Nella corsa globale verso nodi di processo più piccoli, maggiore potenza di calcolo, accelerazione dell’intelligenza artificiale e connettività avanzata, una categoria di materiali sta diventando sempre più strategica: le terre rare. Anche se spesso invisibili agli utenti finali, i materiali delle terre rare sono profondamente integrati in quasi tutte le fasi critiche della produzione dei semiconduttori, dalla litografia e dalla planarizzazione dei wafer all’incisione al plasma, alla fabbricazione di dispositivi RF, all’immagazzinamento magnetico e alla fotonica del silicio.
Mentre l’Europa rafforza il suo ecosistema di semiconduttori con il Chips Act dell’UE e la Germania continua a posizionarsi come leader nelle attrezzature per semiconduttori e nell’ingegneria dei materiali avanzati, l’importanza dei materiali delle terre rare va oltre le prestazioni tecniche. È diventata una questione di resilienza industriale e di sovranità tecnologica.
Questo articolo analizza come i materiali delle terre rare stiano plasmando il futuro della produzione di semiconduttori e perché rimarranno indispensabili nei decenni a venire.
I. I materiali delle terre rare nei sistemi litografici avanzati
La litografia è la spina dorsale della produzione di semiconduttori. La capacità di modellare caratteristiche su scala nanometrica sui wafer di silicio determina la densità dei transistor, l’efficienza energetica e le prestazioni complessive dei chip. Mentre la litografia a ultravioletti estremi (EUV) si basa su sorgenti di luce generate da plasma, i materiali delle terre rare svolgono un ruolo di supporto essenziale nei sottosistemi laser e nei componenti di protezione ottica.
Uno dei materiali laser più utilizzati è il granato di alluminio e ittrio drogato al neodimio ittrio alluminio granato (Nd:YAG). In questa struttura cristallina, gli ioni di neodimio (Nd³⁺) – un elemento delle terre rare – agiscono come mezzo laser attivo. I sistemi Nd:YAG generano una luce laser infrarossa di 1,064 μm, che può essere raddoppiata in frequenza a 532 nm o convertita in luce ultravioletta a 355 nm. Queste lunghezze d’onda sono fondamentali per la metrologia di precisione, l’allineamento dei wafer e i sistemi di ispezione all’interno di impianti di fabbricazione avanzati.
Senza i materiali delle terre rare, come il neodimio e l’ittrio, non sarebbe possibile realizzare laser a stato solido stabili e ad alta potenza ai livelli di prestazione richiesti per la produzione di semiconduttori.
Un altro esempio è rappresentato dai materiali a base di terbio. I cristalli di gallio granato di terbio (TGG) sono utilizzati negli isolatori ottici per proteggere le sorgenti laser ad alta potenza dalle riflessioni posteriori. Sfruttando il forte effetto magneto-ottico di Faraday degli ioni di terbio, questi componenti garantiscono una trasmissione unidirezionale della luce, salvaguardando le costose apparecchiature laser nei sistemi di litografia EUV e DUV.
In prospettiva, la ricerca sui sistemi laser drogati con tulio suggerisce che i materiali delle terre rare possono migliorare ulteriormente l’efficienza delle sorgenti EUV. Una maggiore efficienza di conversione potrebbe ridurre significativamente i costi della litografia, che rimane uno degli aspetti della produzione di semiconduttori a più alta intensità di capitale.
II. Ossido di cerio e materiali delle terre rare nei processi CMP
Poiché le strutture dei transistor diventano sempre più complesse, è essenziale ottenere superfici ultrapiatte dei wafer. La planarizzazione chimico-meccanica (CMP) garantisce l’uniformità dello strato e la levigatezza della superficie su scala nanometrica.
Tra tutti i materiali a base di terre rare utilizzati nella produzione di semiconduttori, l’ossido di cerio (CeO₂) svolge un ruolo particolarmente critico. A differenza degli abrasivi convenzionali come la silice (SiO₂) o l’allumina (Al₂O₃), l’ossido di cerio partecipa alle interazioni sia chimiche che meccaniche durante la lucidatura.
Negli impasti CMP alcalini, CeO₂ reagisce chimicamente con il biossido di silicio per formare composti di silicato di cerio che possono essere facilmente rimossi. Questo meccanismo a doppia azione aumenta la velocità di rimozione del materiale mantenendo un’elevata selettività. Lucida efficacemente gli strati di ossido senza attaccare in modo significativo i materiali adiacenti, come il nitruro di silicio.
Grazie a questa combinazione di efficienza e selettività, i materiali a base di terre rare del cerio sono diventati lo standard del settore per i processi di isolamento della trincea poco profonda (STI) e altre fasi di planarizzazione dell’ossido.
Con l’ulteriore riduzione delle geometrie dei dispositivi, la richiesta di particelle di ossido di cerio di elevata purezza e strettamente controllate non potrà che crescere, rafforzando l’importanza strategica dei materiali a base di terre rare nei nodi avanzati.
III. Materiali delle terre rare a base di ittrio nelle apparecchiature di incisione al plasma
I sistemi di incisione al plasma operano in condizioni chimiche estremamente aggressive. I plasmi a base di fluoro e cloro sono utilizzati per incidere gli strati dielettrici e modellare le strutture intricate dei dispositivi. Tuttavia, queste specie reattive possono anche degradare i componenti interni della camera.
