El Perkin-Elmer Micralign era una familia de alineadores introducidas en 1973. Micralign fue la primera proyección alineador , un concepto que mejoró dramáticamente la fabricación de semiconductores . Según el Chip History Center, "literalmente creó la industria de los circuitos integrados moderna". [1]
El Micralign abordó un problema importante en la industria de los circuitos integrados (IC), que la gran mayoría de los circuitos integrados impresos contenían defectos que los hacían inútiles. En promedio, aproximadamente 1 de cada 10 CI complejos producidos estaría operativo, un rendimiento del 10%. Micralign mejoró esto a más del 50% y hasta un 70% en muchas aplicaciones. Al hacerlo, el precio de los microprocesadores y los productos RAM dinámicos se redujo unas 10 veces entre 1974 y 1978, momento en el que Micralign se había vuelto prácticamente universal en el mercado de alta gama.
Perkin-Elmer, que inicialmente predijo vender quizás 50 unidades, finalmente vendió alrededor de 2.000, [a] lo que los convirtió en el mayor proveedor en el espacio de equipos de fabricación de semiconductores durante la segunda mitad de la década de 1970 y principios de la de 1980. Formada en la División de Microlitografía, en 1980 sus ingresos eran los más grandes de las divisiones de Perkin-Elmer y proporcionaban la mayoría de los beneficios de la empresa.
La compañía tardó en responder al desafío del paso a paso , que reemplazó a los alineadores de proyección en la mayoría de los roles a partir de mediados de la década de 1980. Su paso al ultravioleta extremo como respuesta fracasó porque la tecnología no estaba madura. Otro intento, comprar una empresa paso a paso europea, no hizo nada para revertir su suerte. En 1990, Perkin-Elmer vendió la división a Silicon Valley Group , que hoy forma parte de ASML Holding .
Fondo
Los circuitos integrados (CI) se producen en un proceso de varios pasos conocido como fotolitografía . El proceso comienza con discos delgados de silicio de alta pureza que se cortan de un cilindro cristalino conocido como bola . Después del procesamiento inicial, estos discos se conocen como obleas . El IC consta de una o más capas de líneas y áreas modeladas sobre la superficie de la oblea. [3]
Las obleas están recubiertas de una sustancia química conocida como fotorresistente . Una capa del último diseño de chip está impresa en una "máscara", similar a una plantilla . La máscara se coloca sobre la oblea y se ilumina la máscara con una lámpara ultravioleta (UV), generalmente una lámpara de arco de mercurio . Dependiendo del proceso, las áreas de la fotorresistencia que están expuestas a la luz se endurecen o se ablandan, y luego las áreas más suaves se lavan con un solvente . El resultado es una duplicación del patrón de la máscara sobre la superficie de la oblea. A continuación, se utiliza el procesamiento químico en el patrón para darle las cualidades eléctricas deseadas. [3]
Todo este proceso se repite varias veces para construir el diseño de CI completo. Cada paso usa un diseño diferente en una máscara diferente. Las características se miden en micrones, por lo que cualquier diseño anterior ya depositado debe alinearse con precisión con la nueva máscara que se aplicará. Este es el propósito del alineador, una tarea que originalmente se completaba manualmente con un microscopio . [3]
Existe un fuerte argumento económico para usar obleas más grandes, ya que se pueden modelar más IC individuales en la superficie y producir en una sola serie de operaciones, produciendo así más chips durante el mismo período de tiempo. Sin embargo, la oblea más grande dio lugar a problemas ópticos importantes; enfocar la luz sobre el área manteniendo una uniformidad muy alta fue un gran desafío. A principios de la década de 1970, las obleas tenían aproximadamente 2,5 pulgadas de diámetro durante algún tiempo y se estaban moviendo a 3 pulgadas, pero los sistemas ópticos existentes tenían problemas con este tamaño. Cada vez que se introduce un nuevo tamaño de oblea, los sistemas ópticos deben rediseñarse desde cero. [4]
Alineadores de contacto
En la década de 1960, la forma más común de sujetar la máscara durante los procesos de exposición era utilizar un alineador de contacto. Como su nombre lo indica, el propósito de este dispositivo era alinear con precisión la máscara entre cada paso del patrón y, una vez alineada, sostener la máscara directamente sobre la superficie de la oblea. La razón para sostener la máscara en la oblea fue que a la escala de las líneas que se dibujan, la difracción de la luz alrededor de los bordes de las líneas en la máscara difuminaría la imagen si hubiera alguna distancia entre la máscara y la oblea. [5]
