Micralign

El Micralign fue una familia de alineadores introducida en 1973 por Perkin-Elmer . Micralign fue el primer alineador de proyección, un concepto que redujo drásticamente los costos de fabricación de semiconductores . Según el Chip History Center, "literalmente hizo posible el IC moderno [industria de circuitos integrados ]. ^{[ 1 ]}

El Micralign solucionó un problema importante en los inicios de la industria de los circuitos integrados (CI): la gran mayoría de los CI impresos presentaban defectos que los hacían inservibles. En promedio, solo 1 de cada 10 CI complejos producidos era operativo, lo que representa un rendimiento del 10 % . El Micralign mejoró este porcentaje a más del 50 %, llegando incluso al 70 % en muchas aplicaciones. Gracias a ello, el precio de los microprocesadores y la memoria RAM dinámica se redujo aproximadamente diez veces entre 1974 y 1978, momento en el que el Micralign se había convertido prácticamente en un componente universal del mercado de alta gama.

Inicialmente, Perkin-Elmer predijo vender quizás 50 unidades, pero finalmente vendió alrededor de 2000, ^{[ a ]} convirtiéndose así en el mayor proveedor de equipos para la fabricación de semiconductores durante la segunda mitad de la década de 1970 y principios de la de 1980. Convertida en la División de Microlitografía , para 1980 sus ingresos eran los mayores de todas las divisiones de Perkin-Elmer y aportaban la mayor parte de las ganancias de la empresa.

La empresa tardó en responder al desafío que supuso la máquina de fotolitografía , que sustituyó a los alineadores de proyección en la mayoría de las aplicaciones a partir de mediados de la década de 1980. Su intento de adoptar la luz ultravioleta extrema como respuesta fracasó, ya que la tecnología no estaba lo suficientemente madura. Otro intento, la compra de una empresa europea de máquinas de fotolitografía, no logró revertir su situación. En 1990, Perkin-Elmer vendió la división a Silicon Valley Group , que hoy forma parte de ASML Holding .

Los circuitos integrados (CI) se producen mediante un proceso de varias etapas conocido como fotolitografía . El proceso comienza con el corte de discos delgados de silicio de alta pureza a partir de un cilindro cristalino llamado lingote . Tras el procesamiento inicial, estos discos se denominan obleas . El CI consta de una o más capas de líneas y áreas grabadas en la superficie de la oblea. ^{[ 3 ]}

Las obleas se recubren con una sustancia química conocida como fotorresina . Una capa del diseño final del chip se imprime en una "máscara", similar a una plantilla . La máscara se coloca sobre la oblea y se ilumina con una lámpara ultravioleta (UV), generalmente una lámpara de arco de mercurio . Dependiendo del proceso, las áreas de la fotorresina expuestas a la luz se endurecen o se ablandan, y luego las áreas más blandas se eliminan con un disolvente . El resultado es una duplicación del patrón de la máscara sobre la superficie de la oblea. Posteriormente, se aplica un procesamiento químico al patrón para darle las propiedades eléctricas deseadas. ^{[ 3 ]}

Todo este proceso se repite varias veces para construir el diseño completo del circuito integrado. Cada paso utiliza un diseño diferente en una máscara diferente. Las características se miden en micrómetros, por lo que cualquier diseño previo ya depositado debe alinearse con precisión con la nueva máscara que se aplicará. Este es el propósito del alineador, una tarea que originalmente se realizaba manualmente con un microscopio . ^{[ 3 ]}

Existe un sólido argumento económico para utilizar obleas más grandes, ya que se pueden grabar más circuitos integrados individuales en la superficie y producirlos en una sola serie de operaciones, lo que permite producir más chips en el mismo período de tiempo. Sin embargo, las obleas más grandes plantean importantes problemas ópticos; enfocar la luz sobre el área manteniendo una uniformidad muy alta era un gran desafío. A principios de la década de 1970, las obleas ya tenían  un diámetro de aproximadamente 2,5 pulgadas y estaban empezando a alcanzar las 3  pulgadas, pero los sistemas ópticos existentes presentaban problemas con este tamaño. Cada vez que se introducía un nuevo tamaño de oblea, los sistemas ópticos debían rediseñarse por completo. ^{[ 4 ]}

