Apple no es la única empresa en el negocio de los semiconductores con una cadena de suministro sorprendentemente compleja. A finales de la década de 2010, ASML, la empresa de litografía holandesa, había pasado casi dos décadas intentando que la litografía ultravioleta extrema funcionara. Para ello fue necesario recorrer el mundo en busca de los componentes más avanzados, los metales más puros, los láseres más potentes y los sensores más precisos. EUV fue una de las mayores apuestas tecnológicas de nuestro tiempo. En 2012, años antes de que ASML produjera una herramienta EUV funcional, Intel, Samsung y TSMC habían inver tido directamente en ASML para garantizar que la empresa tuviera la financiación necesaria para continuar desarrollando las herramientas EUV que requerirían sus futuras capacidades de fabricación de chips. Sólo Intel invirtió 4.000 millones de dólares en ASML en 2012, una de las apuestas más importantes que haya hecho la empresa.
La idea detrás de las herramientas de litografía EUV había cambiado poco desde que Intel y un consorcio de otras empresas de chips habían donado a varios de los laboratorios nacionales de Estados Unidos “lo que parecía dinero infinito para resolver un problema imposible”, como dijo uno de los científicos que trabajó en el proyecto. él. El concepto siguió siendo muy similar al del microscopio inver tido de Jay Lathrop: crear un patrón de ondas de luz usando una “máscara” para bloquear parte de la luz y luego proyectar la luz sobre químicos fotorresistentes aplicados a una oblea de silicio. La luz reacciona con los fotorresistentes, lo que permite depositar material o grabarlo en formas perfectamente formadas, produciendo un chip funcional.
Lathrop había utilizado luz visible simple y fotoprotectores disponibles en el mercado producidos por Kodak. Utilizando lentes y productos químicos más complejos, finalmente fue posible imprimir formas tan pequeñas como unos cientos de nanómetros en obleas de silicio. La longitud de onda de la luz visible es en sí misma de varios cientos de nanómetros, dependiendo del color, por lo que eventualmente enfrentó límites a medida que los transistores se hicieron cada vez más pequeños. Posteriormente, la industria pasó a diferentes tipos de luz ultravioleta con longitudes de onda de 248 y 193 nanómetros. Estas longitudes de onda podían tallar formas más precisas que la luz visible, pero también tenían límites, por lo que la industria puso sus esperanzas en la luz ultravioleta extrema con una longitud de onda de 13, 5 nanómetros.
El uso de luz EUV introdujo nuevas dificultades que resultaron casi imposibles de resolver . Mientras que Lathrop utilizó un microscopio, luz visible y fotoprotectores producidos por Kodak, todos los componentes EUV clave tuvieron que crearse especialmente. No se puede simplemente comprar una bombilla EUV. Para producir suficiente luz EUV es necesario pulver izar una pequeña bola de estaño con un láser. Cymer, una empresa fundada por dos expertos en láser de la Univer sidad de California en San Diego, había sido un actor importante en las fuentes de luz litográficas desde los años 1980. Los ingenieros de la empresa se dieron cuenta de que la mejor solución era disparar una pequeña bola de estaño que medía treinta millonésimas de metro de ancho y que se movía en el vacío a una velocidad de unos trescientos kilómetros por hora. Luego se golpea la lata dos veces con un láser, el primer pulso para calentarla, el segundo, conver tirlo en plasma con una temperatura de alrededor de medio millón de grados, muchas veces más caliente que la superficie del sol. Este proceso de explosión de estaño se repite cincuenta mil veces por segundo para producir luz EUV en las cantidades necesarias para fabricar chips. El proceso de litografía de Jay Lathrop se había basado en una simple bombilla como fuente de luz. El aumento de la complejidad desde entonces fue alucinante.
