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A silicon wafer is shown beneath a reticle, a special type of photomask that holds patterns used to manufacture integrated circuits. ASML

Computación

La industria de origen militar que marca el futuro geopolítico de los chips

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Las primeras herramientas litográficas eran bastante sencillas, pero las tecnologías que producen los chips actuales son los inventos más complejos de la humanidad

  • por Chris Miller | traducido por
  • 26 Julio, 2023

Hoy en día, cuando se habla de informática, solemos referirnos al software y a los ingenieros que lo escriben. Pero no hubiéramos llegado hasta aquí sin el hardware y las ciencias físicas que han permitido su creación, aquellas disciplinas como la óptica, la ciencia de los materiales y la ingeniería mecánica. Gracias a los avances en estas áreas se pueden fabricar chips donde residen todos los 1 y 0 del mundo digital. Sin ellos, la informática moderna habría sido imposible.

La litografía de semiconductores (el proceso de fabricación que produce chips informáticos) tiene sus raíces 70 años atrás. La historia de su origen es tan simple como complejo es el proceso el proceso actual. Esta tecnología comenzó a mediados de la década de 1950, cuando el físico Jay Lathrop dio la vuelta a la lente de su microscopio.

Lathrop, que falleció en 2022 a los 95 años, apenas es recordado hoy en día. Pero el proceso litográfico que su compañero de laboratorio y él patentaron en 1957 transformó el mundo. La mejora constante de los métodos litográficos ha producido circuitos cada vez más pequeños con una cantidad de potencia informática inimaginables en el pasado. Así han podido transformarse industrias enteras y también nuestra vida cotidiana.

Lathrop en un campo junto a un caballo
Jay Lathrop pasó los veranos de las décadas de 1970 y 1980 trabajando con su amigo Jack Kilby en tecnologías solares.

En la actualidad, la litografía es un gran negocio con ínfimos márgenes de error. ASML, la empresa holandesa y líder mundial, también es la mayor empresa tecnológica europea por capitalización bursátil. Sus herramientas litográficas se basan en los espejos más planos del mundo, uno de los láseres comerciales más potentes y una explosión que alcanza temperaturas más elevadas que la superficie del sol. Estas tecnologías pueden dibujar formas diminutas en el silicio, de apenas un puñado de nanómetros. Y es esta precisión nanométrica la que permite fabricar chips con decenas de miles de millones de transistores. Puede que usted dependa de chips fabricados con estas herramientas litográficas de vanguardia: se encuentran en smartphones, ordenadores, así como en los centros de datos que los procesan y recuerdan.

De todas las máquinas de precisión que fabrican chips, las herramientas litográficas son las más críticas y complejas. Pues requieren cientos de miles de componentes y miles de millones de dólares de inversión. No son solo objeto de rivalidad comercial y asombro científico, sino que están en el centro de una competición geopolítica por controlar el futuro de la informática. La evolución de la industria litográfica y la lucha por producir herramientas aún más precisas determinarán el futuro de la informática. La historia del desarrollo de la tecnología sugiere que cualquier avance futuro dependerá de maquinaria aún más compleja y precisa, además de cadenas de suministro más lejanas aún. Solo de esta forma pueden producirse los componentes especializados necesarios. La velocidad a la que se desarrollen los nuevos sistemas y componentes litográficos -y qué empresas y países consiguen fabricarlos- determinará no solo la velocidad del progreso informático, sino también el equilibrio de poder y beneficios dentro de la industria tecnológica.

La idea de que la fabricación actual a escala nanométrica tiene su origen en aquella lente de microscopio invertida de Lathrop puede parecer inverosímil, pero la industria litográfica ha avanzado con rapidez. Ha permitido que los chips sigan y marquen el ritmo de la Ley de Moore, esta idea sugiere que el número de transistores de un circuito integrado se duplica cada dos años aproximadamente.

Lathrop inventó el proceso en la década de 1950, cuando los ordenadores utilizaban tubos de vacío o transistores tan grandes que eran evidentes a simple vista. Por tanto, tan fáciles de fabricar sin tener que crear una nueva clase de herramientas.

El físico estadounidense no intentaba revolucionar la informática, y más tarde señalaría que "no tenía ni idea de ordenadores". A mediados de la década de 1950, siendo ingeniero del Diamond Ordnance Fuze Lab del ejército de EE UU, le encargaron diseñar una nueva espoleta de proximidad para introducirla en un proyectil de mortero de un par de centímetros de diámetro. Uno de los componentes que necesitaba era un transistor, pero el proyectil era tan pequeño que los transistores existentes no podían insertarse.