El Micralign tiene sus orígenes en un contrato de 1967 con la Fuerza Aérea de los Estados Unidos para un alineador de mayor resolución. En aquel entonces, la Fuerza Aérea era uno de los mayores usuarios de circuitos integrados, que se utilizaban en muchos de sus sistemas de misiles, en particular en el misil Minuteman . El coste, y especialmente el tiempo de comercialización, era un problema importante que la Fuerza Aérea estaba interesada en solucionar. ^{[ 10 ]}

Existía un segundo tipo de alineador en uso, el alineador de proximidad. Como su nombre indica, estos mantenían la máscara muy cerca de la oblea en lugar de en contacto directo. Esto mejoraba la vida útil de la máscara y permitía 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 aún era que la máscara debía alinearse en tres ejes para que quedara perfectamente plana con respecto a la oblea, lo cual era un proceso muy lento, y debía sujetarse de tal manera que no se deformara. ^{[ 10 ]}

La Fuerza Aérea había colaborado con Perkin-Elmer durante muchos años en óptica de reconocimiento, y el Comando de Material de la Fuerza Aérea en la Base Aérea Wright-Patterson les ofreció un contrato para evaluar si podían mejorar el sistema de enmascaramiento por proximidad. ^{[ 10 ]} El resultado fue el Microproyector. La clave del diseño residía en un sistema de lentes de 16 elementos que producía una fuente de luz extremadamente focalizada. El sistema resultante podía generar características de 2,5 μm , 100 millonésimas de pulgada, equivalentes a los mejores alineadores de contacto. ^{[ 9 ]}  

Aunque el sistema era eficaz y cumplía los objetivos establecidos por la Fuerza Aérea, no era práctico. ^{[ 11 ]} Con un gran número de lentes, la dispersión era un problema importante, que abordaron filtrando todo excepto una única banda de UV de solo 200 angstroms de ancho (la línea G), descartando la mayor parte de la luz proveniente de la  lámpara de 1000 W. Esto hizo que los tiempos de exposición fueran incluso más largos que los de los diseños de proximidad existentes. ^{[ 9 ]}

Otro problema importante fue que los filtros eliminaban tanto la luz visible como la ultravioleta, lo que imposibilitaba que los operadores vieran los chips durante el proceso de alineación. Para solucionar este problema, añadieron un sistema intensificador de imagen que generaba una imagen visible a partir de la luz ultravioleta, la cual podía utilizarse durante la alineación, pero esto incrementó el costo de la unidad. ^{[ 9 ]}

Harold Hemstreet, gerente de la entonces División Electroóptica, creía que Perkin-Elmer podía mejorar el Microproyector. Le pidió a Abe Offner, el principal diseñador óptico de la compañía, que ideara una solución. Offner decidió explorar sistemas que enfocaran la luz mediante espejos en lugar de lentes, evitando así el problema de la dispersión. Los espejos presentan otro problema, la aberración , que dificulta el enfoque cerca de los bordes. Sumado al 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 consistió en utilizar solo una pequeña porción del sistema de espejos para proyectar la imagen de la máscara, una sección donde el enfoque estaba garantizado. Esta sección se ubicaba a lo largo de un anillo delgado que se extendía aproximadamente hasta la mitad del centro del espejo primario. Esto significaba que solo esta franja de la imagen de la máscara estaba correctamente enfocada. Este método podría utilizarse si la luz resultante se magnificaba al tamaño de la máscara, pero Rod Scott sugirió que, en cambio, se utilizara escaneando la franja de luz a través de la máscara. ^{[ 12 ]}

