Burn Lin, de TSMC, cambió un láser nuevo por un charco de agua para seguir reduciendo los chips

Los chips se imprimen con luz, y para 2002 el láser de fluoruro de argón de 193 nm había alcanzado el límite de lo que la óptica seca podía resolver. La respuesta de la hoja de ruta era la siguiente longitud de onda: láseres de flúor de 157 nm con ópticas completamente nuevas. Como expuso la revisión de Burn-Jeng Lin de 2004, ese camino fallaba al contacto con la realidad: las películas delgadas (pellicles) no sobrevivían más de unas diez exposiciones, no existían resinas (resists) de 157 nm aptas para fabricación, y el material de lentes de fluoruro de calcio seguía siendo insuficiente en calidad y cantidad.

Lin había propuesto la inmersión en IBM décadas antes y se unió a TSMC en 2000. Su carta de 2002 —el análisis del «coeficiente k3»— mostró que la separación entre la lente final del escáner y la oblea era una variable no utilizada en la ecuación de resolución: llénela con agua, índice 1,44 y casi transparente a 193 nm, y 193 nm se convierte efectivamente en 135 nm con mejor profundidad de foco, usando las mismas lentes, láseres y resinas.

Su revisión de 2004 simuló entonces los nodos de 65, 45 y 32 nm en sistemas secos y sumergidos, presentando el caso de principio a fin. Switkes y Rothschild, del MIT, ya habían demostrado la ganancia de resolución de ~40 por ciento de la inmersión a 157 nm usando perfluoropoliéteres; el agua a 193 nm logró el mismo truco con un fluido que toda fábrica tenía en el edificio.

La industria giró rápido. En enero de 2004, el director de tecnología de silicio de IBM anunció que comercializaría litografía ejecutada a través de agua, y ASML y Nikon convirtieron la inmersión en una línea de productos; los programas de 157 nm se cerraron sin llegar a enviar nunca una herramienta de producción. Los escáneres de inmersión se convirtieron en el caballo de batalla de la vanguardia —las plataformas TWINSCAN NXT de ASML alcanzaron 275 obleas por hora para 2015— y cuando una herramienta de apertura 1,35 tocó fondo en 36 nm, el multipatronado estiró la misma tecnología hasta chips de clase 10 nm, como el SoC de triple patronado de Samsung de 2016.

Ponga agua entre la lente y la oblea: 193 nm actúa como 135 nm

El agua transmite bien la luz de 193 nm y eleva la conversión efectiva de longitud de onda, de modo que tanto la resolución como la profundidad de foco mejoran con las mismas lentes y láseres.

El camino de 157 nm necesitaba películas (pellicles), resinas y ópticas de fluoruro de calcio que no existían con calidad de fabricación; la inmersión necesitaba un líquido que toda fábrica ya tenía.

La ganancia se multiplica con todo lo ya instalado: las fundiciones multiplicaron el valor de sus flotas de ArF en lugar de esperar una cadena de suministro completamente nueva.

Fue primero el análisis y después el hardware: las ecuaciones de escalado de Lin permitieron a los fabricantes de herramientas y a los químicos saber exactamente qué construir antes de comprometer capital.

Cuando la hoja de ruta dice reconstruirlo todo, busque la variable no utilizada en la física que ya posee. Lin encontró una en la ecuación de resolución y ahorró a la industria nuevos láseres, lentes y resinas.

La DUV de inmersión llevó cada nodo de vanguardia desde 65 nm hasta 45, 32 y la clase de 10 nm mediante multipatronado, y todavía hoy imprime la mayoría de las capas en chips avanzados. Lin recibió la Medalla IEEE Jun-ichi Nishizawa en 2013 y el Premio SPIE Mozi en 2023, y fue ampliamente apodado el padre de la litografía por inmersión. El episodio se convirtió en el ejemplo estándar de cómo vencer una carrera de longitudes de onda con un vaso de agua: cuando la hoja de ruta parecía un precipicio, la variable más barata de la ecuación resultó ser suficiente.