En aquella época, la fabricación de transistores estaba en sus inicios. Estos se utilizaban como amplificadores en las radios, mientras que los transistores discretos empezaban a utilizarse en ordenadores del tamaño de una habitación. El laboratorio de detonaciones ya disponía de algunos equipos para fabricar transistores, como cultivadores de cristales y hornos de difusión. Incluso en un laboratorio de armamento avanzado, muchos de los materiales y las herramientas necesarias para su fabricación tenían que desarrollarse desde cero.

Estos primeros transistores estaban hechos de un bloque de germanio junto a diferentes materiales superpuestos, por lo que se asemejaban a la forma de una mesa del desierto (un accidente geográfico natural que se eleva por encima de la superficie del terreno). Estos bloques planos se fabricaban al cubrir una parte del germanio con una gota de cera. A continuación, se aplicaba un producto químico que borraba el germanio que no estaba cubierto. Cuando se retiraba la cera, solo quedaba el germanio cubierto y asentado sobre una placa metálica. Este sistema funcionaba para transistores grandes, pero era casi imposible en menor tamaño. La cera rezumaba de forma impredecible, lo que limitaba la precisión con la que se podía grabar el germanio. Lathrop y Jim Nall, su compañero de laboratorio, se encontraron con que sus progresos en la espoleta de proximidad se atascaban en las imperfecciones de la cera.

Lathrop había pasado años mirando a través del microscopio para hacer que algo pequeño pareciera más grande. Mientras intentaba reducir el tamaño de los transistores, Nall y él se preguntaron si una óptica de microscopio invertida permitiría empequeñecer algo de gran tamaño: el patrón de un transistor. Para averiguarlo, cubrieron un trozo de material de germanio con fotorresistor, un tipo de sustancia química que adquirieron de Eastman Kodak, la empresa de cámaras fotográficas. La luz reacciona con la fotorresistencia, endureciéndola o debilitándola. Lathrop aprovechó esta característica, creó una especie de máscara en forma de mesa y la colocó bajo el microscopio con la óptica invertida. La luz que se filtraba a través de los orificios de la máscara era reducida por la lente del microscopio y proyectada sobre los productos químicos fotorresistentes. En aquellos puntos donde incidía la luz, los productos químicos se endurecían. Los lugares donde la luz era bloqueada por la máscara podían eliminarse para obtener una mesa de germanio más pequeña y precisa. Y así se descubrió una forma de fabricar transistores más pequeños.

Lathrop bautizó el proceso como fotolitografía -impresión con luz- y solicitó la patente junto a Nall. En 1957 presentaron una ponencia sobre el tema en la reunión anual International Electron Devices Meeting, y el ejército le concedió un premio de 25.000 dólares (unos 22.600 euros) por el invento. Con este dinero, Lathrop compró a su familia una camioneta nueva.

En plena Guerra Fría, el mercado de las espoletas de mortero creció, pero el proceso litográfico de Lathrop despegó gracias a que las empresas que producían electrónica civil, da cuenta de su potencial transformador. La litografía no solo producía transistores con una precisión sin precedentes, también abría la puerta a una mayor miniaturización. Fairchild Semiconductor y Texas Instruments, las dos empresas que lideraban la carrera hacia los transistores comerciales, comprendieron pronto las implicaciones. La litografía era la herramienta que necesitaban para fabricar millones de transistores y convertirlos en un producto de consumo masivo.

Pintar con luz

Robert Noyce, uno de los cofundadores de Fairchild, estudió Física junto a Lathrop en el (Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT). Ambos habían pasado los fines de semana en la escuela de posgrado haciendo senderismo por las montañas de New Hampshire (EE UU), y siguieron en contacto después de graduarse. En Fairchild, Noyce se apresuró a contratar a Nall, compañero de laboratorio de Lathrop, y dirigió los esfuerzos litográficos de su empresa al montar su propio dispositivo con un juego de objetivos de una cámara de 20 milímetros que había comprado en una tienda de fotografía de la bahía.

Por su parte, Lathrop aceptó un trabajo en Texas Instruments, competidor de Fairchild, y condujo su nueva furgoneta hasta Dallas. Llegó a la ciudad cuando Jack Kilby, su nuevo colega y amigo, estaba a punto de crear una pieza de material semiconductor con múltiples componentes electrónicos integrados. Pronto quedó claro que estos circuitos integrados solo podían fabricarse de forma eficiente con el método litográfico de Lathrop. A medida que las empresas de chips se esforzaban por reducir el tamaño de los transistores para que cupieran en los chips, la fotolitografía aportó la precisión que requería la fabricación a pequeña escala.