El escaneo requiere que la luz incida sobre la fotorresina durante el mismo tiempo que lo haría sobre toda la oblea en un alineador de contacto, lo que implicaba que un escáner sería mucho más lento, ya que solo capturaba una pequeña porción a la vez. Sin embargo, debido a que el espejo era acromático, se podía utilizar toda la potencia de la lámpara, en lugar de solo un pequeño rango de frecuencias. Al final, ambos efectos se compensaron, 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 le valió otro contrato de 100 000 dólares de la Fuerza Aérea para producir un prototipo funcional. ^{[ 13 ]}

Los 100.000 dólares no serían suficientes para llevar un sistema de este tipo a la producción comercial, así que Hemstreet tuvo que persuadir a la dirección para que financiara el desarrollo. En ese momento, otra división solicitaba fondos para desarrollar una imprenta láser, un sistema de impresión de billetes de alta velocidad, y Hemstreet tuvo que argumentar que debían financiar ese proyecto en lugar del otro. ^{[ 14 ]} Cuando el consejo de administración preguntó sobre el mercado potencial, sugirió que la empresa podría vender 50 de los sistemas, lo que provocó risas, ya que nadie podía imaginar la necesidad de 50 máquinas de ese tipo. ^{[ 15 ]} Sin embargo, Hemstreet logró obtener la aprobación del proyecto. ^{[ 16 ]}

En mayo de 1971 se formó un equipo de producción, liderado 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 con el mismo movimiento exacto al pasar la máscara sobre el área activa del sistema de espejos. Esto parecía increíblemente difícil de lograr con la precisión requerida. ^{[ 13 ]} Desarrollaron una nueva disposición donde tanto la máscara como la oblea se sujetaban en los extremos opuestos de un soporte en forma de C, en ángulo recto con respecto al espejo principal. Los nuevos espejos reflejaban la luz en ángulo recto, de modo que el movimiento vertical del soporte se traducía en un escaneo horizontal sobre el espejo principal, y un prisma de techo invertía 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 conjunto producía una simulación del escaneo horizontal con una precisión más que suficiente para la resolución deseada. Se utilizó un cojinete flexible para proporcionar un movimiento de rotación extremadamente suave. Perkin-Elmer presumía de que se podía arrojar un puñado de arena al mecanismo y seguiría funcionando perfectamente. ^{[ 17 ]} No hay constancia de que el escáner haya fallado jamás. ^{[ 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 ella durante aproximadamente dos horas, produjo una muestra de una lámpara curva. Offner diseñó entonces un nuevo colimador que funcionaba con la forma curva. Dado que casi toda la luz de la lámpara se utilizaba, el escaneo tardaba entre 10 y 12 segundos, una mejora drástica con respecto a los sistemas anteriores. El siguiente problema fue cómo alinear la máscara, ya que el sistema enfocaba solo luz ultravioleta. Esto se resolvió añadiendo un recubrimiento dieléctrico que reflejaba la luz ultravioleta pero no la luz visible. Se utilizó una lámpara independiente durante el proceso de alineación, y la luz pasaba a través de la óptica hasta el microscopio que el operador utilizaba para alinear la máscara. ^{[ 17 ]}

El producto estaba programado para lanzarse en el verano de 1973. Como parte de una campaña de ventas previa al lanzamiento, la empresa fabricó una serie de obleas para Texas Instruments , que luego utilizaron como sus "obleas de oro" para mostrar a clientes potenciales. Mostraron las obleas a Raytheon , que las rechazó; a National Semiconductor , que quedó impresionada; y a Fairchild Semiconductor , que produjo imágenes de microscopio electrónico de las obleas que mostraban que tenían "bordes horribles". Para 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 de fotorresina. 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 ]}

