The Clean Room strengthens its technological capabilities to meet the challenges of the coming decade

New scientific capabilities in emerging technologies and greater energy efficiency mark a new phase for the Micro and Nanofabrication Clean Room of the Spanish National Research Council (CSIC), housed and managed by the Institute of Microelectronics of Barcelona (IMB-CNM, CSIC).

This transformation is part of the initiatives established under the MicroNanoFabs Strategic Plan, made possible by funding received through the Recovery, Transformation, and Resilience Plan, as well as the Strategic Project for the Economic Recovery and Transformation of Microelectronics and Semiconductors (PERTE Chip), which are also funded by the European Union's Next Generation EU program.

The strategic plan is structured around two main lines of action: "strengthening scientific and technological capabilities to address current and future challenges in science; and, secondly, upgrading the infrastructure that ensures the cleanroom’s operation to reduce our emissions," explains David Quirion, director of the IMB-CNM Clean Room.

In this context, the incorporation of capabilities for new technologies and advanced equipment for emerging materials beyond conventional silicon stands out.

The current IMB-CNM Clean Room is a 1,500-square-meter facility designed for the high-precision manufacturing of semiconductors. To achieve this, it is necessary to maintain constant temperature, humidity, and pressure conditions without interruption, as well as to have, for example, anti-vibration slabs and work protocols to prevent sample contamination. This control is essential to ensure the repeatability of the manufacturing processes for chips and other microelectronic devices.

"It is a research and development space dedicated to advancing knowledge in applied microelectronics, but it is also a hub for significant technology transfer, with products that are currently on the market and have been successfully commercialized," notes Luis Fonseca, director of the IMB-CNM.

The Clean Room is divided into ten specialized areas where processes such as metallization, photolithography, and etching are carried out.

The newly installed equipment enhances the institute's CMOS technology, the most widely used manufacturing method in the semiconductor industry due to its integration capabilities and low energy consumption. It also increases the capacity for scalable miniaturization and provides greater flexibility in the use of materials relevant to microelectronics.

Notable among the acquired equipment is the Zenit-150 from Annealsys, a laser annealing system capable of temperatures up to 1,900 °C, which enables work with wide-bandgap semiconductors, such as silicon carbide or gallium nitride, as well as two-dimensional materials like graphene. The acquisition of the AC450CT deposition system from Alliance Concept and the Scia Mill 150 etching system also paves the way for the integration of advanced materials on silicon or beyond conventional silicon.

Key areas, such as photolithography, have been strengthened with the acquisition of the Nikon iL12 stepper and the Raith 150 Two from Raith GmbH, for inspection, lithography, and critical-dimension metrology.

All of this reinforces the enabling technologies essential for the development of the next generation of electronic devices, sensors, and microsystems.

Microelectronics manufacturing is energy and water-intensive. With the goal of moving toward a more efficient and sustainable model, the IMB-CNM identified four priority areas for action: water, gases, air conditioning, and energy.

One of the most significant initiatives has been the renovation of the water treatment plant. Microelectronics manufacturing processes require ultrapure water, so the water must undergo deionization processes before use.

The commitment to sustainability will extend beyond the initiatives funded by the PRTR and the PERTE Chip. The CSIC is undertaking a complete renovation of the Clean Room's air conditioning systems, which are responsible for continuously maintaining a stable temperature between 21 and 22 °C.

The installation of state-of-the-art equipment will reduce the energy consumption associated with this system by 20 percent, while maintaining the stringent environmental conditions required for microelectronics manufacturing. This project requires a temporary shutdown of the Clean Room’s operations until February 2027.

In addition to the projects funded through the PERTE Chip program, there are other investments that will continue to expand the infrastructure’s capabilities.

Among these is funding channeled through the CSIC's Interdisciplinary Thematic Platform on Quantum Technologies (QTEP+), which is supported by the Complementary Plan for Quantum Communications of the Spanish Government and the Autonomous Communities and has enabled the recent launch of the Quantum Nanofabrication Area.

In addition, the IMB-CNM's participation in the European pilot line PIXEurope will bring new, state-of-the-art equipment for photonic applications. The IMB-CNM is also involved in two other European pilot projects: APECS for heterogeneous integration and advanced packaging, and SPINS for quantum technologies.

These initiatives will strengthen the capacity to manufacture nanoscale devices and circuits for applications in integrated photonics, quantum technologies, and other strategic areas of advanced microelectronics.

In addition, the cleanroom will be expanded by an additional 500 square meters, jointly funded by the CSIC and the Government of Catalonia, the latter through the "Singulars Institucionals" call, co-financed by the Government of Catalonia’s Department of Research and Universities and the European Union under the ERDF Catalonia 2021–2027 program.