Fairchild y Texas Instruments fabricaron internamente sus primeras máquinas litográficas, pero la creciente complejidad de las máquinas enseguida atrajo a nuevos competidores. A medida que la escala de los transistores disminuyó de centímetros a milímetros y micrómetros, aumentó también la importancia de la óptica de precisión. Perkin-Elmer era una empresa de Connecticut (EE UU) que fabricaba productos ópticos especializados para el ejército estadounidense, desde visores de bombas hasta satélites espía. A finales de la década de 1960 se dieron cuenta de que esta experiencia también podía utilizarse para la litografía. La corporación desarrolló un escáner que podía proyectar el patrón de la máscara sobre una oblea de silicio y alinearlos con una precisión casi perfecta. A continuación, el escáner movía un halo de luz a través de la oblea, como una fotocopiadora, pintándola con líneas de luz. Esta herramienta demostró la capacidad para fabricar transistores tan pequeños como una micra, la millonésima parte de un metro.

Robert Noyce en su oficina en Fairchild Semiconductor sosteniendo diagramas de semiconductores.
Robert Noyce, quien más tarde cofundó Intel, lanzó el programa de litografía de Fairchild Semiconductor con lentes comprados en una tienda de cámaras del Área de la Bahía.

Sin embargo, este método no resultaba práctico porque las características de los chips eran cada vez más pequeñas. A finales de la década de 1970, los escáneres empezaron a sustituirse por steppers, unas máquinas que movían la luz en discretos pasos a través de una oblea. El reto era mover la luz con una precisión micrométrica, de modo que cada destello quedara alineado con el chip. GCA, una empresa de Boston que empezó a fabricar globos espía, ideó la primera herramienta stepper. Al parecer, por consejo de Morris Chang, ejecutivo de Texas Instruments y más tarde fundador de TSMC, que en la actualidad es el mayor fabricante de chips del mundo.

Las empresas especializadas en litografía de Nueva Inglaterra (EE UU) tuvieron que hacer frente a una fuerte competencia. En los años 80, cuando los fabricantes de chips japoneses empezaron a ganar cuota de mercado en la producción de chips de memoria, compraron a Nikon y Canon, dos fabricantes nacionales de herramientas litográficas. Mientras que Philips, el fabricante de chips holandés, creó su propia unidad de herramientas litográficas y la llamó ASML.

GCA, que seguía siendo el campeón litográfico de EE UU, tenía dificultades para hacer frente a la competencia. Su tecnología litográfica era reconocida como de primera categoría, pero las máquinas eran menos fiables que las de sus nuevos rivales japoneses y holandeses. Además, GCA no supo anticiparse a una serie de ciclos económicos de la industria del chip en la década de 1980. Entonces, se encontró en una situación financiera excesiva y, a finales de los años 80, al borde de la quiebra. En aquel momento, Bob Noyce intentó rescatar la empresa. Como director de Sematech, un instituto de investigación de semiconductores respaldado por el gobierno y destinado a revitalizar la industria de chips de EE UU, Noyce invirtió millones de dólares en GCA. Sin embargo, no fue suficiente para evitar que la empresa se precipitara hacia el colapso. La industria litográfica entró en la década de 1990 definida por tres empresas, dos japonesas y una holandesa.

El declive de una industria

El declive de la industria litográfica estadounidense coincidió con un espectacular salto adelante en la complejidad tecnológica de este campo. En los 80, la luz visible -con una longitud de onda de varios cientos de nanómetros- era demasiado amplia para pintar los transistores más pequeños. Así, la industria pasó a utilizar nuevas sustancias químicas, como el fluoruro de criptón y el fluoruro de argón, para crear luz ultravioleta profunda con longitudes de onda tan bajas como 193 nanómetros. A principios de los 2000, después de que esta luz ultravioleta demostrara ser una herramienta demasiado contundente, se crearon máquinas litográficas que podían disparar la luz a través del agua y mediante un ángulo de refracción más agudo que también permitía una mayor precisión. Después, cuando la litografía de "inmersión" resultó insuficiente para las características más finas de un chip, los litógrafos empezaron a utilizar el multi-patterning. Una técnica para aplicar múltiples capas de litografía, una encima de otra, hasta producir patrones aún más precisos en el silicio.

Sin embargo, ya en los 90 estaba claro que se necesitaría una nueva fuente de luz con una longitud de onda más pequeña para continuar fabricando transistores cada vez más pequeños. Intel, el mayor fabricante de chips de EE UU, lideró las primeras inversiones en litografía ultravioleta extrema (EUV), y utilizó un tipo de luz con una longitud de onda de 13,5 nanómetros. Era tan exacta como para crear patrones de dimensiones casi equivalentes. Solo una de las empresas de litografía que quedan en el mundo, ASML, se atrevió a apostar su futuro por esta tecnología, cuyo desarrollo llevaría tres décadas y miles de millones de dólares. Durante años, muchos expertos del sector pensaron que nunca funcionaría.

