En la carrera mundial hacia nodos de proceso más pequeños, mayor potencia de cálculo, aceleración de la inteligencia artificial y conectividad avanzada, hay una categoría de materiales cada vez más estratégica: los materiales de tierras raras. Aunque a menudo resultan invisibles para los usuarios finales, los materiales de tierras raras están profundamente integrados en casi todas las fases críticas de la fabricación de semiconductores, desde la litografía y la planarización de obleas hasta el grabado por plasma, la fabricación de dispositivos de radiofrecuencia, el almacenamiento magnético y la fotónica de silicio.
A medida que Europa refuerza su ecosistema de semiconductores con la Ley de Chips de la UE y Alemania sigue posicionándose como líder en equipos de semiconductores e ingeniería de materiales avanzados, la importancia de los materiales de tierras raras va más allá del rendimiento técnico. Se ha convertido en una cuestión de resiliencia industrial y soberanía tecnológica.
Este artículo explora cómo los materiales de tierras raras están configurando el futuro de la fabricación de semiconductores y por qué seguirán siendo indispensables en las próximas décadas.
I. Materiales de tierras raras en sistemas litográficos avanzados
Litografía es la columna vertebral de la fabricación de semiconductores. La capacidad de imprimir características a nanoescala en obleas de silicio determina la densidad de los transistores, la eficiencia energética y el rendimiento general de los chips. Mientras que la litografía ultravioleta extrema (EUV) se basa en fuentes de luz generadas por plasma, los materiales de tierras raras desempeñan funciones de apoyo esenciales en subsistemas láser y componentes de protección óptica.
Uno de los materiales láser más utilizados es el granate de aluminio e itrio dopado con neodimio granate de aluminio e itrio (Nd:YAG). En esta estructura cristalina, los iones de neodimio (Nd³⁺)-un elemento de tierras raras- actúan como medio láser activo. Los sistemas Nd:YAG generan luz láser infrarroja de 1,064 μm, que puede duplicarse en frecuencia a 532 nm o convertirse en luz ultravioleta de 355 nm. Estas longitudes de onda son cruciales para la metrología de precisión, la alineación de obleas y los sistemas de inspección dentro de las instalaciones de fabricación avanzadas.
Sin materiales de tierras raras como el neodimio y el itrio, no sería posible disponer de láseres de estado sólido estables y de alta potencia con los niveles de rendimiento necesarios para la fabricación de semiconductores.
Otro ejemplo son los materiales basados en el terbio. Los cristales de granate galio terbio (TGG) se utilizan en aisladores ópticos para proteger las fuentes láser de alta potencia de las reflexiones traseras. Aprovechando el potente efecto magneto-óptico Faraday de los iones de terbio, estos componentes garantizan la transmisión unidireccional de la luz, protegiendo los costosos equipos láser de los sistemas litográficos EUV y DUV.
De cara al futuro, la investigación en sistemas láser dopados con tulio sugiere que los materiales de tierras raras pueden mejorar aún más la eficiencia de la fuente EUV. Una mayor eficiencia de conversión podría reducir significativamente los costes de litografía, que siguen siendo uno de los aspectos de la producción de semiconductores que requieren más capital.
II. Óxido de cerio y materiales de tierras raras en procesos CMP
Dado que las estructuras de los transistores son cada vez más complejas, es esencial conseguir superficies de oblea ultraplanas. La planarización químico-mecánica (CMP) garantiza la uniformidad de las capas y la lisura de las superficies a escala nanométrica.
Entre todos los materiales de tierras raras utilizados en la fabricación de semiconductores, óxido de cerio (CeO₂) desempeña un papel especialmente importante. A diferencia de los abrasivos convencionales, como la sílice (SiO₂) o la alúmina (Al₂O₃), el óxido de cerio participa en las interacciones químicas y mecánicas durante el pulido.
En los lodos alcalinos de CMP, el CeO₂ reacciona químicamente con el dióxido de silicio para formar compuestos de silicato de cerio que pueden eliminarse fácilmente. Este mecanismo de doble acción aumenta la velocidad de eliminación de material al tiempo que mantiene una alta selectividad. Pule eficazmente las capas de óxido sin atacar significativamente los materiales adyacentes, como el nitruro de silicio.
Gracias a esta combinación de eficacia y selectividad, los materiales de tierras raras basados en cerio se han convertido en el estándar del sector para los procesos de aislamiento de zanjas poco profundas (STI) y otros pasos de planarización de óxidos.
A medida que se reduzcan las geometrías de los dispositivos, aumentará la demanda de partículas de óxido de cerio de gran pureza y rigurosamente controladas, lo que reforzará la importancia estratégica de los materiales de tierras raras en los nodos avanzados.
III. Materiales de tierras raras a base de itrio en equipos de grabado por plasma
Los sistemas de grabado por plasma funcionan en condiciones químicas extremadamente agresivas. Los plasmas basados en flúor y cloro se utilizan para grabar capas dieléctricas y modelar complejas estructuras de dispositivos. Sin embargo, estas especies reactivas también pueden degradar los componentes internos de la cámara.