The IMB-CNM Clean Room is Spain's largest clean room dedicated to scientific research and has a track record of successful collaborations with industry. It has produced components for space missions to Mercury and Jupiter, microchips integrated into living cells for biomedical applications, neural implants developed by the spin-off INBRAIN Neuroelectronics, as well as components to improve the power grid, radiation detectors, and sensors for the Internet of Things.

The facility also holds the designation of Unique Science and Technology Infrastructure (ICTS), a distinction reserved for strategic, publicly owned facilities that are open to competitive access by the scientific and technological community. In the case of the micro and nanofabrication clean room Network, the ICTS MicroNanoFabs also includes the Nanophotonics Technology Center at the Polytechnic University of Valencia (NTC-UPV) and the Institute of Optoelectronic Systems and Microtechnology at the Polytechnic University of Madrid (ISOM-UPM).

This initiative is included in the Strategic Plan for Unique Science and Technology Infrastructures (ICTS) and in the 2021–2024 ICTS Roadmap developed by the Distributed ICTS for clean rooms and micro and nanofabrication.

The work spanned from 2022 through June 30, 2026, the date on which the PERTE Chip project, funded by the European Union through Next Generation EU funds, came to an end. During this period, 26 competitive bidding processes were conducted, 59 minor contracts were awarded, and 14 people were hired. The total investment in these initiatives exceeds 17 million euros in public funds to address the challenges of the coming decade.

The work carried out to improve the ICTS within the framework of the ICTS Strategy and the ICTS Map was executed between January 1, 2023, and June 30, 2026, the date marking the completion of the PRTR and the PERTE Chip, which receive funding from the European Union through the Next Generation EU funds.

List of activities carried out with funding from the Ministry of Science, Innovation, and Universities and the European Union—NextGenerationEU/PRTR—through grant ICTS-MRR-2023:

• Mejora de la cámara de reacción del equipo SI500-363 de Sentech, para grabado seco de capas basadas en silicio. Permite mejorar este proceso utilizado en la fabricación de dispositivos basados en tecnología CMOS en la ICTS del IMB-CNM.
• Mejora del sistema de vacío del equipo S10 de Oxford, para grabado seco de capas basadas en compuestos derivados del silicio. Permite mejorar este proceso utilizado en la fabricación de dispositivos basados en tecnología CMOS en la ICTS del IMB-CNM.
• Mejora del sistema de control del equipo PLASMALAB 800 PLUS de Oxford, para el depósito de capas de compuestos derivados del silicio. Permite mejorar este proceso utilizado en la fabricación de dispositivos de micro y nano sistemas (MEMS/NEMS) en la ICTS del IMB-CNM.
• Mejora del sistema de gases del equipo D350L de Corial, para el depósito de capas de compuestos derivados del silicio. Permite mejorar este proceso utilizado en la fabricación de dispositivos de micro y nano sistemas (MEMS/NEMS) en la ICTS del IMB-CNM.
• Mejora del sistema de control de los equipos AFK, AFS, AFT y AFU de Tempress, para el depósito de capas de compuestos derivados del silicio. Permite mejorar este proceso utilizado en la fabricación de dispositivos de micro y nano sistemas (MEMS/NEMS) en la ICTS del IMB-CNM.
• Nuevo equipo para la caracterización de hidrofobicidad y ángulo de contacto en el IMB-CNM: Modelo DSA25E de KRÜSS con dispensador automático y soporte para obleas de 100 y 150 mm. Este equipo permite caracterizar la superficie de las capas utilizadas en la fabricación de los dispositivos de micro y nano sistemas (MEMS/NEMS) en la ICTS del IMB-CNM.
• Nuevo equipo Zenit-150 de Annealsys, para el recocido rápido de hasta 1.900ºC en materiales de banda ancha y 2D. Permite mejorar este proceso integrando nuevas capas de compuestos como los citados en la fabricación de dispositivos de micro y nano electrónicos en la ICTS del IMB-CNM.
• Mejora del sistema de control del equipo AS-Master de Annealsys para el recocido rápido en materiales de banda ancha y 2D. Permite mejorar este proceso integrando nuevas capas de compuestos como los citados en la fabricación de dispositivos de micro y nano electrónicos en la ICTS del IMB-CNM.
• Nuevo equipo RTP-150 de Unitemp, para la pirólisis de resina en obleas de hasta 150 mm con materiales de banda ancha y 2D. Permite mejorar este proceso integrando nuevas capas de compuestos como los citados en la fabricación de dispositivos micro y nanoelectrónicos en la ICTS del IMB-CNM.
• Nuevo equipo LE-100 de Bioinicia, para el depósito de nanofibras por electrospinning en obleas de hasta 150 mm. Este proceso permite la hibridación de tecnologías combinando la de alimentación con la de silicio ampliando las capacidades de fabricación de dispositivos de micro y nano electrónicos en la ICTS del IMB-CNM. 

