Il futuro dei chip a semiconduttore è nella litografia a nanostampa?

Da decenni diventano sempre più piccoli e potenti, ma i chip informatici stanno per arrivare al limite? Oppure hanno ancora un futuro, grazie alla litografia a nanostampa?

Il nostro mondo richiede calcoli sempre più intensivi di giorno in giorno. Smartphone, computer portatili, elettronica per la casa, automobili: è difficile trovare un momento della giornata in cui non utilizziamo un chip a semiconduttore.

Questi oggetti sono alla base di molti aspetti della nostra vita e ciclicamente vengono prodotti in versioni ancora più avanzate. Tuttavia, per i produttori non è facile contenere i costi e al tempo stesso ridurre le dimensioni e aumentare la potenza.

In base alla teoria illustrata di seguito, la cosiddetta Legge di Moore, che ne prevede l'evoluzione, all'incirca ogni due anni la velocità e la capacità di questi chip raddoppiano, con un impatto minimo sul prezzo.

Ma questa evoluzione sta diventando sempre più difficile, e quindi come si potrà mantenere questo delicato equilibrio anche negli anni a venire?

Secondo noi, la risposta è nella litografia a nanostampa (NIL, NanoImprint Lithography). Ecco perché.

Ma che cos'è esattamente la litografia a nanostampa?

"La litografia a nanostampa è una tecnica comunemente nota come 'litografia avanzata'", spiega Chris Howells, European Operations Director della divisione Semiconductor Equipment di Canon. "E la nostra versione si basa sull'esperienza che abbiamo maturato con la tecnologia inkjet".

Infatti, Canon supporta i produttori di semiconduttori in tutto il mondo da quasi cinquant'anni, fornendo apparecchiature all'avanguardia per la litografia dei semiconduttori. Questo è il processo utilizzato per stampare i piccoli pattern ad alta definizione che caratterizzano i chip informatici. Richiede l'applicazione di luce o radiazioni per trasferire un pattern su un wafer rivestito con un liquido viscoso denominato fotoresist.

In questo contesto, la litografia a nanostampa sembra la naturale evoluzione successiva, poiché combina la fotonica (la scienza della luce) con i decenni di esperienza altamente specialistica di Canon nel campo della stampa.

Ma come funziona? E come si distingue da qualsiasi altro tipo di litografia?

La miniaturizzazione del futuro

Il processo di produzione della litografia a nanostampa è piuttosto diverso da quello della tradizionale litografia dei semiconduttori, in parte a causa della sua complessità.

Innanzitutto, anziché stampare un pattern su un wafer completamente rivestito di fotoresist, la NIL rilascia piccole gocce di liquido solo dove necessario. Ogni goccia può essere misurata, controllata ed erogata con precisione utilizzando la stessa tecnologia disponibile nelle stampanti inkjet di Canon.

Quindi si utilizza un timbro apposito, denominato "maschera", per imprimere il pattern desiderato nel liquido. Apparentemente sembra semplice, ma è importante ricordare che stiamo parlando di una scala minuscola, che richiede una precisione assoluta. Basta un po' d'aria intrappolata fra la maschera e il wafer di silicio per compromettere completamente il processo. Gli sviluppatori e i progettisti di queste macchine hanno dovuto pertanto fare miracoli per evitare qualsiasi elemento esterno.

Inevitabilmente, durante la vita utile di un sistema NIL occorrono diverse maschere, anch'esse create con una macchina prodotta da Canon. "Sostanzialmente, queste due macchine danno vita a un processo di approvvigionamento interno per la tecnologia a nanostampa", spiega Chris.

L'ultima parte del processo è costituita dalla rimozione della maschera, per lasciare minuscole strutture che devono essere polimerizzate con luce UV. Questi pattern geometrici complessi e affascinanti sono invisibili a occhio nudo, perché hanno dimensioni di pochi "nanometri", da cui deriva il nome di questa tecnologia.

Per capirci, un nanometro è un miliardesimo di metro, e un capello umano ha un diametro di circa 100.000 nanometri. "Più piccola è la 'dimensione dell'elemento' [una di quelle piccole strutture fisiche] sul chip di silicio, più veloce sarà il dispositivo in cui viene utilizzato", spiega Chris.

"Così i telefoni diventano più veloci, il PC diventa più veloce. Più avanzata è l'apparecchiatura litografica, più piccole sono le dimensioni degli elementi stampati sui chip, e migliori saranno le prestazioni di quel chip".

Più preciso, economico e rispettoso dell'ambiente

Un processo così importante e complesso richiede senza dubbio un notevole investimento da parte dei produttori di chip, ma riteniamo che a lungo termine questa scelta darà buoni frutti. Per dimostrare il nostro impegno, stiamo attualmente pianificando la costruzione di una nuova fabbrica di semiconduttori in Giappone, allo scopo di raddoppiare la nostra capacità attuale e consentirci di aumentare ulteriormente la produzione di apparecchiature litografiche in futuro.

"Il costo di proprietà complessivo dimostra che vale la pena di investire in questa tecnologia", spiega Chris. "Stiamo parlando di costi di gestione, produttività e longevità".

Il costo, naturalmente, assume forme diverse. Pertanto, per quanto riguarda macchina, è chiaro che il processo NIL offrirà un ottimo rapporto qualità/prezzo ai produttori, non solo dal punto di vista dell'investimento iniziale, ma anche per il modo di operare di questa tecnologia.

Ad esempio, rispetto all'alternativa più vicina (la "litografia ultravioletta estrema" o EUVL), e persino alla tradizionale litografia dei semiconduttori, il consumo energetico e gli scarti sono decisamente inferiori. A causa della precisione intrinseca del processo, il materiale in eccesso da smaltire è minimo, e questo riduce drasticamente l'uso delle sostanze chimiche. Entrambi gli aspetti possono produrre una notevole riduzione dell'impatto ambientale, oltre che dei costi.

Insieme, tutti questi progressi assicurano il rispetto futuro della Legge di Moore, in termini di velocità e potenza dei processori. Introducono anche un nuovo vantaggio cruciale e sostenibile nella produzione dei chip a semiconduttore.

Incontra il team di sviluppo del sistema di litografia a nanostampa di Canon.