Hubo problemas importantes con el concepto de máscara de contacto. Uno de los más molestos fue que cualquier polvo que llegara al interior del alineador podría adherirse a la máscara y aparecería en las obleas posteriores como si fuera parte del patrón. Igualmente molesto era que el fotorresistente sin curar se pegaba a la máscara, y cuando se levantaba la máscara arrancaba la superficie superior de la oblea, destruyendo esa oblea y una vez más agregando imágenes falsas en la máscara. Es posible que cualquier error no sea un problema porque solo los circuitos integrados en esa ubicación se verán afectados, pero eventualmente, se detectarán suficientes errores que la máscara ya no es útil. [6]
John Bossung [6]
Como resultado de problemas como estos, las máscaras generalmente duraban solo una docena de veces antes de tener que ser reemplazadas. Para suministrar el número requerido de máscaras, se imprimieron repetidamente copias de la máscara original utilizando fotografías convencionales de haluro de plata sobre material fotográfico que luego se utilizó en la máquina. La estabilidad térmica de estas máscaras durante la exposición a la luz brillante provocó distorsiones que no eran una preocupación en los primeros días, pero se convirtieron en un problema a medida que el tamaño de las características seguía reduciéndose. Esto obligó a pasar de la película a las máscaras de vidrio, lo que aumentó aún más los costos. [7]
Debido a que cualquier oblea en particular podía dañarse en cualquier paso de enmascaramiento, la posibilidad de que cualquier oblea llegara a la producción sin daño era una función del número de pasos. [8] Esto limitó la complejidad de los diseños de CI a pesar de que los diseñadores pudieron hacer uso de muchas más capas. Los microprocesadores , en particular, eran diseños complejos de múltiples capas que tenían un rendimiento extremadamente bajo, con quizás 1 de cada 10 de los patrones en una oblea entregando un chip funcional. [9]
Microproyector
El Micralign remonta su historia a un contrato de 1967 con la Fuerza Aérea de EE. UU. Para un alineador de mayor resolución. En ese momento, la Fuerza Aérea era uno de los mayores usuarios de circuitos integrados, que se usaban en muchos de sus sistemas de misiles, en particular el misil Minuteman . El costo, y especialmente el tiempo de comercialización, fue un problema importante que la Fuerza Aérea estaba interesada en mejorar. [10]
Había un segundo tipo de alineador en uso, el alineador de proximidad. Como su nombre lo indica, estos mantenían la máscara muy cerca de la oblea en lugar de en contacto directo. Esto mejoró la vida útil de la máscara y permitió un diseño más complejo, pero tenía la desventaja de que los efectos de difracción limitaban su uso a características relativamente grandes en comparación con los alineadores de contacto. Más molesto fue el hecho de que la máscara tuvo que estar alineada en tres ejes para que fuera perfectamente plana en relación con la oblea, lo cual fue un proceso muy lento, y tuvo que sujetar la máscara de tal manera que no se hundiera. [10]
La Fuerza Aérea había trabajado con Perkin-Elmer durante muchos años en la óptica de reconocimiento, y el Comando de Material de la Fuerza Aérea en la Base Aérea Wright-Patterson les ofreció un contrato para ver si podían mejorar el sistema de enmascaramiento de proximidad. [10] El resultado fue el Microproyector. La clave del diseño fue un sistema de lentes de 16 elementos que producía una fuente de luz extremadamente enfocada. El sistema resultante podría producir características de 2,5 micrones, 100 millonésimas de pulgada, equivalentes a los mejores alineadores de contacto. [9]
Aunque el sistema fue efectivo, cumpliendo con los objetivos establecidos por la Fuerza Aérea, no fue práctico. [11] Con una gran cantidad de lentes, la dispersión era un problema importante que abordaron filtrando todo menos una sola banda de UV de solo 200 angstrom de ancho (la línea G), desechando la mayor parte de la luz proveniente del Lámpara de 1.000 W. Esto hizo que los tiempos de exposición fueran incluso más largos que los diseños de proximidad existentes. [9]
Otro problema importante fue que los filtros eliminaron la luz visible y los rayos UV, lo que hizo imposible que los operadores pudieran ver los chips durante el proceso de alineación. Para resolver este problema, agregaron un sistema intensificador de imágenes que producía una imagen visible de los rayos ultravioleta que podía usarse durante la alineación, pero esto se sumaba al costo de la unidad. [9]