List of activities carried out with funding from the Ministry of Science, Innovation, and Universities and the European Union—NextGenerationEU/PRTR—through grant ICTS-MRR-2024:

• Nuevo equipo para el depósito de capas delgadas por pulverización catódica en el IMB-CNM: Modelo AC450CT de Alliance Concept con capacidad de hasta 4 blancos de 3 pulgadas instalados con selección automática de DC o RF en cada uno de ellos. Este equipo permite el depósito de las capas con grosores nanométricos para desarrollar nuevos procesos basados en tecnología CMOS en la ICTS del IMB-CNM.
• Nuevo equipo para la medida del tiempo de vida de portadores minoritarios y de resistividad sin contacto en el IMB-CNM: Modelo WT2000 de Semilab con capacidad de medidas sobre obleas de hasta 150 mm. Este equipo permite el control paramétrico de la calidad del óxido de silicio y la medida de resistividad sin contacto sobre capas conductoras y semiconductoras para verificar la correcta fabricación de dispositivos CMOS en la ICTS del IMB-CNM.
• Nuevo equipo para depósito por la técnica de PECVD en el IMB-CNM: Modelo PlasmaPro 100 PECVD de Oxford Instruments con capacidad de depositar capas de dieléctricos como óxido y nitruro de silicio. Este equipo permite procesar estas capas dopadas con boro y/o fósforo en concentraciones controladas para la fabricación de dispositivos basados en tecnología CMOS en la ICTS del IMB-CNM.
• Mejora de la cámara de reacción del equipo R200 Advance P de Picosun, para el depósito atómico de capas de compuestos derivados del silicio y otras. Permite mejorar el proceso haciéndolo más uniforme y repetitivo para la fabricación de dispositivos basados en la tecnología CMOS en la ICTS del IMB-CNM.
• Nuevo equipo para recocido por láser en el IMB-CNM: Modelo VOLCANO de Innovavent con capacidad de activar capas implantadas sobre obleas de hasta 150 mm sin generar calor adicional. Este equipo tiene integradas tres fuentes de láser con diferentes longitudes de onda para ampliar el rango de aplicaciones y mejorar las capacidades de fabricación de dispositivos denominados de banda ancha o 2D en la ICTS del IMB-CNM.
• Nuevo equipo para la soldadura por ultrasonidos de hilos conductores finos en el IMB-CNM: Modelo MPP iBond 5000 Dual con amplio rango de aplicaciones. Este equipo permite realizar soldaduras sobre diferentes sustratos anexando tecnologías híbridas sobre la de silicio ya establecida en el IMB-CNM.
• Nuevo equipo SCIA MILL 150 de SCIA systems, para el grabado de capas finas mediante haz amplio de iones de forma controlada y con alto grado de uniformidad en el IMB-CNM. Permite estructurar el dispositivo con detección de punto final sobre diferentes tamaños de muestras para la fabricación con tecnologías cuánticas, tanto los basados en fotónica como superconductores en el IMB-CNM.

Projects funded by the Ministry of Science, Innovation, and Universities and by the European Union—NextGenerationEU/PRTR through grant MICRO24001, Chip XXI:

