La Sala Blanca refuerza sus capacidades tecnológicas para afrontar los retos de la próxima década

Nuevas capacidades científicas en tecnologías emergentes y más eficiencia en el consumo de energía marcan una nueva etapa para la Sala Blanca de Micro y Nanofabricación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), alojada y gestionada por el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC).

Esta transformación se enmarca dentro de las actuaciones establecidas en el marco del Plan Estratégico MicroNanoFabs, posibles gracias a la financiación recibida a través del Plan de Recuperación, Transformación y Resiliencia, así como por el Proyecto Estratégico para la Recuperación y Transformación Económica de Microelectrónica y Semiconductores (PERTE Chip), asimismo financiados por la Unión Europea Next Generation EU.

El plan estratégico se articula en dos grandes líneas de actuación: “reforzar las capacidades científicas y tecnológicas para afrontar los retos actuales y futuros de la ciencia; y, por otro, renovar las infraestructuras que garantizan el funcionamiento de la sala para reducir nuestras emisiones”, explica David Quirion, director de la Sala Blanca del IMB-CNM.

En este contexto, destaca la incorporación de capacidades para nuevas tecnologías y equipamiento avanzado para materiales emergentes más allá del silicio convencional.

La actual Sala Blanca del IMB-CNM es una instalación de 1.500 metros cuadrados diseñada para la fabricación de alta precisión de semiconductores. Para ello, es necesario mantener unas condiciones constantes de temperatura, humedad y presión de forma ininterrumpida; así como contar con, por ejemplo, losas antivibratorias y protocolos de trabajo para evitar la contaminación de las muestras. Este control es esencial para garantizar la repetibilidad de los procesos de fabricación de chips y otros dispositivos microelectrónicos. 

“Es un espacio de investigación y desarrollo para avanzar en el conocimiento de la microelectrónica aplicada, pero donde también se realiza una fuerte actividad de transferencia de tecnología, con productos que llegan y han llegado al mercado”, destaca Luis Fonseca, director del IMB-CNM.

La Sala Blanca se distribuye en diez áreas especializadas donde se llevan a cabo procesos como metalización, fotolitografía o grabado.

Los equipos incorporados refuerzan la tecnología CMOS del instituto, el método de fabricación más extendido en la industria de los semiconductores por su capacidad de integración y bajo consumo energético. También aumentan la capacidad de miniaturización escalable y aportan una mayor flexibilidad en el uso de materiales de interés para la microelectrónica.

Entre los equipos adquiridos destacan el Zenit-150 de Annealsys, un equipo para recocido por láser de hasta 1.900 ºC, que permite trabajar con semiconductores de banda ancha, como el carburo de silicio o el nitruro de galio, así como con materiales bidimensionales como el grafeno. La adquisición del sistema de deposición AC450CT de Alliance Concept y el sistema de grabado Scia Mill 150 abren también la puerta a la integración de materiales avanzados sobre silicio o más allá del silicio convencional.

Áreas clave, como la de Fotolitografía, han sido reforzadas con la adquisición del Stepper Nikon iL12 y del Raith 150 Two de Raith GmbH, para la inspección, litografía y metrología de dimensiones críticas.

Todo ello fortalece las tecnologías habilitadoras esenciales para el desarrollo de la próxima generación de dispositivos electrónicos, sensores y microsistemas.

La fabricación microelectrónica requiere un uso intensivo de energía y agua. Con el objetivo de avanzar hacia un modelo más eficiente y sostenible, el IMB-CNM definió cuatro ámbitos prioritarios de actuación: agua, gases, climatización y energía.

Una de las intervenciones más relevantes ha sido la renovación de la planta de tratamiento de aguas. Los procesos de fabricación microelectrónica requieren agua ultrapura, por lo que el agua debe someterse a procesos de desionización antes de su uso.

El compromiso con la sostenibilidad se extenderá más allá de las actuaciones financiadas por el PRTR y el PERTE Chip. El CSIC está acometiendo la renovación completa de los sistemas de climatización de la Sala Blanca, encargados de mantener de forma continua una temperatura estable entre 21 y 22 ºC.

