Chips con mayor densidad

Recientemente ha sido desarrollada una tecnología basada en nanolitografía plasmónica, que ofrecerá la posibilidad de fabricar microprocesadores y discos duros de ultra-alta densidad cuya capacidad puede superar en más de 100 veces a las actuales, gracias a un equipo de ingenieros de la Universidad de Berkeley en los Estados Unidos. Con este avance se revitalizará la litografía óptica, un patrón que domina la técnica moderna de fabricación de circuitos integrados.

Mediante la combinación de lentes de metal que centran la luz a través de la excitación de electrones (o plasmones) en el objetivo de superficie, con un “cabezal de vuelo” que se asemeja al brazo de un antiguo tocadiscos LP, siendo similar a los utilizados en las unidades de discos duros más comunes, los investigadores fueron capaces de crear patrones de línea de tan sólo 80 nanómetros de ancho en velocidades de hasta 12 metros por segundo, obteniendo un gran potencial detallado para una mayor resolución en el futuro próximo.

El proceso de la litografía óptica comparte algunos de los mismos principios que la fotografía de película, que crea imágenes a la exposición de la luz mediante la cámara y, a continuación, se forma la película con unas soluciones químicas. En la industria de los semiconductores, la litografía óptica es un proceso en el que la luz es transferida a través de una máscara con el patrón de circuito deseado en un material fotosensible, o foto-resistente, que reacciona químicamente. El material pasa luego a través de una serie de baños químicos para grabar el diseño del circuito en una oblea.

Con la litografía óptica, o la fotolitografía, puede instantáneamente implementar un complejo diseño de circuito en una oblea de silicio. Sin embargo, la posible resolución con esta técnica se ve limitada por la naturaleza fundamental de la luz. Para obtener un menor tamaño en característica, se debe utilizar longitudes de ondas de luz más cortas, que aumenta dramáticamente el coste en la fabricación. Además, la luz tiene un límite de difracción que restringen por pequeño que puede ser el enfoque. Actualmente, el tamaño mínimo característico con la fotolitografía convencional es de unos 35 nanómetros, sin embargo esta nueva técnica es capaz de una resolución mucho mayor a un costo relativamente bajo.

Los investigadores de la UC Berkeley optaron para ello un enfoque diferente y así superar el límite de difracción de la luz. Consecuentemente aprovecharon una conocida propiedad de los metales: la presencia en la superficie de electrones libres que oscilan cuando se exponen a la luz. Estas oscilaciones, que absorben y generan la luz, conocidas como ondas evanescentes, son mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz.

Los ingenieros diseñaron un lente de plata plasmónica con anillos concéntricos que reúnen la luz a un agujero en el centro por el que sale en el otro lado. En el experimento, el agujero se diseño con 100 nanómetros de diámetro, pero en teoría puede ser tan pequeño como de 5 a 10 nanómetros. Posteriormente los investigadores embalaron las lentes de vuelo en un cabezal plasmónico, que se llama así porque “vuela” por encima de la superficie foto-resistente durante el proceso de litografía.

Debido a que la luz de plasmones decae a menos de 100 nanómetros de la superficie del metal, la foto-resistencia del material debe ser colocado muy cerca de la lente. Para dar cabida a esta limitación, los investigadores diseñadon un sistema de aire ascendente que utiliza la fuerza aerodinámica creada por el hilado para ayudar a mantener las dos superficies a sólo 20 nanómetros de separación. Con este innovador programa de instalación, los ingenieros han demostrado velocidades de exploración de 4 a 12 metros por segundo, es decir, datos equivalentes a un Boeing 747 volando a 2 milímetros por encima del suelo, siendo esta la distancia mantenida de forma constante, incluso cuando la superficie no es perfectamente plana.

Los investigadores señalaron que la fotolitografía es un típico instrumento utilizado para la fabricación de chips que cuesta unos 20 millones de dólares. Una de las razones para el gran gasto de este método es el uso de longitudes de ondas más cortas de luz para crear circuitos de mayor resolución. Las longitudes de onda más reducidas no son tradicionales por lo que requieren costosos espejos y lentes.

El sistema desarrollado por los ingenieros de la Universidad de California en Berkeley usa plasmones en la superficie que tienen longitudes de ondas más corta que la luz y, sin embargo, son excitables por las típicas fuentes de luz ultravioleta con longitudes de onda mucho más largas. Los investigadores estiman que una herramienta de litografía basada en su diseño podría ser desarrollada en una pequeña fracción del coste de las actuales herramientas de litografía.

Hay otras alternativas que han sido desarrolladas y que pueden alcanzar mayores resoluciones que la fotolitografía convencional, sin la necesidad de sistemas basados en máscaras. Sin embargo, estas técnicas de litografía por haz de electrones, como la sonda de exploración que se centra en haces de iones, son verdaderos procedimientos que van a paso de tortuga en comparación con este nuevo método de lentes plasmónicas.

Los ingenieros del proyecto esperan ver sus sistema implementado en la aplicación industrial durante los próximos años, para ser utilizado en la microelectrónica o para la fabricación de ópticas de almacenamiento de datos y proporcionar resoluciones de 10 a 20 veces superiores que la actual tecnología Blu-ray.

Datos de investigación provenientes de la UC Berkeley.