Nuevo concepto
Harold Hemstreet, gerente de lo que entonces era la División Electroóptica, sintió que Perkin-Elmer podría mejorar en el Microproyector. Pidió a Abe Offner, el principal diseñador óptico de la empresa, que encontrara una solución. Offner decidió explorar sistemas que enfocaran la luz utilizando espejos en lugar de lentes, evitando así el problema de la dispersión. Los espejos adolecen de otro problema, la aberración , que dificulta el enfoque cerca de los bordes del espejo. Combinado con el deseo de pasar a las obleas más grandes de 3 pulgadas, un espejo sería una solución difícil a pesar de sus ventajas. [9]
La solución de Offner fue utilizar solo una pequeña parte del sistema de espejo para obtener la imagen de la máscara, una sección en la que se garantizaba que el enfoque era correcto. Esto estaba a lo largo de un anillo delgado que se extendía aproximadamente a la mitad del centro del espejo principal. Eso significaba que solo esta astilla de la imagen de la máscara estaba correctamente enfocada. Esto podría usarse si la luz resultante se ampliara al tamaño de la máscara, pero Rod Scott sugirió que en su lugar se usara escaneando la franja de luz a través de la máscara. [12]
El escaneo requiere que la luz brille sobre la fotorresistencia durante el mismo tiempo que lo haría para toda la oblea en un alineador de contacto, por lo que esto implicaba que el funcionamiento de un escáner sería mucho más lento, ya que solo obtendría imágenes de una pequeña porción a la vez. Sin embargo, debido a que el espejo era acromático, se podía usar toda la salida de la lámpara, en lugar de solo una pequeña ventana de frecuencias. Al final, los dos efectos se compensaron entre sí y el tiempo de captura de imágenes del nuevo sistema fue tan bueno como el de los sistemas de contacto. [9]
John Bossung construyó un sistema de prueba de concepto que copiaba una máscara en una diapositiva fotográfica. Esto ganó otro contrato de $ 100,000 de la Fuerza Aérea para producir un ejemplo funcional. [13]
Diseño practico
Los $ 100,000 no serían suficientes para llevar tal sistema a la producción comercial, por lo que Hemstreet tuvo que persuadir a la gerencia para que financiara el desarrollo. En ese momento, otra división estaba solicitando fondos para desarrollar una tipografía láser, un sistema de impresión de moneda de alta velocidad, y Hemstreet tuvo que argumentar que deberían ser financiados en lugar de ese proyecto. [14] Cuando la junta directiva preguntó sobre el mercado potencial, sugirió que la compañía podría vender 50 de los sistemas, lo cual fue objeto de risa ya que nadie podía imaginar un requisito para 50 máquinas de este tipo. [15] Sin embargo, Hemstreet logró obtener la aprobación del proyecto. [dieciséis]
En mayo de 1971 se formó un equipo de producción, dirigido por Jere Buckley, diseñador mecánico, y Dave Markle, ingeniero óptico. El diseño original de Offner requería que la máscara y la oblea se escanearan horizontalmente exactamente con el mismo movimiento que la máscara pasaba sobre el área activa del sistema de espejos. Esto parecía ser increíblemente difícil de arreglar con la precisión requerida. [13] Desarrollaron un nuevo diseño en el que tanto la máscara como la oblea se sostenían en extremos opuestos de un soporte en forma de C, en ángulo recto con el espejo principal. Los nuevos espejos reflejaban la luz a través de ángulos rectos, por lo que el movimiento vertical del soporte se tradujo en un escaneo horizontal sobre el espejo principal, y un prisma de techo volteó la imagen final para que la máscara y la oblea no produjeran imágenes especulares. Al hacer que el soporte en forma de C fuera lo suficientemente grande, la rotación del ensamblaje produjo un facsímil de escaneo horizontal que era lo suficientemente preciso para la resolución deseada. Se utilizó un cojinete de flexión para proporcionar un movimiento de rotación súper suave. Perkin-Elmer se jactó de que uno podría arrojar un puñado de arena en el mecanismo y aún así funcionaría perfectamente. [17] No hay ningún registro de que el escáner haya fallado alguna vez. [18]