I materiali RE a base di ittrio forniscono una protezione critica. I rivestimenti ceramici in ossido di ittrio (Y₂O₃) e fluoruro di ittrio (YF₃) sono ampiamente applicati ai componenti della camera di incisione. In ambienti ricchi di fluoro, l’Y₂O₃ forma un denso strato superficiale protettivo che resiste a ulteriori erosioni chimiche.
Questi materiali a base di terre rare prolungano la durata dei componenti, riducono la contaminazione delle particelle e migliorano la stabilità dei processi. Anche se la quantità di ittrio utilizzata in un singolo utensile è relativamente piccola, la vasta base installata a livello mondiale di sistemi di incisione al plasma crea una domanda sostenuta e strategica di composti di ittrio di elevata purezza.
Nella produzione avanzata, i tempi di attività e il controllo della contaminazione influenzano direttamente la resa. Pertanto, i materiali a base di terre rare non sono semplicemente dei miglioramenti opzionali delle prestazioni, ma sono fattori essenziali per l’affidabilità e la redditività.
IV. Materiali delle terre rare nei dispositivi RF 5G e nell'elettronica emergente
Con l’evoluzione degli standard di comunicazione wireless, i materiali delle terre rare stanno migliorando le prestazioni dei dispositivi RF.
Un esempio importante è rappresentato dai film sottili di nitruro di alluminio e scandio (AlScN). Lo scandio, classificato tra i materiali delle terre rare, migliora significativamente le proprietà piezoelettriche del nitruro di alluminio quando viene incorporato nel suo reticolo cristallino. I film di AlScN che ne derivano sono utilizzati nei filtri per onde acustiche di massa (BAW), che sono componenti critici nei moduli front-end RF 5G.
Coefficienti piezoelettrici più elevati si traducono in un miglioramento della larghezza di banda del filtro e delle prestazioni del segnale, consentendo comunicazioni wireless più veloci e affidabili. Con l’espansione del 5G e i progressi della ricerca sul 6G, si prevede che i materiali delle terre rare a base di scandio giocheranno un ruolo ancora più importante.
Inoltre, gli elementi delle terre rare come il neodimio e il praseodimio contribuiscono ai film sottili magnetici avanzati utilizzati nelle tecnologie di archiviazione dei dati. Le loro configurazioni elettroniche uniche migliorano l’anisotropia magnetica e la stabilità, favorendo continui miglioramenti nella densità di memorizzazione.
V. Fotonica del silicio e materiali luminescenti delle terre rare
Una delle applicazioni a lungo termine più promettenti dei materiali RE è la fotonica del silicio. L’integrazione di funzionalità ottiche direttamente nei chip di silicio potrebbe migliorare notevolmente l’efficienza della trasmissione dei dati nei data center, nei processori AI e nei sistemi di calcolo ad alte prestazioni.
L’ossido di europio (Eu₂O₃) dimostrano forti proprietà elettroluminescenti grazie alle caratteristiche transizioni elettroniche 4f degli ioni di europio. A differenza di molti emettitori semiconduttori convenzionali, i materiali luminescenti a base di terre rare spesso presentano caratteristiche di emissione stabili in un’ampia gamma di concentrazioni.
Integrando i materiali delle terre rare a base di europio su substrati di silicio, i ricercatori mirano a sviluppare sorgenti luminose compatibili con i CMOS. Questo approccio potrebbe superare le sfide di compatibilità associate ai tradizionali semiconduttori III-V come il GaN.
In caso di successo, i materiali a base di terre rare potrebbero consentire interconnessioni ottiche completamente integrate, trasformando radicalmente l’architettura dei chip e l’efficienza energetica.
Resilienza della catena di approvvigionamento e considerazioni strategiche
La crescente dipendenza dai materiali delle terre rare nella produzione di semiconduttori evidenzia un problema geopolitico ed economico più ampio: la sicurezza della catena di approvvigionamento.
Gli ossidi di terre rare di elevata purezza, i cristalli laser, i rivestimenti ceramici e gli obiettivi di sputtering richiedono capacità di raffinazione e lavorazione avanzate. Garantire un accesso stabile a questi materiali è fondamentale per mantenere la competitività dei semiconduttori.
Per l’Europa, rafforzare la lavorazione delle terre rare a livello nazionale, investire nelle tecnologie di riciclaggio e diversificare le strategie di approvvigionamento sono passi essenziali verso la resilienza industriale. I materiali delle terre rare non sono semplicemente delle commodity, ma sono input strategici per le infrastrutture digitali, i sistemi di difesa, le tecnologie per le energie rinnovabili e l’elettronica avanzata.
Conclusioni: I materiali RE come motore nascosto del progresso dei semiconduttori
Dai laser per litografia e la lucidatura CMP ai rivestimenti resistenti al plasma, ai filtri RF, all’immagazzinamento magnetico e alla fotonica del silicio, i materiali delle terre rare sono profondamente integrati nella catena del valore dei semiconduttori.
Con l’evoluzione delle architetture dei transistor e l’intensificarsi dei requisiti di prestazione, la domanda di materiali specializzati in terre rare continuerà a crescere. Le loro proprietà ottiche, magnetiche, catalitiche ed elettroniche uniche non possono essere facilmente sostituite.
Nel prossimo decennio, i progressi nella scienza dei materiali delle terre rare potrebbero influenzare direttamente la velocità dell’innovazione dei semiconduttori. Per i produttori, i ricercatori e i responsabili politici, riconoscere il ruolo fondamentale dei materiali delle terre rare è essenziale per dare forma a un futuro di semiconduttori resiliente e competitivo.