Tecnologías de Ultravioleta Extremo: la experiencia europea

Autor:VDI-TZ
Cargo:J.W. Otto, G. Bachmann,
RESUMEN

El desarrollo de tecnologías que utilizan luz en la banda extrema del ultravioleta ofrece nuevas posibilidades interesantes para la medicina, la microelectrónica y otras muchas aplicaciones. Sin embargo, para que Europa sea capaz de competir en este campo, es necesario coordinar la capacidad técnica y el conocimiento.

 
CONTENIDO

Asunto: Las tecnologías de Ultravioleta Extremo (UVE) se basan en una extensión del uso de la luz como herramienta para obtener longitudes de onda más cortas. La ciencia básica, las aplicaciones tecnológicas y las posibilidades para el mercado y para el empleo son bien conocidas. Para obtener la primacía en la fabricación de circuitos integrados con densidades más altas tendrá una importancia crucial ser el primero en desarrollar tecnologías UVE comercializables, basadas en experiencias de laboratorio.

Relevancia: En la competencia mundial, las apuestas por las tecnologías UVE son muy altas en lo que se refiere a costes, beneficios potenciales y posibilidades de empleo. La capacidad técnica y el conocimiento en este campo están diseminados por toda Europa. Para competir de forma eficaz, es necesario un esfuerzo concertado a nivel europeo.

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Introducción

La utilización de la luz como herramienta se basa en la capacidad para fabricar fuentes, dispositivos ópticos para manipular la luz y detectores, adaptando cada uno de ellos a la medida de una aplicación específica. Para la luz, en el intervalo que abarca desde el UV hasta el infrarrojo (longitudes de onda desde unos 100 nm hasta 100µm, incluyendo el intervalo visible), esta capacidad ha dado como resultado numerosas aplicaciones, tales como:

análisis y diagnóstico; por ejemplo, microscopios en medicina y en producción industrial (control de calidad)

modificación de materiales, incluyendo terapia médica y fotolitografía (con láseres)

comunicación (transmisión de datos, almacenamiento óptico de datos, impresoras)

medición.

Aunque Europa ha sido tradicionalmente fuerte en óptica, la historia reciente de esta industria presenta algunos ejemplos particulares del modo en que puede perderse el liderazgo, o bien, no llegar a alcanzarlo, o incluso, recuperarlo a través de los esfuerzos realizados a nivel europeo. Por ejemplo, el caso de la industria de microscopios y cámaras fotográficas demuestra cómo se perdió la competitividad en productos ya consolidados, debido a la falta de innovación del producto y a la falta de esfuerzos para la comercialización masiva. Los programas europeos y nacionales (por ejemplo, EUROLASER) fueron la clave para conseguir el liderazgo o la competitividad en campos seleccionados de la tecnología de láseres. Gracias al programa sexenal JESSI (Joint European Submicron Silicon Initiative), dotado con 3.800 millones de ECU, se revitalizó la industria europea de microelectrónica y se acortó la distancia tecnológica con sus principales competidores. Una parte sustancial de los costes se invirtió en el desarrollo de las técnicas fotolitográficas necesarias para fabricar chips con estructuras submicrónicas. Con el apoyo del proyecto JESSI, la ASM-Lithography (Holanda) en colaboración con la Carl Zeiss (Alemania) ha aumentado su cuota de mercado en equipos de litografía desde el 7% hasta casi el 20%, llegando a ocupar el tercer lugar entre los proveedores del mercado mundial. El éxito de este programa se basa substancialmente tanto en la cooperación horizontal (investigación previa del mercado entre compañías del mismo sector) como en la cooperación vertical (entre compañías a lo largo de la cadena de producción).