La fuente de luz de Cymer sólo funcionó gracias a un nuevo láser que podía pulver izar las gotas de estaño con suficiente potencia. Esto requirió un láser basado en dióxido de carbono más potente que cualquiera que existiera anteriormente. En el ver ano de 2005, dos ingenieros de Cymer se acercaron a una empresa alemana de herramientas de precisión llamada Trumpf para ver si podía construir un láser de este tipo. Trumpf ya fabricó los mejores láseres basados en dióxido de carbono del mundo para usos industriales como el corte de precisión. Estos láseres eran monumentos del mecanizado según la mejor tradición industrial alemana. Debido a que alrededor del 80 por ciento de la energía que produce un láser de dióxido de carbono es calor y sólo el 20 por ciento luz, extraer calor de la máquina es un desafío clave. Trumpf había ideado previamente un sistema de sopladores con ventiladores que giraban mil veces por segundo, demasiado rápido para depender de cojinetes físicos. En cambio,
Trumpf tenía una reputación y un historial de brindar la precisión y confiabilidad que Cymer necesitaba. ¿Podría entregar el poder? Los láseres para EUV debían ser sustancialmente más potentes que los láseres que Trumpf ya producía. Además, la precisión que exigía Cymer era más exigente que cualquier cosa con la que Trumpf se hubiera enfrentado anteriormente. La compañía propuso un láser con cuatro componentes: dos láseres “semilla” que son de baja potencia pero cronometran cada pulso con precisión para que el láser pueda alcanzar 50 millones de gotas de estaño por segundo; cuatro resonadores que aumentan la potencia del haz; un “sistema de transporte de haz” ultrapreciso que dirige el haz a más de treinta metros hacia la cámara de gotas de estaño; y un dispositivo de enfoque final para garantizar que el láser dé un impacto directo, millones de veces por segundo.
Cada paso requirió nuevas innovaciones. Los gases especializados de la cámara láser debían mantenerse a densidades constantes. Las propias gotas de estaño reflejaban luz, que amenazaba con volver a brillar en el láser e interferir con el sistema; Para evitarlo, se requirió una óptica especial. La empresa necesitaba diamantes industriales para proporcionar las “ventanas” a través de las cuales el láser salía de la cámara y tuvo que trabajar con socios para desarrollar nuevos diamantes ultrapuros. Trumpf tardó una década en dominar estos desafíos y producir láseres con suficiente potencia y confiabilidad. Cada uno requirió exactamente 457.329 componentes.
Después de que Cymer y Trumpf encontraran una manera de explotar el estaño para que emitiera suficiente luz EUV, el siguiente paso fue crear espejos que recogieran la luz y la dirigieran hacia un chip de silicio. Zeiss, la empresa alemana que construye los sistemas ópticos más avanzados del mundo, había construido espejos y lentes para sistemas de litografía desde los días de Perkin Elmer y GCA. Sin embargo, la diferencia entre las ópticas utilizadas en el pasado y las requeridas por EUV era tan grande como el contraste entre la bombilla de Lathrop y el sistema de Cymer de hacer estallar gotas de estaño.
El principal desafío de Zeiss fue que el EUV es difícil de reflejar. La longitud de onda de 13, 5 nm del EUV está más cerca de los rayos X que de la luz visible y, como ocurre con los rayos X, muchos materiales absorben el EUV en lugar de reflejarlo. Zeiss comenzó a desarrollar espejos hechos de cien capas alternas de molibdeno y silicio, cada capa de un par de nanómetros de espesor. Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Liver more habían identificado esto como un espejo EUV óptimo en un artículo publicado en 1998, pero construir un espejo de este tipo con precisión a nanoescala resultó casi imposible. Al final, Zeiss creó espejos que eran los objetos más lisos jamás fabricados, con impurezas que eran casi imperceptiblemente pequeñas. Si los espejos de un sistema EUV se escalaran al tamaño de Alemania, dijo la compañía, sus mayores irregularidades serían de una décima de milímetro.
Para Frits van Houts, que asumió la dirección del negocio EUV de ASML en 2013, el aporte más crucial a un sistema de litografía EUV no era ningún componente individual, sino la propia habilidad de la empresa en la gestión de la cadena de suministro. ASML diseñó esta red de relaciones comerciales "como una máquina", explicó van Houts, produciendo un sistema finamente ajustado de varios miles de empresas capaces de cumplir con los exigentes requisitos de ASML. La propia ASML sólo producía el 15 por ciento de los componentes de una herramienta EUV, estimó, y compraba el resto a otras empresas. Esto le permitió acceder a los productos mejor diseñados del mundo, pero también requirió una vigilancia constante.
