la transmisión de la luz es fundamental para evitar distorsiones en la proyección de la imagen. El vidrio ULE se produce con un control preciso de su composición, garantizando una variación mínima en sus propiedades ópticas.
Transición a High-NA, clave para los futuros chips
Para seguir reduciendo el tamaño de las características en los chips y mejorar la resolución, la industria está adoptando la litografía EUV con alta apertura numérica (High-NA), como he comentado anteriormente. Como sabrás, la apertura numérica es una medida de la capacidad de un sistema óptico para capturar la luz y definir detalles finos en la imagen proyectada. Cuanto mayor es la apertura numérica, mayor es la resolución y la capacidad de trabajar con características más pequeñas en los chips.
Esto requiere superficies ópticas más grandes y precisas, lo que aumenta la necesidad de materiales con estabilidad térmica superior. Además, la mayor curvatura y la necesidad de geometrías más complejas en los espejos presentan desafíos adicionales en la fabricación de estos elementos ópticos. Y aquí es donde el vidrio ULE satisface estas necesidades…
El uso del vidrio ULE en la fabricación de chips EUV y High-NA ofrece múltiples ventajas, que se traducen en una mejora en la resolución de los detalles grabados en los chips. Es decir, fabricar chips sin tantos defectos, con líneas de interconexiones más delgadas y precisas, y transistores mejor definidos incluso en dimensiones por debajo de los 3nm.
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Fabricación y desafíos del vidrio ULE
La producción de vidrio ULE para la litografía High-NA implica procesos de fabricación de alta precisión. Esto incluye el control meticuloso de la composición química del vidrio y la eliminación de cualquier posible contaminante que pueda afectar la óptica final. La fabricación de espejos con ULE también requiere técnicas avanzadas de pulido para lograr una superficie lisa como un espejo, con desperfectos corregidos incluso a nivel sub-nanométrico. Eso ayuda a evitar desviaciones de la luz aplicada a la fotomáscara.
Esto no es nada sencillo, y pocas industrias a nivel mundial pueden lograrlo. ULE es una marca patentada de Corning, como dije antes, y otra de las grandes compañías de lentes de alta calidad es la alemana Zeiss, que colabora con ASML para sus máquinas de fotolitografía.
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