Cymer alimentaba un láser con 50.000 gotas de estaño por segundo para generar la luz que imprime chips de 3 nm

En la década de 2000 la industria se había quedado sin longitudes de onda: para mantener la Ley de Moore según lo previsto, los fabricantes de chips necesitaban litografía a 13,5 nm, una luz que ningún láser existente puede producir y que ninguna lente puede transmitir. La luz tenía que provenir de un plasma lo bastante caliente como para despojar a los átomos de estaño hasta estados de carga Sn IX a Sn XIV, cuyas líneas de emisión se agrupan en 13,5 nm —creada 50.000 veces por segundo, durante años, dentro de un recipiente de vacío, sin destrozar la óptica que recoge el resplandor.

Los intentos obvios fracasaron. Quemar blancos de estaño sólido cubría el espejo colector de residuos, y los diseños de descarga, de baja potencia, colocaban electrodos que se erosionaban en la zona de explosión. Cymer, la empresa de San Diego que ya fabricaba las fuentes de luz ultravioleta profunda para la mayoría de los escáneres de chips, dedicó años y capital a la respuesta basada en gotas: un generador que dispara gotas de estaño fundido de ~25 micras a 70 m/s, un prepulso que expande cada gota en una tortita de baja densidad, y un pulso principal de CO2 de 10,6 micras que la ioniza en un plasma que emite a 13,5 nm con una eficiencia de conversión del 5–6% —unos 250 vatios de luz utilizable.

ASML, el único fabricante de sistemas de litografía que seguía en pie en EUV, decidió que la fuente de luz era demasiado crítica para dejarla en manos ajenas. El 17 de octubre de 2012 acordó comprar Cymer por 1.950 millones de euros en efectivo y acciones —20,00 dólares más 1,1502 acciones de ASML por acción, una prima del 61%— explícitamente «para acelerar el desarrollo de EUV». Para entonces, los escáneres NXE:3100 de preproducción de ASML ya habían expuesto más de 23.000 obleas en instalaciones de clientes.

La operación se cerró el 30 de mayo de 2013 por unos 3.700 millones de dólares, más de lo anunciado porque las acciones de ASML casi se habían duplicado. Cymer siguió operando como la división de fuentes de ASML con sede en EE. UU., atendiendo aún a fabricantes de escáneres rivales en condiciones de independencia.

Alimentar el plasma con gotas; dejar que el blanco se renueve a sí mismo

El estaño es el único emisor práctico a 13,5 nm, así que el verdadero problema de diseño no era el plasma sino sobrevivir a él: las gotas lo resuelven haciendo que el blanco sea desechable.

El esquema de dos pulsos da forma al blanco antes de quemarlo: la tortita del prepulso permite que el pulso de CO2 se acople eficientemente, elevando la eficiencia de conversión al 5–6% que exige la fabricación.

El gas hidrógeno convierte el estaño depositado en gas estannano que se bombea fuera, de modo que el espejo colector se limpia en su sitio en lugar de obligar a detener la herramienta.

ASML compró al fabricante de la fuente en lugar de apostar su programa EUV a negociaciones con proveedores: la integración vertical eliminó de la cadena de suministro el componente individual más arriesgado.

Cuando un componente no deja de destruirse por su propio trabajo, deja de reforzarlo: hazlo desechable y aliméntalo de forma continua. Un consumible que se renueva a sí mismo supera a una coraza.

Toda fábrica de chips de vanguardia funciona hoy con esta arquitectura: ASML es la única empresa que vende sistemas de litografía EUV, y sus fuentes de generación actual entregan unos 250 W de potencia en banda en el foco intermedio, con los sistemas de alta apertura numérica apuntando a 500 W. Los espejos colectores siguen erosionándose —una pérdida de reflectividad de aproximadamente 0,1–0,3% por cada mil millones de pulsos—, por lo que se sustituyen aproximadamente cada año, y el generador de gotas de estaño sigue siendo el corazón de la máquina. Los chips cuyos patrones se definen con luz de 13,5 nm están dentro de prácticamente todos los teléfonos inteligentes y procesadores de centros de datos modernos.