La empresa no tuvo más remedio que confiar en una única fuente para los componentes clave de un sistema EUV. Para gestionar esto, ASML profundizó en los proveedores de sus proveedores para comprender los riesgos. ASML recompensó a ciertos proveedores con inver siones, como los mil millones de dólares que pagó a Zeiss en 2016 para financiar el proceso de I+D de esa empresa. Sin embargo, los mantenía a todos bajo estándares exigentes. "Si no se porta bien, le compraremos", le dijo a un proveedor el director general de ASML, Peter Wennink. No fue una broma: ASML terminó comprando varios proveedores, incluido Cymer, después de concluir que podía gestionarlos mejor por sí mismo.
El resultado fue una máquina con cientos de miles de componentes cuyo desarrollo requirió decenas de miles de millones de dólares y varias décadas. El milagro no es simplemente que la litografía EUV funcione, sino que lo hace de manera suficientemente confiable como para producir chips de manera rentable. La confiabilidad extrema era crucial para cualquier componente que se colocara en el sistema EUV. ASML se había fijado el objetivo de que cada componente durara una media de al menos treinta mil horas (unos cuatro años) antes de necesitar reparación. En la práctica, las reparaciones serían necesarias con más frecuencia, porque no todas las piezas se estropean al mismo tiempo. Las máquinas EUV cuestan más de 100 millones de dólares cada una, por lo que cada hora que una está fuera de línea cuesta a los fabricantes de chips miles de dólares en producción perdida.
Las herramientas EUV funcionan en parte porque su software funciona. ASML utiliza algoritmos de mantenimiento predictivo para adivinar cuándo es necesario reemplazar los componentes antes de que se rompan, por ejemplo. También utiliza software para un proceso llamado litografía computacional para imprimir patrones con mayor precisión. La imprevisibilidad a nivel atómico en la reacción de las ondas de luz con los productos químicos fotorresistentes creó nuevos problemas con EUV que apenas existían con la litografía de longitud de onda más grande. Para detectar anomalías en la forma en que se refracta la luz, las herramientas de ASML proyectan luz en un patrón que difiere del que los fabricantes de chips quieren imprimir en un chip. Imprimir una “X” requiere utilizar un patrón con una forma muy diferente pero que termina creando una “X” cuando las ondas de luz inciden en la oblea de silicio.
El producto final, los chips, funciona de manera tan confiable porque solo tiene un componente: un bloque de silicio cubierto con otros metales. No hay partes móviles en un chip, a menos que cuentes los electrones que se mueven en su interior. Sin embargo, la producción de semiconductores avanzados ha dependido de algunas de las maquinarias más complejas jamás fabricadas. La herramienta de litografía EUV de ASML es la máquina herramienta producida en masa más cara de la historia, tan compleja que es imposible usarla sin una capacitación exhaustiva por parte del personal de ASML, que permanece en el sitio durante toda la vida útil de la herramienta. Cada escáner EUV tiene un logotipo ASML en su costado. Pero la experiencia de ASML, la compañía admite fácilmente, fue su capacidad para orquestar una extensa red de expertos en óptica, diseñadores de software, compañías de láser y muchos otros cuyas capacidades eran necesarias para hacer realidad el sueño de EUV.
Es fácil lamentar la deslocalización de la fabricación, como lo hizo Andy Grove durante los últimos años de su vida. Que una empresa holandesa, ASML, hubiera comercializado una tecnología iniciada en los Laboratorios Nacionales de Estados Unidos y financiada en gran medida por Intel sin duda habría irritado a los nacionalistas económicos estadounidenses, si alguien hubiera estado al tanto de la historia de la litografía o de la tecnología EUV. Sin embargo, las herramientas EUV de ASML no eran realmente holandesas, aunque fueron ensambladas en gran medida en los Países Bajos. Los componentes cruciales provinieron de Cymer en California y de Zeiss y Trumpf en Alemania. E incluso estas empresas alemanas dependían de piezas críticas de equipos producidos en Estados Unidos. La cuestión es que, en lugar de que un solo país pueda enorgullecerse de ser propietario de estas herramientas milagrosas, son producto de muchos países. Una herramienta con cientos de miles de piezas tiene muchos padres.
"¿Funcionará?" Andy Grove le había preguntado a John Carruthers antes de inver tir sus primeros 200 millones de dólares en EUV. Después de tres décadas de inver sión, miles de millones de dólares, una serie de innovaciones tecnológicas y el establecimiento de una de las cadenas de suministro más complejas del mundo, a mediados de la década de 2010, las herramientas EUV de ASML finalmente estaban listas para implementarse en el chip más avanzado del mundo.
La guerra de los chips. Chris Miller