• Nuevo microscopio electrónico de barrido de emisión de campo en el IMB-CNM: Modelo GEMINI SEM de Carl Zeiss con detector de rayos X. Este equipo permite mejorar las prestaciones en resolución y capacidad de análisis por rayos X en la inspección por SEM IMB-CNM.
• Cambio de la estación de trabajo y software de Control del microscopio electrónico de barrido AURIGA de Karl Zeiss, para la inspección de muestras y obleas con dispositivos micro y nanométricos. Permite actualizar y seguir utilizando el equipo durante un periodo más extenso y mejorar la capacidad de caracterización en la ICTS del IMB-CNM.
• Nuevo software de metrología y automatización para imágenes de microscopía electrónica de barrido en el IMB-CNM: Modelo P3P103 ProSEM Automatic Full Package V3 de GenISys GmbH con capacidad de generar imágenes de forma rápida y alta resolución. Este equipo permitirá extraer medidas de dimensiones críticas y de esta forma caracterizar procesos de litografía de alta resolución generadas por stepper, DUV o EBPG, aumentando las capacidades de caracterización de dispositivos en el IMB-CNM.
• Nuevo perfilómetro óptico 3D (sin contacto) para la medición de superficies con resolución nano y micrométrica en el IMB-CNM: Modelo S Neox 090-STD-H105-MO de Sensofar, con cabezal compatible para 4 técnicas de medida. Este equipo permite caracterizar obleas de hasta 150 mm con buena resolución y así mejorar las prestaciones de análisis de dispositivos fabricados en el IMB-CNM.
• Actualización de los equipos con una nueva carcasa, pantalla táctil integrada, procesador nuevo y versión adecuada de software que soporta los cambios para los equipos 4200-SCS de Keithley. Permite compatibilizar estos equipos con las nuevas mesas de puntas y extraer medidas eléctricas IV y CV para comprobar el funcionamiento de los dispositivos del IMB-CNM.
• Nuevos micromanipuladores Kevin para realizar medidas de 4 puntas en el IMB-CNM: Modelo MP50 de MPI con conexiones Force y Sense necesarias para medidas de 4 hilos y de capacidad en tensión. Estas puntas permiten aumentar las capacidades de caracterización eléctrica del IMB-CNM.
• Movimiento del Implantador Iónico IMC-210 de IBS, a una nueva ubicación de la Sala Blanca del IMB-CNM: Estando el equipo en la zona mixta, donde se procesan todo tipo de dispositivos, incluso aquellos que se consideran no-CMOS, se traslada a una zona donde únicamente se procesan runes con tecnología CMOS. De esa forma se minimiza el riesgo de contaminación cruzada garantizando la fabricación exitosa de los dispositivos CMOS.
• Nuevo equipo Raith 150 TWO de Raith GmbH, para la inspección, litografía y metrología por haz de electrones de bajo voltaje en el IMB-CNM. El equipo estructura y mide dimensiones del orden de los 2nm en obleas de hasta 200 mm, mejorando los procesos de litografía en el IMB-CNM. Permite abordar nuevos retos de las tecnologías cuánticas, tanto los basados en fotónica como en superconductores que se desarrollan en IMB-CNM.
• Nuevo equipo i-Line 5x NSR-2205iL1 de Nikon Precision Europe GmbH, para la litografía óptica por proyección en el rango de luz ultravioleta con longitud de onda de 365 nm para obleas de hasta 150mm. Permite estructurar dispositivos con una resolución de al menos 350nm de forma automatizada, controlando el proceso de cada oblea por separado y trabajar de forma secuencial con el conjunto del lote. Esto mejora los procesos de litografía y fabricación de dispositivos en el IMB-CNM.
• Nuevo microscopio óptico MX63 de Olympus, para la inspección de muestras fabricadas con litografía por stepper. Permite verificar la calidad del proceso durante la fabricación de forma rápida y no destructiva, mejorando los procesos de litografía y fabricación de dispositivos en la ICTS del IMB-CNM.
• Nuevo equipo Automegasamdri 936 Series C de Tousimis, para el secado por punto crítico de muestras estructuradas con dimensiones micrométricas y susceptibles de dañarse en el secado convencional con nitrógeno en el IMB-CNM. Permite mediante inyección de dióxido de carbono llevar a la muestra al punto crítico y desplazar el disolvente, secándola y evitando el colapso de las frágiles estructuras.
• Nuevo equipo LS-LAB de Lasing, para la micromecanización por ablación láser de forma automatizada en el IMB-CNM. Permite mecanizar el encapsulado de los dispositivos con dos fuentes láser sin dañar las partes metálicas ni alterar el comportamiento funcional del circuito integrado. Esta técnica mejora el proceso de ingeniería inversa para analizar sin destruir los dispositivos del IMB-CNM.
• Nueva sierra de corte SS20 de Tokyo Seimitsu, para la división con cuchilla de cuarzo de los chips que se han fabricado sobre la oblea en el IMB-CNM. Permite cortar obleas de hasta 200 mm de diámetro y 30 mm de grosor individualizando los circuitos antes de la soldadura y encapsulado para la aplicación final. Esta técnica mejora las capacidades del laboratorio de corte del IMB-CNM.
• Nueva sierra de corte WELL 3500 de Well Precision, con alambre de diamante de precisión para preparar las muestras para el laboratorio de ingeniería inversa del IMB-CNM. Permite procesar un conjunto más amplio de muestras con una mayor flexibilidad para el tamaño de muestra y cortes no lineales. Esta técnica mejora las capacidades del corte para ingeniería inversa en el IMB-CNM.