Producir luz EUV a la escala necesaria es uno de los retos de ingeniería más complejos de la historia de la humanidad. El método de ASML requiere tomar una bola de estaño de 30 micras de ancho y pulverizarla dos veces con un láser de dióxido de carbono de alta potencia. De manera que la bola de estaño explote en un plasma con una temperatura de varios cientos de miles de grados. El plasma emite luz EUV, que es recogida por los espejos más planos jamás creados, y cada uno está formado por docenas de capas alternas de silicio y molibdeno de nanómetros de espesor. Estos espejos se mantienen casi inmóviles gracias a un conjunto de actuadores y sensores que, según su fabricante, son tan precisos que podrían utilizarse para dirigir un láser y golpear una pelota de golf tan lejos como la Luna.

Producir los componentes especializados de un sistema EUV exigió construir una compleja cadena de suministro internacional. El láser de alta potencia lo fabrica Trumpf, la empresa alemana especializada en herramientas de corte de precisión. Mientras los espejos los crea Zeiss, otra empresa alemana con una larga experiencia en óptica. Y la cámara donde se pulverizan las bolas de estaño fue diseñada por Cymer, una empresa de San Diego (EE UU) adquirida más tarde por ASML. Una máquina con cientos de miles de componentes solo puede fabricarse con la participación de empresas de varios continentes, aunque su montaje esté monopolizado por una sola firma.

En la actualidad, las herramientas de litografía EUV se utilizan para producir muchos de los chips clave de smartphones, ordenadores y centros de datos. Un procesador típico de un móvil tendrá más de 10.000 millones de transistores microscópicos, cada uno de ellos impreso mediante el proceso fotolitográfico del que Lathrop fue pionero. La litografía se ha utilizado para crear transistores por quintillones, convirtiéndolo en el producto manufacturado de mayor producción en la historia de la humanidad.

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El motor paso a paso Mann 4800 de GCA fue un gran paso adelante en la resolución de las máquinas de litografía. Pero la firma con sede en Boston finalmente perdió el mercado de chips frente a sus rivales japoneses y holandeses.

Quizá lo más importante sea el papel de la litografía EUV en la fabricación de los chips que necesitan los centros de datos avanzados. Los grandes sistemas de IA suelen entrenarse en chips de última generación, es decir, se benefician de los transistores ultra avanzados que solo la litografía EUV puede fabricar con eficacia. Esto ha convertido a la litografía en objeto de disputas geopolíticas. EE UU intenta impedir que la industria china produzca chips de IA de vanguardia, por tanto, ha limitado el acceso de Pekín a herramientas críticas. Los sistemas de litografía EUV son el mayor obstáculo para la industria china de chips.

El hecho de que las capacidades informáticas de la segunda potencia económica mundial dependan del acceso a una única herramienta producida por una sola empresa ilustra el papel central que desempeña la litografía en el sector tecnológico global. Se trata de una industria compleja, como resultado de intensos esfuerzos de investigación por parte de una red mundial de expertos en óptica y ciencia de materiales, además de miles de millones de dólares de inversión. Las herramientas litográficas chinas se encuentran varias generaciones por detrás de la vanguardia y carecen de muchos de los componentes clave -como los espejos ultraplanos- o los conocimientos necesarios para integrar los sistemas.

La industria ha recorrido un largo camino desde el trabajo de Lathrop en las espoletas. El físico dejó Texas Instruments en 1968, después de trabajar allí durante una década y asumió una cátedra en la Universidad de Clemson (Carolina del Sur), donde estudió su padre y cerca de donde vivían sus padres en aquel momento. Lathrop dedicó el resto de su carrera a la enseñanza, aunque los veranos entre 1970 y 1980 volvió a TI para trabajar con su amigo Jack Kilby en un infructuoso intento de desarrollar tecnología fotovoltaica para energía solar. Lathrop se retiró de Clemson en 1988, tras haber dejado huella en miles de estudiantes de Ingeniería Eléctrica.

Mientras tanto, el proceso litográfico que inventó ha continuado avanzando. Dentro de varios años, ASML lanzará una nueva versión de su tecnología EUV, denominada EUV de alta apertura numérica, que permitirá una litografía aún más precisa. Si bien se investiga una futura herramienta con una precisión aún mayor, no está claro si algún día será práctica o comercialmente viable. Esperemos que sí, pues el futuro de la Ley de Moore y los avances informáticos dependen de ello.

Chris Miller es autor de Chip War: The Fight for the World's Most Critical Technology y profesor asociado de la Fletcher School de la Universidad de Tufts.

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