Los materiales RE basados en itrio proporcionan una protección crítica. Los revestimientos cerámicos de óxido de itrio (Y₂O₃) y fluoruro de itrio (YF₃) se aplican ampliamente a los componentes de las cámaras de grabado. En entornos ricos en flúor, el Y₂O₃ forma una densa capa superficial protectora de YF₃ que resiste una mayor erosión química.
Estos materiales de tierras raras prolongan la vida útil de los componentes, reducen la contaminación por partículas y mejoran la estabilidad de los procesos. Aunque la cantidad de itrio utilizada en una sola herramienta es relativamente pequeña, la vasta base mundial instalada de sistemas de grabado por plasma crea una demanda sostenida y estratégica de compuestos de itrio de alta pureza.
En la fabricación avanzada, el tiempo de actividad y el control de la contaminación influyen directamente en el rendimiento. Por lo tanto, los materiales de tierras raras no son simples potenciadores opcionales del rendimiento, sino que son facilitadores esenciales de la fiabilidad y la rentabilidad.
IV. Materiales de tierras raras en dispositivos de radiofrecuencia 5G y electrónica emergente
A medida que evolucionan las normas de comunicación inalámbrica, los materiales de tierras raras impulsan mejoras en el rendimiento de los dispositivos de radiofrecuencia.
Un ejemplo destacado son las películas finas de nitruro de aluminio y escandio (AlScN). El escandio, clasificado entre los materiales de tierras raras, mejora significativamente las propiedades piezoeléctricas del nitruro de aluminio cuando se incorpora a su red cristalina. Las películas de AlScN resultantes se utilizan en filtros de ondas acústicas masivas (BAW), que son componentes críticos de los módulos frontales de radiofrecuencia 5G.
Los coeficientes piezoeléctricos más elevados se traducen en una mejora del ancho de banda del filtro y del rendimiento de la señal, lo que permite una comunicación inalámbrica más rápida y fiable. A medida que se amplía la 5G y avanza la investigación de la 6G, se espera que los materiales de tierras raras basados en escandio desempeñen un papel aún más importante.
Además, elementos de tierras raras como el neodimio y el praseodimio contribuyen a las películas finas magnéticas avanzadas utilizadas en las tecnologías de almacenamiento de datos. Sus configuraciones electrónicas únicas mejoran la anisotropía magnética y la estabilidad, lo que contribuye a seguir mejorando la densidad de almacenamiento.
V. Fotónica del silicio y materiales luminiscentes de tierras raras
Una de las aplicaciones a largo plazo más prometedoras de los materiales RE es la fotónica del silicio. La integración de funciones ópticas directamente en chips de silicio podría mejorar drásticamente la eficiencia de la transmisión de datos en centros de datos, procesadores de inteligencia artificial y sistemas informáticos de alto rendimiento.
El óxido de europio (Eu₂O₃) presentan potentes propiedades electroluminiscentes debido a las transiciones electrónicas 4f características de los iones de europio. A diferencia de muchos emisores semiconductores convencionales, los materiales luminiscentes de tierras raras suelen presentar características de emisión estables en una amplia gama de concentraciones.
Mediante la integración de materiales de tierras raras basados en el europio en sustratos de silicio, los investigadores pretenden desarrollar fuentes luminosas compatibles con CMOS. Este enfoque podría superar los problemas de compatibilidad asociados a los semiconductores III-V tradicionales, como el GaN.
Si tienen éxito, los materiales de tierras raras podrían permitir interconexiones ópticas totalmente integradas, transformando radicalmente la arquitectura de los chips y la eficiencia energética.
Resistencia de la cadena de suministro y consideraciones estratégicas
La creciente dependencia de los materiales de tierras raras en la fabricación de semiconductores pone de relieve un problema geopolítico y económico más amplio: la seguridad de la cadena de suministro.
Los óxidos de tierras raras de gran pureza, los cristales láser, los recubrimientos cerámicos y los cátodos para sputtering requieren capacidades avanzadas de refinado y procesamiento. Garantizar un acceso estable a estos materiales es fundamental para mantener la competitividad de los semiconductores.
Para Europa, reforzar el procesamiento nacional de tierras raras, invertir en tecnologías de reciclaje y diversificar las estrategias de abastecimiento son pasos esenciales hacia la resiliencia industrial. Los materiales de tierras raras no son simples materias primas; son insumos estratégicos para la infraestructura digital, los sistemas de defensa, las tecnologías de energías renovables y la electrónica avanzada.
Conclusiones: Los materiales renovables, motor oculto del progreso de los semiconductores
Desde los láseres litográficos y el pulido CMP hasta los recubrimientos resistentes al plasma, los filtros RF, el almacenamiento magnético y la fotónica de silicio, los materiales de tierras raras están profundamente integrados en la cadena de valor de los semiconductores.
A medida que evolucionen las arquitecturas de los transistores y se intensifiquen los requisitos de rendimiento, seguirá aumentando la demanda de materiales especializados de tierras raras. Sus propiedades ópticas, magnéticas, catalíticas y electrónicas únicas no pueden sustituirse fácilmente.
En la próxima década, los avances en la ciencia de los materiales de tierras raras pueden influir directamente en la velocidad de la innovación en semiconductores. Tanto para los fabricantes como para los investigadores y los responsables políticos, reconocer el papel fundamental de los materiales de tierras raras es esencial para dar forma a un futuro de semiconductores resistente y competitivo.