Cómo funciona la litografía de chips y por qué una empresa la controla

Impresión con luz a nanoescala

Cada teléfono inteligente, ordenador portátil y centro de datos del planeta funciona con chips construidos mediante un proceso llamado litografía: el arte de imprimir patrones de circuitos increíblemente pequeños en obleas de silicio utilizando luz. Es el paso más crítico en la fabricación de semiconductores, repetido docenas de veces por chip, y determina cuán pequeños, rápidos y eficientes energéticamente pueden ser los transistores.

El principio básico no ha cambiado desde la década de 1960. Un haz de luz brilla a través de una fotomáscara, una plantilla del patrón de circuito deseado, y proyecta una imagen reducida sobre una oblea recubierta con un material sensible a la luz llamado fotorresistente. Donde la luz incide, altera químicamente el resist. Las áreas no expuestas se eliminan, dejando atrás el patrón que se convertirá en transistores, cables y otros componentes.

Lo que ha cambiado, drásticamente, es la longitud de onda de esa luz. Las longitudes de onda más cortas pueden imprimir características más pequeñas. Durante seis décadas, la industria pasó de la luz visible (436 nm) al ultravioleta profundo (193 nm) hasta la vanguardia actual: la litografía ultravioleta extrema (EUV) con solo 13,5 nm.

Cómo funciona la litografía EUV

Las máquinas EUV se encuentran entre los dispositivos más complejos jamás construidos. Dentro de una cámara de vacío, un láser de alta potencia dispara 100.000 pulsos por segundo a diminutas gotas de estaño fundido. Cada gota es golpeada dos veces: el primer pulso la aplana, el segundo la sobrecalienta a aproximadamente 220.000 °C, unas 40 veces más caliente que la superficie del Sol. Esto produce un plasma que emite luz ultravioleta extrema.

Debido a que la luz EUV es absorbida por casi todo, incluido el aire y el vidrio, toda la trayectoria óptica debe operar en el vacío. No se pueden utilizar lentes de vidrio tradicionales. En cambio, la luz rebota en una serie de seis espejos ultraprecisos recubiertos con capas alternas de molibdeno y silicio, cada uno pulido a una suavidad subatómica por la empresa alemana Zeiss. Estos espejos dirigen y enfocan la luz a través de la fotomáscara y sobre la oblea de abajo.

El resultado: características del circuito tan pequeñas como 3 nanómetros, aproximadamente el ancho de 15 átomos. La EUV entró en producción en masa en 2019 y ahora sustenta todos los chips de vanguardia de Apple, Nvidia y Qualcomm.

El extraordinario monopolio de ASML

Solo una empresa en la Tierra construye máquinas de litografía EUV: ASML, con sede en Veldhoven, Países Bajos. Posee una cuota de mercado del 100%. Cada sistema EUV cuesta aproximadamente entre 150 y 200 millones de euros, pesa más de 150 toneladas y requiere componentes de más de 800 proveedores en todo el mundo. El desarrollo tomó más de 20 años y miles de millones de dólares en investigación colaborativa con Intel, Samsung y TSMC.

Hoy en día, ASML vende sus máquinas más avanzadas solo a un puñado de fabricantes de chips. TSMC, Samsung e Intel representan la gran mayoría de los pedidos. Esta concentración convierte a ASML en una de las empresas más importantes estratégicamente en la economía global, y en un punto focal de tensión geopolítica sobre quién tiene acceso a la tecnología de chips de vanguardia.

Lo que viene después de la EUV

Incluso la EUV tiene límites. ASML ya está enviando sistemas EUV de alta NA (apertura numérica) que impulsan aún más la resolución, apuntando al nodo de 2 nm y más allá. La compañía ha anunciado planes para herramientas hiper-NA con una precisión aún mayor, que potencialmente costarían más de $700 millones cada una, y se esperan alrededor de 2030.

Mientras tanto, las empresas emergentes están explorando enfoques radicalmente diferentes. Lace Lithography, con sede en Noruega, está desarrollando la litografía de haz de átomos de helio, que reemplaza la luz por completo con átomos neutros. Debido a que los átomos no tienen límite de difracción, el haz mide solo 0,1 nm, 135 veces más estrecho que la luz EUV. Otros candidatos incluyen la litografía de nanoimpresión, la litografía de haz de electrones y los enfoques de rayos X.

Ya sea que el próximo avance provenga de refinar la luz o abandonarla por completo, una cosa está clara: la litografía sigue siendo el cuello de botella y el habilitador de la Ley de Moore. Quien domine la próxima generación dará forma al futuro de la computación.