El diseño mecánico básico se completó en noviembre de 1971. El siguiente paso fue crear una lámpara que pudiera iluminar eficientemente la sección curva del espejo. Llamaron a Ray Paquette de Advanced Radiation Corporation , y después de trabajar en él durante unas dos horas, había producido una muestra de una lámpara curva. Luego, Offner diseñó un nuevo colimador que funcionaba con la forma curva. Debido a que se estaba utilizando casi toda la luz de la lámpara, el escaneo tomó de 10 a 12 segundos, una mejora dramática con respecto a los sistemas más antiguos. El siguiente problema fue cómo alinear la máscara, ya que el sistema enfocaba solo la luz ultravioleta. Esto se resolvió agregando un recubrimiento dieléctrico que reflejaba los rayos UV pero no la luz visible. Se usó una lámpara separada durante el proceso de alineación, con la luz pasando a través de la óptica al microscopio que el operador usó para alinear la máscara. [17]
El producto estaba programado para lanzarse en el verano de 1973. En un esfuerzo de ventas previo al lanzamiento, la compañía ejecutó una serie de obleas para Texas Instruments , que luego utilizaron como sus "obleas de oro" para mostrárselas a los clientes potenciales. Le mostraron las obleas a Raytheon, quien las rechazó, a National Semiconductor que quedó impresionado ya Fairchild Semiconductor, quien produjo imágenes de microscopio electrónico de las obleas que mostraron que tenían "bordes horribles". Cuando regresaron a la sede de la empresa en Norcross, Raytheon había indicado que el problema podría no estar en el alineador en sí, sino en las capas fotorresistentes. Enviaron a uno de sus operadores experimentados a Perkin-Elmer y comenzaron a resolver los problemas prácticos de fabricación con los que la empresa no había tenido que lidiar anteriormente. [6]
Micralign 100
La primera venta de lo que ahora se conoce como Micralign 100 fue en 1974 a Texas Instruments, que pagó $ 98,000 por la máquina, equivalente a $ 514,269 en 2020, aproximadamente tres veces más que los alineadores de contacto de alta gama existentes. [19] Siguieron las ventas a Intel y Raytheon . Intel mantuvo su sistema en secreto y pudo presentar nuevos productos, especialmente dispositivos de memoria, a precios que nadie más podía tocar. El secreto finalmente se filtró cuando varios trabajadores de Intel dejaron la empresa. [20]
El argumento de venta a los primeros clientes fue simple; podían usar sus máscaras maestras de vidrio existentes, o "retículas", sin la necesidad de imprimir máscaras de trabajo en absoluto. Las máscaras durarían 100.000 usos en lugar de 10. Para el año siguiente, la empresa estaba en plena producción y tenía un año de acumulación de pedidos. En 1976, vendían 30 al mes. [21] El único problema que se encontró durante el uso inicial fue que las exposiciones más prolongadas condujeron a nuevos problemas con la expansión térmica, que se curó al pasar del vidrio de cal sodada convencional al vidrio de borosilicato para las máscaras. [22] [b]
La ventaja real no fue una reducción en los costos de las mascarillas, sino un mejor rendimiento. Un informe de 1975 de una empresa de investigación de terceros describió las impresionantes ventajas; Debido a que se eliminaron los problemas de contacto con la suciedad y la emulsión pegajosa, los rendimientos mejoraron drásticamente. Para los circuitos integrados simples de una sola capa como la serie 7400 , los rendimientos mejoraron del 75 por ciento con la impresión por contacto al 90 por ciento con Micralign. Los resultados fueron más dramáticos para chips más grandes; un chip de calculadora típico de cuatro funciones rindió el 30 por ciento usando la impresión por contacto, Micralign rindió el 65 por ciento. [6]
Los microprocesadores solo fueron realmente útiles después de la introducción de Micralign. [23] El Intel 8088 tuvo rendimientos de alrededor del 20% en los sistemas más antiguos, mejorando al 60% en el Micralign. [24] Otros microprocesadores se diseñaron desde el principio específicamente para la fabricación en Micralign. El Motorola 6800 se fabricó con alineadores de contacto y se vendió por 295 dólares en unidades individuales. Chuck Peddle descubrió que los clientes no lo comprarían a ese costo y diseñó un reemplazo de bajo costo. Cuando la gerencia de Motorola se negó a financiar el desarrollo, se fue y se mudó a MOS Technology . Su MOS 6502 fue diseñado específicamente para Micralign en mente, con una combinación de alto rendimiento y un conjunto de características más pequeño que les permite alcanzar su costo de diseño de $ 5 por unidad. Introdujeron el 6502 solo un año después del 6800, vendiéndolo por $ 25 en singles y vendiendo tanto el 6502 como el RIOT a Atari por un total de $ 12 por par. [25]
Generaciones posteriores
Se introdujeron varias mejoras en la línea para adaptarse a los cambios en el mercado de CI. Uno de los primeros, en el Modelo 110, fue la adición de un cargador automático de obleas, que permitió a los operadores enmascarar rápidamente muchas obleas seguidas.