Tecnologías UVE y su aplicación

Existen intensas fuerzas de mercado que están impulsando hacia la utilización de la luz en longitudes de onda más cortas, dentro del intervalo del ultravioleta extremo (UVE o rayos X-blandos). Este intervalo se extiende desde aproximadamente 0,5 hasta 20nm. Las ventajas clave de este intervalo de longitudes de onda son: la posibilidad de mejora de la resolución; el aumento de la profundidad de penetración del UV con respecto a la de la luz en el intervalo visible; la posibilidad de estimular la fluorescencia de muchos elementos; y la absorción por elementos biológicamente importantes (C, N, O) así como el contraste entre ellos (Michette y Buckley, y Röntgen Centenary). Las principales ventajas con respecto a las técnicas electrónicas (por ejemplo la microscopía electrónica de barrido, con la que es posible una mejor resolución) son los requisitos sencillos para la preparación de las muestras y para las condiciones de vacío, y la reducción de los daños que se puedan producir al objeto investigado. Con la microscopía electrónica, las técnicas de preparación de la muestra (que requieren el adelgazamiento por medios mecánicos, químicos o por haces iónicos; muestras secas o congeladas bruscamente) podrían modificar o incluso destruir estructuras de interés. Esto podría hacer difícil o imposible, por ejemplo, investigar la relación entre forma y función en muestras biológicas y médicas. La resolución lateral mejorada, de unos 100 nm, y el aumento de la profundidad de penetración permitirán obtener con los microscopios de rayos-X imágenes de estructuras más finas en muestras de mayor grosor. En contraste con las técnicas basadas en haces electrónicos, el análisis de materiales con rayos-X es esencialmente no destructivo y puede llevarse a cabo in situ (por ejemplo, es posible obtener imágenes de los dominios magnéticos de un cristal en un campo magnético aplicado). Las aplicaciones incluyen el control de procesos y el control de calidad (por ejemplo, la representación de defectos en las pastillas para la industria de los semiconductores). La baja absorción del agua en el intervalo de longitudes de onda de 2,4-4,4 nm (la ventana de agua) junto con el contraste por rayos-X entre C, N y O permite investigar muestras vivas (como el interior de las células). Esto tiene un gran valor potencial en biología y en medicina. El contraste debido a las diferentes capacidades de absorción de los elementos químicos puede utilizarse para obtener imágenes tridimensionales de alta resolución de las estructuras internas (como huesos y tejidos). Las aplicaciones en medicina preventiva (por ejemplo, para reconocer signos precoces de osteoporosis) podrían tener efectos importantes en el ahorro de costes. Para las comprobaciones de seguridad de los equipajes en los aeropuertos se requiere una representación de imágenes en un área muy grande. El análisis químico por excitación de fluorescencia (por ejemplo, en la geometría de reflexión total, TRFA) es una técnica con amplias posibilidades de aplicación. En minería y control medioambiental y de procesos puede determinarse la cantidad y distribución de menas y de contaminantes. En arte y en arqueología, el análisis de pigmentos de las pinturas puede ayudar a la datación de los objetos y a la determinación de su origen. Ello puede contribuir por ejemplo, a distinguir entre originales y falsificaciones.

En el tratamiento de materiales, la radiación UVE presenta ventajas en comparación con la luz en el intervalo del UV al infrarrojo debido a su mayor grado de resolución y a su menor carga térmica. Los efectos fotoquímicos pueden utilizarse para la limpieza, el ataque químico selectivo y el pulido o el desbastado de superficies. Las técnicas litográficas constituyen potencialmente la aplicación más importante de los efectos fotoquímicos. Se pueden emplear diversas técnicas (iluminación directa a través de una máscara; proyección de una máscara con o sin reducción) para alterar químicamente un resist para la subsiguiente disolución y rellenado de las estructuras remanentes con metales. Las estructuras obtenidas de este modo podrían utilizarse para construir micro-dispositivos o micro-reactores, por ejemplo, estructuras de gran alargamiento (como en la técnica conocida como LIGA, que emplea una combinación de litografía, galvanoplastia y moldeo). Para fabricar circuitos integrados, las pastillas de silicona se recubren con los resists. La capacidad de almacenamiento de los chips es función de la densidad (y por lo tanto, de la anchura de línea) de las estructuras que pueda conseguirse. Los circuitos integrados actuales (los chips de 64 Mb) con anchuras de línea de unos 0,35 µm pueden fabricarse utilizando láseres en el intervalo ultravioleta. Las futuras generaciones de chips con circuitos lógicos de alta velocidad y capacidades de almacenamiento superiores a 16 Gb (previstas aproximadamente para el año 2007) requieren anchuras de línea de 0,1 µm y menores, que se espera poder conseguir únicamente con haces de partículas o con rayos-X (con longitudes de onda inferiores a 15nm).

Requisitos técnicos, estado actual de los conocimientos y desarrollos necesarios

La penetración profunda de las tecnologías UVE en el mercado exige disponer de tres factores:

Fuentes a escala de laboratorio,

  1. Dispositivos ópticos con capacidad para manipular los rayos-X del mismo modo que se manipula la luz visible (las longitudes de onda cortas de los rayos-X requieren una incidencia próxima a la paralela para obtener imágenes puntuales con dispositivos ópticos cristalográficos ordinarios), y

  2. Detectores.

Es necesario adaptar cada uno de estos componentes a la medida de las aplicaciones específicas.

