La nueva tecnología de discos voladores podría revolucionar la producción de chips

Ingenieros de la Universidad de California en Berkeley informan de una nueva forma de crear chips informáticos que podría revitalizar la litografía óptica, técnica de creación de patrones que domina la fabricación moderna de circuitos integrados.

Combinando lentes metálicas que enfocan la luz mediante la excitación de electrones -o plasmones- en la superficie de la lente con un "cabezal volante" que se asemeja a la aguja del brazo de un tocadiscos de discos antiguos y es similar a los utilizados en las unidades de disco duro, los investigadores fueron capaces de crear patrones de líneas de sólo 80 nanómetros de ancho a velocidades de hasta 12 metros por segundo, con la posibilidad de obtener detalles de mayor resolución en un futuro próximo.

"Utilizando esta nanolitografía plasmónica, podremos hacer microprocesadores actuales más de 10 veces más pequeños, pero mucho más potentes". afirma Xiang Zhang, catedrático de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Berkeley y director del equipo de investigación responsable de este avance. "Esta tecnología también podría dar lugar a discos de altísima densidad capaces de contener entre 10 y 100 veces más datos que los discos actuales".

Zhang colaboró en el proyecto con David Bogy, catedrático de Ingeniería Mecánica de la UC Berkeley. El estudio aparece ahora en línea en Nature Nanotechnology, y está previsto que se publique en la edición impresa de diciembre de la revista.

El proceso de litografía óptica comparte algunos de los principios de la fotografía de película, que crea imágenes exponiendo a la luz una película en una cámara y revelándola después con soluciones químicas. En la industria de los semiconductores, la litografía óptica es un proceso en el que la luz se transfiere a través de una máscara con el patrón de circuito deseado sobre un material fotosensible, o fotorresistente, que reacciona químicamente cuando se expone. A continuación, el material pasa por una serie de baños químicos para grabar el diseño del circuito en una oblea.

"Con la litografía óptica, o fotolitografía, se puede proyectar instantáneamente un diseño de circuito complejo en una oblea de silicio". afirma Liang Pan, estudiante de posgrado de la UC Berkeley que trabaja con Zhang y Bogy, y uno de los tres coautores principales del artículo de Nature Nanotechnology. "Sin embargo, la resolución posible con esta técnica está limitada por la naturaleza fundamental de la luz. Para conseguir un tamaño más pequeño, hay que utilizar longitudes de onda de luz cada vez más cortas, lo que aumenta drásticamente el coste de fabricación. Además, la luz tiene un límite de difracción que restringe su tamaño. En la actualidad, el tamaño mínimo de las características con la fotolitografía convencional es de unos 35 nanómetros, pero nuestra técnica es capaz de obtener una resolución mucho mayor a un coste relativamente bajo".

Los investigadores de la UC Berkeley optaron por un enfoque diferente para superar el límite de difracción de la luz. Aprovecharon una propiedad bien conocida 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 luz, se conocen como ondas evanescentes y son mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz.

Los ingenieros diseñaron una lente plasmónica de plata con anillos concéntricos que concentran la luz en un agujero en el centro por el que sale por el otro lado. En el experimento, el agujero tenía menos de 100 nanómetros de diámetro, pero teóricamente puede ser tan pequeño como de 5 a 10 nanómetros. Los investigadores empaquetaron las lentes en un cabezal plasmónico volante, llamado así porque "volaría" por encima de la superficie fotorresistente durante el proceso litográfico.

El Laboratorio de Mecánica Computacional de la Universidad de Berkeley, dirigido por Bogy, ha desarrollado cabezas voladoras similares. "Los cabezales voladores soportan los fenomenales avances en el almacenamiento de datos en discos duros". dijo Bogy. "Permiten las rápidas velocidades y la precisión nanométrica necesarias en este enfoque potencialmente nuevo de la fabricación de semiconductores".

