¿Qué son los Equipos de Exposición de Semiconductores?
Los sistemas de exposición de semiconductores se utilizan para representar patrones de circuitos en obleas de silicio en el proceso de fabricación de semiconductores. Se transmite una potente luz ultravioleta a través de una fotomáscara, que sirve de prototipo para el patrón del circuito, y el patrón del circuito se transfiere a la oblea de silicio recubierta con fotorresistencia. En los últimos años, algunos equipos utilizan un láser con una longitud de onda de 13 nm, conocido como EUV, para miniaturizar patrones de circuitos finos. Los equipos son caros porque requieren una precisión extremadamente alta en el posicionamiento, etc.
Aplicaciones de los Equipos de Exposición de Semiconductores
Los equipos de exposición de semiconductores se utilizan en el proceso de exposición en el proceso de fabricación de circuitos integrados (CI), que contienen elementos semiconductores como semiconductores de óxido metálico (MOS)-FET (transistores de efecto de campo).
En el proceso de fabricación de circuitos integrados, los ciclos de fotolitografía y grabado se repiten secuencialmente en una oblea de silicio para apilar y procesar capas (estratos) de óxidos de silicio y metales en un patrón predeterminado, que se procesa para que tenga las características necesarias para los dispositivos semiconductores. En el caso de los MOS de tipo n (NMOS), por ejemplo, un MOS de tipo n (tipo n+) se forma formando una película de óxido de silicio en la región de puerta sobre un sustrato de silicio de tipo p y un metal de puerta encima, e implantando iones con altas concentraciones de impurezas en las regiones de drenaje y fuente. Cada uno de los pasos de fotolitografía y grabado de esta serie de procesos se estructura como se muestra en el diagrama (proceso de deposición de la película S1~proceso de eliminación de la resistencia S6).
De estos, el proceso de exposición (S3) es el que se lleva a cabo utilizando equipos de exposición de semiconductores. Se utilizan diferentes longitudes de onda de los equipos de exposición en función de las dimensiones del patrón del circuito y de la precisión del dispositivo semiconductor.
Principios de los Sistemas de Exposición de Semiconductores
Los sistemas de exposición de semiconductores constan de una fuente de luz, una lente condensadora, una fotomáscara, una lente de proyección y una platina. La luz ultravioleta generada por la fuente de luz se ajusta mediante la lente condensadora de modo que quede orientada en la misma dirección. A continuación, la luz ultravioleta atraviesa una fotomáscara, que sirve de prototipo para una capa del patrón de circuito, y la luz se reduce mediante la lente de proyección para transferir el patrón de circuito (una capa del patrón de circuito) del dispositivo semiconductor a la oblea de silicio. En los sistemas de exposición como los steppers, una vez completada una transcripción, la oblea de silicio es movida por la platina y el mismo patrón de circuito se transfiere a otra posición de la oblea de silicio. Sustituyendo la fotomáscara, se puede transferir otra capa del patrón de circuito del dispositivo semiconductor.
Como fuentes de luz se utilizan láseres excimer KrF con una longitud de onda de 248 nm, láseres excimer ArF con una longitud de onda de 193 nm y fuentes de luz EUV con una longitud de onda de 13 nm.
Las reglas de diseño (dimensiones mínimas de procesamiento) de los últimos procesos de fabricación de semiconductores se han reducido a 3-5 nm, por lo que las lentes condensadoras, las fotomáscaras, las lentes de proyección y las etapas requieren una alta precisión en el rango nanométrico. Además, a medida que avanza el apilamiento, la exposición se lleva a cabo varias veces antes de producir un solo semiconductor cambiando el patrón del circuito.
Tamaño y Cuota de Mercado de los Equipos de Exposición de Semiconductores
El mercado mundial de la electrónica sigue en expansión, y la industria de semiconductores es cada vez más importante para apoyar esta expansión. El mercado mundial de semiconductores experimentó un crecimiento negativo en 2019, pero también ha continuado expandiéndose en el pasado, a pesar de experimentar el colapso de Lehman Brothers. En los últimos años, el desarrollo tecnológico de la memoria ha cambiado de la miniaturización al 3D, y la tecnología de grabado se ha vuelto más importante.
El tamaño del mercado de equipos de exposición de semiconductores fue de 1,852,2 mil millones de yenes en 2018.
La cuota de mercado por región de consumo es la siguiente: primero Corea del Sur 36%, segundo Taiwán 19%, tercero China 18%, cuarto Estados Unidos 14% y quinto Japón 7%. La cuota de equipos de exposición de semiconductores por nacionalidad del proveedor (2018) está dominada casi exclusivamente por Europa y Japón, con Europa (84%), Japón (14%) y Estados Unidos (2%).
Acerca de los Sistemas de Litografía EUV
Los sistemas de litografía EUV (ultravioleta extremo) son sistemas de litografía de semiconductores que utilizan longitudes de onda de luz extremadamente cortas conocidas como ultravioleta extremo (EUV). Permiten procesar dimensiones más finas, lo que resulta difícil con los sistemas de exposición convencionales que utilizan luz láser excimer ArF.
La miniaturización de los semiconductores ha ido avanzando de acuerdo con la Ley de Moore (los circuitos integrados de semiconductores se vuelven cuatro veces más integrados y funcionales en tres años). El desarrollo de la tecnología de exposición de proyección reducida conocida como “steppers”, longitudes de onda de exposición más cortas y tecnología de exposición por inmersión ha dado lugar a mejoras espectaculares en la resolución.
La miniaturización significa que el tamaño mínimo de proceso que puede grabarse en una oblea es cada vez menor, y el tamaño mínimo de proceso R se expresa mediante la siguiente fórmula de Rayleigh.
R = k/λ/NA *k es una constante de proporcionalidad, λ es la longitud de onda de exposición y N.A. es la apertura numérica del sistema óptico de exposición.
Diversos avances tecnológicos han permitido la miniaturización mediante la reducción de k, la reducción de λ y el aumento de NA.
Los equipos de litografía EUV se consideran una tecnología que puede superar los límites del pasado acortando la longitud de onda de exposición, y se han fabricado en serie en los últimos años.
Precios de los Equipos de Exposición de Semiconductores
Los equipos de exposición de semiconductores son indispensables para la producción masiva y eficiente de semiconductores en la actualidad, pero se dice que son las máquinas más precisas de la historia, por lo que resultan caras.
Cuanto más corta es la longitud de onda de la fuente de luz utilizada en los equipos de exposición de semiconductores, más fino es el patrón que se puede formar y mayor es el precio del sistema de exposición. Para cada longitud de onda, se dice que la i-line cuesta unos 4 millones de dólares, la KrF unos 13 millones de dólares, la ArF en seco unos 20 millones de dólares, la ArF de inmersión unos 60 millones de dólares y la EUV unos 20 millones de dólares.
Cuanto más fino es el circuito, más rápida es la transmisión de la señal y más ahorro de energía se puede conseguir, pero en los últimos años, el aumento de los costes del proceso debido a la miniaturización, incluido el precio de los equipos de exposición de semiconductores, se ha convertido en algo imposible de ignorar.
El rendimiento de los equipos de exposición de semiconductores es también un indicador importante del rendimiento exigido a los equipos de exposición de semiconductores desde la perspectiva del coste de fabricación de semiconductores. El rendimiento es un indicador de la rapidez con la que se puede exponer un patrón de circuito y, a medida que aumenta el rendimiento, disminuye el coste de producción (coste de funcionamiento) por dado de silicio. Esto es importante durante la producción masiva de chips semiconductores.