El Modelo 111 era un modelo de una sola oblea que reemplazó al 100, y podía adaptarse para su uso con obleas de 2, 2,5 o 3 pulgadas y, opcionalmente, máscaras de 4x4, 3,5x3,5 o 3x3 pulgadas. El Modelo 120 era un 111 con carga automática de obleas. El 130 trabajó con obleas de 100 mm y máscaras de 5x5 pulgadas en un solo sistema de obleas, y el 140 agregó carga de obleas al 130. [26] Cualquier modelo existente podría adaptarse a otros tamaños de obleas y máscaras, o agregar carga de obleas, a través de kits de conversión. [27]
El Micralign de segunda generación se introdujo en 1979. Este ofrecía resoluciones más altas y la capacidad de trabajar con obleas más grandes, pero también costaba mucho más a $ 250,000, equivalente a $ 891,449 en 2020. Este precio más alto fue compensado por su capacidad para imprimir más chips por oblea, debido a los tamaños de característica más pequeños. [28] El Modelo 500 de 1981 aumentó el rendimiento a 100 obleas por hora, compensando su precio de $ 675,000, equivalente a $ 1,921,477 en 2020 a través de un rendimiento mejorado. [28]
A principios de la década de 1980, Perkin-Elmer controlaba firmemente la mayor parte del mercado de alineadores, a pesar de los esfuerzos concertados de muchas empresas para ingresar al espacio. Entre 1976 y 1980, las ventas totales de la empresa se triplicaron a $ 966 millones, equivalente a $ 3,034 en 2020, de los cuales $ 104 millones fueron de la División de Microlitografía, lo que la convierte en la división más grande de la empresa y, con mucho, la más rentable. [28]
Salir del mercado
Mientras Perkin-Elmer presentaba Micralign, varias otras empresas estaban trabajando en diferentes soluciones para el mismo problema básico de enfocar una luz a través de las obleas en constante crecimiento. GCA, anteriormente Geophysical Corporation of America , había estado trabajando en un concepto que se enfocaba solo en una pequeña parte de la oblea a la vez, ampliando la imagen de la máscara alrededor de 10 a 1 para que pudiera brillar más luz a través de una pantalla mucho más grande. enmascarar y compensar el hecho de que utilizó una sola banda de luz ultravioleta. IBM había comprado uno casi al mismo tiempo que Micralign llegó al mercado, pero abandonó el sistema y concluyó que nunca podría funcionar. [29]
En 1981, GCA había resuelto los problemas del sistema paso a paso. Durante ese período, la industria de los chips se había movido continuamente hacia características más densas y diseños más complejos. El Micralign se estaba quedando sin resolución, mientras que el aumento adicional en el sistema GCA le permitía operar en tamaños de características más finos. Aproximadamente a la misma velocidad que Micralign terminó con las ventas de impresoras de contacto, el motor paso a paso de GCA terminó con las ventas de Micralign. Perkin-Elmer simplemente no había escuchado a sus clientes que clamaban por una resolución más alta e ignoró la investigación y el desarrollo de sistemas más nuevos. [30]
En lugar de steppers, el Modelo 600 apostó por la ultravioleta extrema (EUV) como solución al problema de resolución. IBM los usó para ejecutar una serie de chips de memoria, pero nadie más tenía una fotocélula eficaz que funcionara en EUV, y pocos clientes compraron el sistema. [31] Los motores paso a paso eran mucho más lentos que los Micralign y mucho más caros, por lo que las ventas comenzaron muy lentamente, [28] pero a mediados de la década de 1980 el motor paso a paso se estaba apoderando rápidamente del mercado. [32]
En un esfuerzo por mantenerse en el mercado, en 1984 Perkin-Elmer compró Censor, una empresa paso a paso de Liechtenstein . El producto nunca hizo grandes avances en el mercado y, a pesar de la quiebra de GCA en 1987, Perkin-Elmer decidió renunciar a la División de Microlitografía y ponerla en el mercado en abril de 1989, junto con su litografía por haz de electrones (EBL). división. El trabajo de EBL se vendió rápidamente, pero la división de alineadores se demoró. En 1990 fue comprado por Silicon Valley Group (SVGL) en un acuerdo multidireccional que involucraba a IBM, cuya participación fue negociada por Nikon . [33] SVGL fue comprada por ASML Holding en 2001. [34]
Notas
- ^ Algunas fuentes afirman 3000. [2]
- ^ Desde entonces, la fabricación de chips se ha trasladado al vidrio de cuarzo puro debido a una mejor transmisión de los rayos UV. [22]
Referencias
Citas
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