Fuentes a escala de laboratorio

El empleo de tecnologías UVE en el control medioambiental y en el control de calidad (por ejemplo, la comprobación de soldaduras en los aviones) requerirá fuentes portátiles de rayos-X puesto que las demandas de intensidad y de tamaño de la fuente no son tan estrictas. La representación por técnicas holográficas con resolución y contraste muy altos, por ejemplo para aplicaciones especializadas en biología, requiere una fuente coherente (láser de rayos-X)

Las fuentes de rayos-X disponibles a escala de laboratorio (basadas en el impacto electrónico sobre dianas sólidas) emiten la mayor parte de su radiación en longitudes de onda más cortas que las del intervalo UVE y por lo tanto no son adecuadas. Los rayos-X con las características deseadas se producen en anillos de almacenamiento de electrones (sincrotrones) que resultan demasiados grandes y costosos para una utilización extensa (sin embargo, debería observarse que la importancia potencial de las técnicas litográficas con rayos-X se considera suficientemente alta como para que estén disponibles comercialmente pequeños sincrotrones que fueron construidos principalmente para este fin; la experiencia y el conocimiento adquiridos con los sincrotrones ha sido crucial para el desarrollo de elementos ópticos y para la evaluación y el ensayo de posibles aplicaciones). Las fuentes generadas por láser y las fuentes de plasma proporcionan radiaciones en el intervalo deseado con intensidades máximas altas. En las fuentes de plasma basadas en láser, una intensidad alta en el promedio de tiempo exige disponer de láseres UV de alto cociente de repetición. Las fuentes de plasma de rayos-X (incluido el láser de rayos-X) han sido comprobadas a escala de laboratorio y son potencialmente viables a nivel comercial.

Dispositivos ópticos de precisión

Las intensidades altas liberadas dentro de áreas pequeñas bien definidas son de importancia crucial para las aplicaciones en medicina (para reducir la dosis de rayos-X en los alrededores del objeto a irradiar, por ejemplo, un tumor) y en control de calidad (la densidad cada vez mayor de los circuitos integrados requiere superficies más limpias y por tanto, un aumento de la sensibilidad de los instrumentos de análisis). Para estas aplicaciones se necesita óptica capilar para guiar a la radiación directamente hacia el objeto en cuestión. Se requieren lentes y espejos de rayos-X para los microscopios y los telescopios. Debido a las pequeñas longitudes de onda implicadas, es necesaria una precisión del orden de sub-nm para la fabricación y el ensayo de los componentes ópticos.

Se están fabricando componentes ópticos para aplicaciones científicas (lentes de Fresnel, espejos multicapa, capilares de vidrio). Los capilares de vidrio y los espejos multicapa se han incorporado recientemente a los sistemas comerciales convencionales de rayos-X a escala de laboratorio.

Detectores

Los requisitos para los detectores son tan variados como sus aplicaciones. Como ejemplo podría mencionarse la buena cronorresolución en el control de los procesos de producción a alta velocidad. Esto podría extenderse al régimen de picosegundos para igualar las características de emisión de las fuentes de UVE por impulsos. Los detectores de luz en el intervalo UVE están disponibles en el comercio, pero se requieren desarrollos especiales (como una mejora de la cronorresolución).

Los desarrollos necesarios en las tecnologías UVE pueden resumirse brevemente como sigue:

fuentes de rayos-X de sobremesa en el UVE (incluyendo los láseres de rayos-X) con características de emisión adecuadas

láseres compactos de UV por impulsos, de bajo coste, para la generación de plasmas de rayos-X

control de procesos para la fabricación en serie de componentes ópticos de alta calidad

detectores y dispositivos electrónicos para aplicaciones especiales

Aspectos políticos

Las tecnologías UVE poseen aplicaciones tan amplias como las de la luz en el intervalo visible (próximo) (considérense, por ejemplo los láseres). Esto sugiere que el potencial de mercado y de creación de empleo es significativo. Las ventas globales de sistemas de rayos-X para laboratorio alcanzan 1000 millones de ECUs (sin contar los efectos en los mercados secundarios) (Fraunhofer). En Europa, más de 8 millones de puestos de trabajo dependen de la microelectrónica avanzada; la tasa de crecimiento a largo plazo en la industria de los semiconductores es del 14%. Los costes de desarrollo y de producción de chips RAM dinámicos son muy altos: para el chip de 1 Mb fueron de unos 400 millones de ECUs; para el chip de 256 Mb fueron de 1.700 millones de ECUs. Sin embargo, debe observarse que las actuales técnicas litográficas por rayos-X, por haces iónicos y por haces electrónicos son técnicas que competirán con las futuras generaciones de chips, y actualmente no está claro quién será el ganador.

Programas europeos (CORDIS). Los programas europeos del pasado y del presente están dirigidos, de modo principal o de modo exclusivo, al aspecto litográfico de las tecnologías UVE. En la actualidad, dentro del programa EUROLASER-EXULT de 1.600 millones de ECUs, se está desarrollando (o adaptando) una fuente de láser UV para generar una fuente de plasma de rayos-X y elementos ópticos especiales, en una colaboración entre ASML, FOM, Carl Zeiss y Sopra. El aspecto de fabricación del programa MEDEA, de 2000 millones de ECUs (sucesor del JESSI), está dirigido estrictamente hacia la litografía.