Según los investigadores, el diseño del cabezal volante podría albergar hasta 100.000 lentes, lo que permitiría una escritura paralela para una producción aún más rápida.

Los investigadores compararon este cabezal plasmónico volante con el brazo y la aguja de un tocadiscos LP, en el que la superficie fotorresistente gira como un disco. Sin embargo, en lugar de una aguja moviéndose por los surcos de un disco giratorio, el cabezal plasmónico volante contiene un estilete óptico a escala nanométrica que "escribe" sobre la superficie giratoria de la fotorresistencia sin tocarla realmente.

Como la luz de los plasmones decae a menos de 100 nanómetros de la superficie metálica, el material fotorresistente debe colocarse muy cerca de la lente. Para adaptarse a esta limitación, los investigadores diseñaron un cojinete de aire que utiliza la fuerza de sustentación aerodinámica creada por el giro para ayudar a mantener las dos superficies a apenas 20 nanómetros de distancia.

Los cojinetes de aire se utilizan para crear cintas magnéticas y unidades de disco, pero ésta es la primera aplicación de una lente plasmónica.

Con esta innovadora configuración, los ingenieros demostraron velocidades de escaneado de 4 a 12 metros por segundo.

"La velocidad y las distancias de las que estamos hablando equivalen a las de un Boeing 747 volando a 2 milímetros del suelo". añadió Zhang. "Además, esta distancia se mantiene constante, incluso cuando la superficie no es perfectamente plana".

Los investigadores señalaron que una herramienta fotolitográfica típica utilizada para la fabricación de chips cuesta $20 millones, y un juego de máscaras litográficas puede costar $1 millón. Una de las razones de este elevado gasto es el uso de longitudes de onda de luz más cortas para crear circuitos de mayor resolución. Las longitudes de onda más cortas requieren espejos y lentes no tradicionales y costosos.

El sistema descrito por los ingenieros de la Universidad de Berkeley utiliza plasmones de superficie que tienen longitudes de onda mucho más cortas que la luz, pero que son excitables por las típicas fuentes de luz ultravioleta con longitudes de onda mucho más largas. Los investigadores calculan que una herramienta litográfica basada en su diseño podría desarrollarse por una pequeña fracción del coste de las herramientas litográficas actuales.

Se han desarrollado otras alternativas que pueden lograr una resolución mayor que la fotolitografía convencional y sin necesidad de una máscara litográfica. Sin embargo, esas técnicas -litografía por haz de electrones, litografía por sonda de barrido y litografía por haz de iones focalizado- funcionan a paso de tortuga en comparación con el sistema de lente plasmónica volante, señalan los investigadores de la UC Berkeley.

Zhang señaló que el diseño de la cabeza voladora no se limita a las lentes plasmónicas. Su laboratorio ha estado desarrollando metamateriales -materiales compuestos capaces de curvar las ondas electromagnéticas de formas extraordinarias- en lentes que pueden utilizarse para la obtención de imágenes nanoópticas y otras aplicaciones.

"Espero que en tres o cinco años podamos ver la implantación industrial de esta tecnología", afirma Zhang. "Podría utilizarse en la fabricación de microelectrónica o para el almacenamiento óptico de datos y ofrecer una resolución entre 10 y 20 veces superior a la actual tecnología blu-ray".

Los otros coautores del estudio son Werayut Srituravanich, antiguo estudiante de doctorado en el laboratorio de Zhang y actualmente profesor de ingeniería mecánica en la Universidad tailandesa de Chulalongkorn, y Yuan Wang, estudiante de postgrado de ingeniería mecánica en la Universidad de Berkeley. También es coautor del estudio Cheng Sun, antiguo estudiante de posgrado en el laboratorio de Zhang y actual profesor adjunto de ingeniería mecánica en la Universidad Northwestern.

Este trabajo ha sido financiado por el Centro de Nanofabricación Escalable e Integrada de la Fundación Nacional de las Ciencias.