La primera venta de lo que ahora se conocía como Micralign 100 se realizó en 1974 a Texas Instruments, que pagó 98 000 dólares por la máquina, equivalentes a 639 777 dólares en 2025 , aproximadamente tres veces el precio de los alineadores de contacto de alta gama existentes. ^{[ 19 ]} Posteriormente, se realizaron ventas a Intel y Raytheon . Intel mantuvo su sistema en secreto y pudo lanzar nuevos productos, especialmente dispositivos de memoria, a precios imbatibles. El secreto finalmente se filtró cuando varios empleados de Intel abandonaron la empresa. ^{[ 20 ]}

El argumento de venta para los primeros clientes fue simple: podían usar sus máscaras maestras de vidrio existentes, o "retículas", sin necesidad de imprimir máscaras de trabajo. Las máscaras durarían 100.000 usos en lugar de 10. Al año siguiente, la empresa estaba en plena producción y tenía una lista de espera de pedidos para todo un año. Para 1976, vendían 30 al mes. ^{[ 21 ]} El único problema encontrado durante el uso inicial fue que las exposiciones más largas provocaron nuevos problemas con la expansión térmica , que se solucionó cambiando del vidrio de soda-cálcica convencional al vidrio de borosilicato para las máscaras. ^{[ 22 ] [ b ]}

La verdadera ventaja no radicaba en la reducción de los costos de las máscaras, sino en la mejora del rendimiento. Un informe de 1975 de una empresa de investigación externa destacó las impresionantes ventajas: al eliminarse los problemas de contacto con la suciedad y la emulsión adherida, el rendimiento mejoró drásticamente. Para circuitos integrados simples de una sola capa, como la serie 7400 , el rendimiento mejoró del 75 % con la impresión por contacto al 90 % con Micralign. Los resultados fueron aún más notables para chips más grandes; un chip típico de calculadora de cuatro funciones obtuvo un rendimiento del 30 % con la impresión por contacto, mientras que Micralign alcanzó el 65 %. ^{[ 6 ]}

Los microprocesadores solo fueron realmente útiles después de la introducción del Micralign. ^{[ 23 ]} El Intel 8088 tenía rendimientos de alrededor del 20% en sistemas antiguos, mejorando al 60% en el Micralign. ^{[ 24 ]} Otros microprocesadores fueron diseñados desde el principio específicamente para la fabricación en el Micralign. El Motorola 6800 se produjo utilizando alineadores de contacto y se vendió por $ 295 unidades individuales. Chuck Peddle descubrió que los clientes no lo comprarían a ese precio y diseñó un reemplazo de bajo costo. Cuando la gerencia de Motorola se negó a financiar el desarrollo, se fue y se trasladó a MOS Technology . Su MOS 6502 fue diseñado específicamente para el Micralign en mente, con una combinación de alto rendimiento y un conjunto de características más pequeño que les permitió alcanzar su costo de diseño de $ 5 por unidad. Introdujeron el 6502 solo un año después del 6800, vendiéndolo por $ 25 unidades individuales, y vendieron el posterior 6507 con su IC de soporte RIOT a Atari por un total de $ 12 por par. ^{[ 25 ]}

Se introdujeron varias mejoras en la línea para adaptarse a los cambios en el mercado de circuitos integrados. Una de las primeras, en el modelo 110, fue la incorporación de un cargador automático de obleas, que permitía a los operarios enmascarar rápidamente muchas obleas seguidas.