Competidores internacionales. Los EE.UU. ocupan el puesto de cabeza en el desarrollo de fuentes de rayos-X de sobremesa y de dispositivos ópticos, debido a la investigación llevada a cabo en varios programas militares (como la Iniciativa de Defensa Estratégica en la que habían de desarrollarse láseres de rayos-X para derribar satélites). Esta experiencia realizada en los laboratorios nacionales (Advanced Light Source, Lawrence Livermore, Sandia) está siendo utilizada por un consorcio encabezado por Intel, en una colaboración de 250 millones de dólares, para desarrollar litografía con radiación de 13,5 nm. IBM tiene un programa de litografía de rayos-X con radiación de 1 nm, mientras que la investigación de Lucent se basa en haces electrónicos (Macilwain). Las compañías japonesas controlan actualmente casi el 80% del mercado de equipos de litografía. La "Association of Super-advanced Electronic Technologies" (ASET), apoyada por la "New Energy and industrial Development Organization" del Gobierno japonés ha gastado unos 85 millones de ECUs en técnicas litográficas en 1995-1997, y se concentrará principalmente en la litografía de rayos-X durante los años 1998-2000 (Ishitani).

Conclusiones

El potencial de mercado, los beneficios para los ciudadanos (por ejemplo en materia de atención sanitaria y de creación de empleo), los altos costes, la fuerte competencia mundial y el hecho de que la experiencia técnica está diseminada por toda Europa podrían sugerir que hay espacio para una acción apropiada a nivel europeo (complementada por programas nacionales). Puesto que esta tecnología es de gran penetración (extendiéndose más allá de la litografía) y exige una solución tecnológica integrada (desde las fuentes por vía óptica hasta los detectores), el posible programa debería unificar estos aspectos. Los institutos científicos rusos poseen una gran experiencia técnica en dispositivos ópticos y en fuentes de rayos-X blandos (Rusia tuvo también un programa de aplicaciones militares del láser de rayos-X) y pueden ser fuentes valiosas de información. Algunos institutos han colaborado ya en programas sobre litografía (PECO/COPERNICUS,INTAS). Las pequeñas y medianas empresas podrían beneficiarse de algún programa, por ejemplo, en la fabricación de componentes. El éxito obtenido por el programa JESSI en la promoción de la competitividad europea en litografía (por ejemplo) sugiere que un programa europeo de tecnologías UVE podría evitar la pérdida de un mercado potencial (de microscopios de rayos-X, entre otros) y contribuir a que no se repitan los errores del pasado (el caso más significativo fue el del mercado de microscopios ópticos y de microscopios electrónicos). Finalmente, debe mencionarse que, hasta que pueda disponerse de fuentes apropiadas de radiación UVE a escala de laboratorio, las instalaciones a gran escala existentes (sincrotrones) serán indispensables para el ensayo y la experimentación.

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Palabras clave

Tecnologías UVE, litografía, aspectos políticos

Referencias

Michette y C.J. Buckley, X-ray science and technology, Institute of Physics Publishing, Brístol, 1993

X-rays in natural and life sciences, Proceedings del Röntgen Centennial, A. Haase, G. Landwehr, E. Umbach (eds.), World Scientific, Singapur (1997)

Dr. R. Lebert, comunicación personal, Fraunhofer Institut für Lasertechnik

CORDIS Projects and programmes data base; Eureka NEWS 35; Eureka project profiles

Macilwain, Nature 389, 215 (1997)

Ishitani, discurso presentado en "Micro- and nano- Engineering 97", Atenas, 15-18 de Septiembre, 1997

Contactos

J. W. Otto, G. Bachmann, VDI-TZ

tel: +49 (211) 6214-465, fax - 575, correo electrónico: vditz@vdi.de

Sobre los autores

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Gerd Bachmann es doctor en Ciencia de las Superficies y Análisis de Películas Delgadas por la Universidad de Kaiserslauten (Alemania). Desde 1991 trabaja en la división de Tecnologías del Futuro del VDI Technology Center. Sus campos de especialidad son la nanotecnología, la tecnología de rayos-X y las tecnologías físicas que ofrecen mayores posibilidades de innovación.

Jens W. Otto es doctor en Ciencias Geofísicas (Universidad de Chicago) y en Ciencia de los Materiales (Universidad de Cornell). Antes de incorporarse como consultor tecnológico al Verein Deutscher Ingenieure (VDI), ha trabajado como científico de haces de partículas en el Hamburg Synchrotron Radiation Laboratory (HASYLAB) desarrollando técnicas de rayos-X para estudiar el comportamiento de los materiales bajo condiciones extremas de presión y de temperatura.