I ricercatori IBM hanno annunciato di aver trovato il modo di modificare uno dei processi fondamentali per la fabbricazione di chip per produrre circuiti più piccoli. Questa scoperta potrebbe ritardare la conversione, ad alto rischio per il settore dei semiconduttori, a un’alternativa estremamente costosa.

I ricercatori IBM hanno creato gli schemi di circuiti di alta qualità più piccoli mai realizzati finora utilizzando la litografia ottica con ultravioletti profondi (DUV 193 nanometri), tecnologia utilizzata attualmente per lo più per "stampare" i circuiti sui chip. Le tracce, ben definite e spaziate in modo uniforme, sono larghe appena 29,9 nanometri (un nanometro equivale a un miliardesimo di metro), ovvero meno di un terzo rispetto alle dimensioni delle attuali tecnologie in produzione di massa di 90 nanometri e meno dei 32 nanometri che il settore considerava il limite per le tecniche di litografia ottica.

Da decenni il settore dei semiconduttori continua a ridurre le dimensioni dei circuiti per migliorare le prestazioni e le funzionalità dei chip e dei prodotti in cui sono integrati. Tuttavia ormai i chip si stanno avvicinando ai limiti dimensionali di singoli atomi e molecole e pertanto il futuro di questo trend di continuo miglioramento – la cosiddetta Legge di Moore – e’ a rischio. I nuovi risultati di IBM indicano che una variante “ad immersione in liquido ad alto indice refrattivo” della litografia con DUV potrebbe rappresentare la soluzione per spingere ancora oltre la Legge di Moore e dare sollievo al settore.

“Il nostro obiettivo è spingere la litografia ottica il più lontano possibile, in modo da non dover ricorrere ad alternative costose finché non sarà assolutamente necessario”, ha dichiarato il Dr. Robert D. Allen, responsabile dei materiali litografici presso il Centro di Ricerca Almaden di IBM. “Questo risultato dimostra chiaramente, come mai era stato fatto finora, che il settore avrà margine di manovra per almeno altri sette anni prima che si rendano necessari cambiamenti drastici nelle tecniche di produzione dei chip”.

Lo schema di dimensioni record di linee e spazi ben definiti e con spaziatura uniforme di 29,9 nanometri è stato creato con un apparato sperimentale per litografia ideato e realizzato dal centro di Ricerca IBM di Almaden, utilizzando nuovi materiali sviluppati dal partner JSR Micro (Sunnyvale, California). I primi dati tecnici saranno resi noti questa settimana (lunedì 20 febbraio 2006) alla conferenza SPIE Microlithography che si tiene a San José, California.

“Riteniamo che le tecniche di imaging a immersione con indice di rifrazione elevato consentiranno di estendere la vita dell’attuale litografia ottica oltre i nodi tecnologici 45 e 32 nanometri", ha affermato Mark Slezak, responsabile tecnico di JSR Micro, Inc. “Il nostro settore è sotto forti pressioni per capire quale tecnologia litografica ci consentira’ di avere successo sotto i 32 nanometri. Questi nuovi risultati costituiscono un ulteriore punto a favore della continuazione della litografia ottica a immersione”.

Dati tecnici

I chip microelettronici sono prodotti con un processo detto fotolitografia, simile al concetto della serigrafia, che utilizza la luce invece dell’inchiostro. La fotolitografia trasferisce i diversi schemi di circuito su un wafer di silicio proiettando un raggio uniforme di luce laser attraverso una maschera e facendolo convergere in seguito sul materiale fotosensibile di cui è rivestito il wafer di silicio. Successivamente si giunge al disegno finale del circuito attraverso sviluppo, etching (rimozione chimica) e deposito dei materiali. Per produrre un comune processore o chip di memoria possono essere necessarie decine di cicli di fotolitografia.

Nel corso degli anni il settore ha sviluppato circuiti sempre più piccoli, il che solitamente ha comportato componenti elettroniche più piccole, più veloci e meno costose, mediante l’utilizzo di lunghezze d’onda di luce sempre più piccole, lenti più potenti e – più di recente – l’inserimento tra la lente finale e il wafer di silicio di un liquido, acqua per il momento, che consente di ottenere un grado di risoluzione ancora maggiore.

Finora non era noto se il settore sarebbe stato in grado di continuare ad adattare questa tecnica ottica a immersione e produrre linee ben definite inferiori ai 32 nanometri. Si riteneva che i nuovi materiali necessari per produrre pattern di queste dimensioni fossero incompatibili tra di loro o potessero produrre unicamente disegni poco chiari e non ben definiti. Di conseguenza negli ultimi anni sono stati presi in esame dei progetti di riserva che prevedevano, per il futuro, il passaggio a metodologie produttive drasticamente diverse ma molto più costose – la cui validità resta ancora da dimostrare – le quali utilizzano raggi x “soffici” (detti anche EUV, ovvero ultravioletti estremi) e specchi a multistrato invece che laser e lenti.

Nell’ambito di questa iniziativa volta a prolungare l’uso delle attuali tecniche di litografia ottica, IBM ha sviluppato un apparato sperimentale per litografia interferometrica, una “prima” nel settore, battezzato NEMO. NEMO utilizza due raggi laser intersecanti per creare pattern di interferenze luce/ombra con spaziature più ristrette rispetto a quanto sia possibile con gli attuali macchinari di produzione di chip. Di conseguenza NEMO è ideale per la ricerca, la sperimentazione e l’ottimizzazione dei diversi fluidi con indice di rifrazione elevato e i materiali fotoresistenti presi in considerazione per uso futuro nei sistemi DUV che andrebbero a creare pattern di dimensioni infinitesimali. Ora che i nuovi risultati di IBM aprono il cammino verso l’estensione della vita della litografia ottica, è necessario sviluppare materiali per lenti ad alto indice di rifrazione per assicurare la fattibilità commerciale di questa nuova soluzione.

Quando la luce attraversa un materiale trasparente rallenta a seconda dell’indice di rifrazione del materiale. In effetti quando la luce passa attraverso un materiale con un indice elevato si comporta come se avesse una lunghezza d’onda inferiore e si ottiene un maggior grado di focalizzazione. La risoluzione nella litografia a immersione è limitata dall’indice di rifrazione più basso presentato dalla lente, dal fluido e dal materiale fotoresistente. Negli esperimenti di IBM con NEMO la lente e il fluido avevano indici di circa 1,6 e il materiale fotoresistente di 1,7. La ricerca mira ora a sviluppare lenti, fluidi e materiali fotoresistenti con indici di rifrazione pari a 1,9, che renderebbero possibile la riproduzione di disegni ancora più minuti.