Japón planea acabar con el monopolio de ASML. Está probando la fabricación de chips con aceleradores de partículas

Si nos ceñimos a la fabricación de semiconductores de vanguardia ASML no tiene competencia. Esta compañía neerlandesa es por el momento el único fabricante de equipos de fotolitografía que tiene en su porfolio las máquinas de ultravioleta extremo (UVE) que son necesarias para fabricar circuitos integrados de 7 nm o menos de una manera eficiente. Canon y Nikon, sus principales competidores, abandonaron la carrera por el desarrollo de los equipos UVE debido a la enorme inversión económica que debían hacer en el área de investigación.

Curiosamente Canon es la única compañía que a medio plazo podría competir con ASML, pero aún tiene que demostrarlo todo. Su mejor baza, en cualquier caso, es su equipo de litografía de nanoimpresión (NIL). Según Canon esta máquina permite la fabricación de chips de hasta 2 nm y es diez veces más barata que una máquina UVE de última generación. La diferencia de precio es aún mayor si comparamos su coste con el de un equipo de litografía UVE y alta apertura de ASML: 14 millones de euros frente a nada menos que 350 millones de euros.

Japón está coqueteando con los aceleradores de partículas para fabricar chips

Los equipos de litografía NIL de Canon todavía tienen que convencer a los grandes fabricantes de semiconductores, como TSMC, Intel o Samsung, de que representan una alternativa real a las máquinas UVE de ASML. Sin embargo, esta no es la única baza de Japón para recuperar su antiguo liderazgo en la industria de los equipos de fotolitografía. Y es que un grupo de científicos de la Organización para la Investigación en Física de Altas Energías con Aceleradores​ de Tsukuba, que es el laboratorio de física de partículas más importante de Japón, está trabajando en una idea revolucionaria.

Uno de los componentes más importantes de los equipos de litografía UVE es la fuente de luz ultravioleta. La fabrica la compañía estadounidense Cymer, que desde 2013 pertenece a ASML, y se responsabiliza de transportar el patrón geométrico descrito por la máscara para que pueda ser transferido con muchísima precisión a la superficie de la oblea de silicio. Esta luz pertenece a la porción más energética de la región ultravioleta del espectro electromagnético. De hecho, su longitud de onda se extiende en el rango que va desde los 10 hasta los 100 nanómetros (nm).

La aproximación de los investigadores japoneses que he mencionado unas líneas más arriba es muy diferente. Y es que lo que proponen es reemplazar la fuente de luz ultravioleta que utiliza ASML por un láser de electrones libres o FEL por su denominación en inglés (Free-Electron Laser) como los que se utilizan en los aceleradores de partículas. De hecho, en sus pruebas están utilizando un láser FEL generado por un acelerador lineal de recuperación de energía. En teoría la radiación generada por un láser FEL permite fabricar circuitos integrados con una resolución equiparable a la de una fuente de luz ultravioleta.

A priori suena bien, pero parece razonable aceptar que un láser FEL vinculado a un acelerador de partículas no es precisamente barato. La razón por la que los científicos japoneses consideran que su solución es preferible a la que emplea ASML consiste en que un solo acelerador lineal de recuperación de energía es capaz de alimentar simultáneamente varias máquinas de litografía. Esto significa, sencillamente, que estos físicos están convencidos de que su estrategia les permite obtener la radiación que necesitan para fabricar circuitos integrados de una forma mucho más eficiente y rentable desde un punto de vista estrictamente económico.

No cabe duda de que esta propuesta es muy interesante desde una perspectiva tecnológica, pero plantea dudas muy serias. En 2021 estos mismos físicos estimaron que un acelerador de recuperación de energía costaba en ese momento unos 260 millones de dólares, mientras que un equipo de litografía UVE rozaba los 200 millones. Además, el acelerador es solo la fuente de luz.

A su coste es necesario añadir el del resto de los componentes que son necesarios para fabricar los semiconductores, como, por ejemplo, los elementos ópticos o los dispositivos robotizados. Aun así, estos físicos nipones aseguran que su solución es más barata que la de ASML. Sea como sea hay otro parámetro que merece la pena que no pasemos por alto: los aceleradores de partículas son enormes. Y difícilmente van a conseguir empequeñecerlos lo necesario para alojarlos en una planta de fabricación de chips convencional. Veremos cómo evoluciona esta tecnología, pero no cabe duda de que merece la pena seguirle la pista.

Imagen | KEK

Más información | IEEE Spectrum

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