El modelo 111 era un modelo de oblea única que reemplazó al 100 y podía adaptarse para su uso con obleas de 2, 2,5 o 3 pulgadas, y opcionalmente con máscaras de 4×4, 3,5×3,5 o 3×3 pulgadas. El modelo 120 era un 111 con carga automática de obleas. El 130 funcionaba con  obleas de 100 mm y máscaras de 5×5 pulgadas en un sistema de oblea única, y el 140 añadió la carga de obleas al 130. ^{[ 26 ]} Cualquier modelo existente podía adaptarse a otros tamaños de oblea y máscara, o añadir la carga de obleas, mediante kits de conversión. ^{[ 27 ]}

La segunda generación de Micralign se presentó en 1979. Ofrecía resoluciones más altas y la capacidad de trabajar con obleas más grandes, pero también costaba mucho más, 250 000 dólares, equivalentes a 1 109 010 dólares en 2025. Este precio más elevado se compensaba con su capacidad para imprimir más chips por oblea, debido a los tamaños de características más pequeños. ^{[ 28 ]} El modelo 500 de 1981 aumentó el rendimiento a 100 obleas por hora, compensando su precio de 675 000 dólares, equivalentes a 2 390 419 dólares en 2025 , gracias a 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 por entrar en este sector. Entre 1976 y 1980, las ventas totales de la compañía se triplicaron hasta alcanzar los 966 millones de dólares, equivalentes a 3.774.656.704 dólares en 2025 , de los cuales 104 millones correspondían a la División de Microlitografía, convirtiéndola en la división más grande de la compañía y, con diferencia, la más rentable. ^{[ 28 ]}

Mientras Perkin-Elmer presentaba el Micralign, varias otras compañías trabajaban en diferentes soluciones al mismo problema fundamental de enfocar la luz a través de las obleas cada vez más grandes. GCA, anteriormente Geophysical Corporation of America , había estado trabajando en un concepto que enfocaba solo una pequeña parte de la oblea a la vez, magnificando la imagen de la máscara aproximadamente 10 a 1 para que pudiera proyectar más luz a través de una máscara mucho más grande y compensar el hecho de que solo utilizaba una única banda de luz UV. IBM había comprado uno casi al mismo tiempo que el Micralign salía al mercado, pero abandonó el sistema y concluyó que nunca podría funcionar. ^{[ 29 ]}

Para 1981, GCA había resuelto los problemas del sistema de impresión por pasos. Durante ese período, la industria de los chips había evolucionado continuamente hacia características más densas y diseños más complejos. El Micralign estaba perdiendo resolución, mientras que la mayor magnificación del sistema GCA le permitía operar con tamaños de características más finos. Con una rapidez similar a la que el Micralign acabó con las ventas de impresoras de contacto, el sistema de impresión por pasos de GCA acabó con las ventas del Micralign. Perkin-Elmer simplemente no había escuchado a sus clientes, que clamaban por una mayor resolución, e ignoró la investigación y el desarrollo de sistemas más novedosos. ^{[ 30 ]}

En lugar de los steppers, el modelo 600 de Perkin-Elmer apostó por el "UV profundo" (DUV) como solución al problema de la resolución. IBM los utilizó para fabricar una serie de chips de memoria, pero nadie más disponía de una fotorresina eficaz que funcionara en DUV, y pocos clientes adquirieron el sistema. ^{[ 31 ] [ 32 ]} Los steppers eran mucho más lentos que el Micralign y mucho más caros, por lo que las ventas comenzaron muy lentamente, ^{[ 28 ]} pero a mediados de la década de 1980 el stepper estaba conquistando rápidamente el mercado. ^{[ 33 ]}

En un intento por mantenerse en el mercado, en 1984 Perkin-Elmer compró Censor, una empresa de steppers de Liechtenstein . El producto nunca logró una penetración significativa en el mercado y, a pesar de la quiebra de GCA en 1987, Perkin-Elmer decidió abandonar la División de Microlitografía y ponerla a la venta en abril de 1989, junto con su división de litografía por haz de electrones (EBL). El trabajo de EBL se vendió rápidamente, pero la división de alineadores se mantuvo. En 1990 fue comprada por Silicon Valley Group (SVGL) en un acuerdo múltiple que involucró a IBM, cuya participación fue intermediada por Nikon . ^{[ 34 ]} SVGL fue comprada por ASML Holding en 2001. ^{[ 35 ]}