La incorporación de equipos de última generación permitirá reducir en un 20 % el consumo energético asociado a este sistema, manteniendo las exigentes condiciones ambientales necesarias para la fabricación microelectrónica. Esta actuación implicará una parada temporal de la operación de la Sala Blanca hasta febrero de 2027.

A las actuaciones financiadas a través del PERTE Chip se suman otras inversiones que seguirán ampliando las capacidades de la infraestructura.

Entre ellas, la financiación canalizada a través de la Plataforma Temática Interdisciplinar en Tecnologías Cuánticas del CSIC (QTEP+) dotada a través del Plan Complementario de Comunicaciones Cuánticas del Gobierno y Comunidades Autónomas de España y que ha permitido la reciente puesta en marcha del Área de Nanofabricación Cuántica.

Además, la participación del IMB-CNM en la línea piloto europea PIXEurope traerá consigo nueva maquinaria singular para aplicaciones fotónicas. El IMB-CNM está implicado también en otras dos líneas piloto europeas, APECS para la integración heterogénea y el encapsulado avanzado y SPINS para las tecnologías cuánticas.

Estas iniciativas reforzarán la capacidad de fabricar dispositivos y circuitos a escala nanométrica para aplicaciones en fotónica integrada, tecnologías cuánticas y otros ámbitos estratégicos de la microelectrónica avanzada.

A ello se suma la futura ampliación de la Sala Blanca con 500 metros cuadrados adicionales, financiada conjuntamente por el CSIC y la Generalitat de Catalunya, esta última a través de la convocatoria Singulars Institucionals, cofinanciada por el Departamento de Investigación y Universidades de la Generalitat y la Unión Europea con el programa FEDER Catalunya 2021-2027.

La Sala Blanca es la mayor sala blanca de España dedicada a la investigación científica y cuenta con casos de éxito de colaboración con la industria. En ella se han fabricado componentes para misiones espaciales rumbo a Mercurio y Júpiter, microchips integrados en células vivas para aplicaciones biomédicas, implantes neuronales desarrollados por la spin-off INBRAIN Neuroelectronics, así como componentes para mejorar la red eléctrica, detectores de radiación y sensores para el Internet de las Cosas.

La infraestructura cuenta además con el sello de Infraestructura Científica y Técnica Singular (ICTS), una distinción reservada a instalaciones estratégicas de titularidad pública y abiertas al acceso competitivo de la comunidad científica y tecnológica. En el caso de la Red de Salas Blancas de Micro y Nano Fabricación, la ICTS MicroNanoFabs integra también al Centro Tecnológico de Nanofotónica de la Universitat Politècnica de València (NTC-UPV) y al Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología de la Universidad Politécnica de Madrid (ISOM-UPM).

En el caso de la actuación mencionada, se encuentran recogidas en el Plan Estratégico de Infraestructuras Científicas y Técnicas Singulares (ICTS) y en el Mapa ICTS 2021-2024 realizado por la ICTS Distribuida de salas blancas de micro y nanofabricación.

Los trabajos han abarcado desde 2022 hasta el 30 de junio de 2026, fecha en la que terminó el PERTE Chip, financiado por la Unión Europea a través de los fondos Next Generation EU. Durante este periodo, se han llevado a cabo 26 licitaciones, 59 contratos menores y se han contratado 14 personas. El conjunto de actuaciones supera los 17 millones de euros de inversión pública para afrontar los retos de la próxima década.

Los trabajos realizados para la mejora de la ICTS en el marco de la Estrategia ICTS y del Mapa ICTS se han ejecutado entre 1 de enero de 2023 y el 30 de junio de 2026, fecha en la que se sitúa la culminación del PRTR y del PERTE Chip que reciben financiación de la Unión Europea por los fondos Next Generation EU.

Relación de actuaciones realizadas financiadas por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades y por la Unión Europea – NextGenerationEU/PRTR a través de la ayuda 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. 

Relación de actuaciones realizadas financiadas por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades y por la Unión Europea – NextGenerationEU/PRTR a través de la ayuda 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.

Actuaciones financiadas por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades y por la Unión Europea – NextGenerationEU/PRTR a través de la ayuda 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.