El milagro ASML: cuando la física dice basta y la ingeniería europea responde

Cada vez que usamos un teléfono móvil, entrenamos una inteligencia artificial o utilizamos un sistema de minado de criptomonedas, estamos utilizando chips con miles de millones de transistores, tan pequeños que desafían la intuición. Componentes grabados con una precisión que roza lo imposible. La pregunta no es solo qué hacen esos chips, sino cómo se fabrican.

Durante décadas, la industria de los semiconductores avanzó siguiendo una lógica simple pero asombrosa: reducir el tamaño de los transistores, aumentar la potencia de cálculo y abaratar el coste por función. La famosa Ley de Moore marcaba el ritmo y la fotolitografía —el arte de dibujar circuitos microscópicos con luz sobre una pieza de semiconductor, habitualmente silicio— acompañaba esa cadencia. Pero la luz tiene límites. Y cuando los transistores empezaron a acercarse a tamaños de apenas unos nanómetros, la física levantó la mano y dijo: ¡hasta aquí!

Cuando la industria agotó prácticamente todas las posibilidades de la litografía ultravioleta profunda, la pregunta dejó de ser cómo mejorar y pasó a ser cómo sobrevivir. La respuesta fue tan audaz como extrema: saltar a una longitud de onda quince veces menor, entrar en un régimen donde la luz ya no atraviesa el vidrio, donde el aire se convierte en un enemigo y donde cada átomo mal colocado puede arruinar un chip de miles de millones de transistores.

Así nació la litografía de ultravioleta extremo (EUV). No como una evolución natural de lo existente hasta ese momento, sino como un auténtico acto de ruptura tecnológica. Un sistema que combina láseres de alta potencia, plasmas de estaño, espejos pulidos a escala atómica y cámaras de vacío del tamaño de un autobús. Una tecnología tan compleja que, durante años, muchos dudaron de que pudiera funcionar a escala industrial. Y, sin embargo, hoy es la columna vertebral de los chips más avanzados del planeta.

¿Qué es la radiación EUV?

En el espectro electromagnético, la radiación EUV se sitúa entre el ultravioleta lejano y los rayos X, con longitudes de onda comprendidas aproximadamente entre 10 y 100 nanómetros, muy lejos de los 400–700 nm de la luz visible.

Para la litografía, la industria se ha desplazado a un valor muy concreto: 13.5 nm. No es un número arbitrario: es el resultado de décadas de investigación en óptica, materiales y fuentes de radiación, buscando un compromiso entre resolución, eficiencia y viabilidad industrial.

TE PUEDE INTERESAR

Esta desconocida máquina servía para atar a China en corto. Pekín está lista para copiarla

M. Mcloughlin

En la naturaleza, este tipo de radiación se genera en fenómenos extremos, como la corona solar. En la Tierra, solo puede producirse de forma artificial y con enorme dificultad. Lo veremos enseguida.

El límite de la fotolitografía clásica

La razón fundamental para dar el salto a EUV se resume en una expresión conocida por cualquier ingeniero óptico: el criterio de Rayleigh. La resolución mínima que puede alcanzar un sistema fotolitográfico depende de tres parámetros que se muestran en la siguiente expresión:

El significado de cada término es el siguiente:

λ: Longitud de onda de la radiación utilizada

Na: apertura numérica del sistema óptico

k: coeficiente que depende de factores relacionados con las características de la máquina de litografía

El problema es que la luz no puede dibujar cualquier cosa. Existe un límite natural, marcado por la expresión anterior: cuanto más pequeña es la longitud de onda de la luz, más pequeños pueden ser los detalles que se definen.

Durante años, la industria fue reduciendo esa longitud de onda: primero con luz visible (entre 1960 y 1980), luego con ultravioleta (a partir de 1990) y desde 2002 con ultravioleta profundo (longitud de onda de 193 nm). Cada salto permitió fabricar chips más pequeños y más potentes. Pero a principios del siglo XXI, ese camino empezó a agotarse. Con enormes esfuerzos de ingeniería e imaginación, se logró estirar la litografía de 193 nm más allá de lo razonable. Pero cada mejora venía acompañada de costes crecientes, complejidad enorme y rendimientos decrecientes. Llegó un punto en el que la única opción viable era reducir drásticamente la longitud de onda. La litografía EUV se convirtió así en la última bala para mantener viva la miniaturización. No por capricho, sino por pura necesidad.

Aunque conceptualmente sigue siendo fotolitografía, la litografía EUV rompe con casi todo lo anterior. Esto se debe a multitud de factores. El primero es que que utiliza una óptica totalmente reflectiva. En la litografía convencional, la luz atraviesa una máscara transparente. En EUV, eso es imposible. Las máscaras EUV son espejos, no filtros. El patrón no se define dejando pasar la luz, sino absorbiéndola selectivamente sobre una superficie altamente reflectante. Esto obliga a rediseñar por completo prácticamente todos los componentes del sistema: máscaras, sistemas de alineación, ópticas de proyección, etc.

TE PUEDE INTERESAR

Una pantalla que cabe en tu retina: así es el invento que promete hacer obsoletos los móviles

Omar Kardoudi

El segundo punto es que necesita de un vacío muy elevado. Como la radiación EUV se absorbe en el aire, todo el recorrido del haz, desde la fuente hasta la oblea, debe realizarse en vacío. Esto implica la utilización de cámaras gigantes de ultra-alto vacío, ya que un solo contaminante puede degradar irreversiblemente un proceso.

Dentro de una máquina de litografía EUV

Un equipo EUV no es una máquina más, es un sistema de ingeniería extraordinaria. La imagen muestra el esquema del equipo:

Su funcionamiento, simplificado, sigue esta secuencia:

1. Fuente EUV, donde se genera la radiación
2. Iluminador, que uniformiza el haz
3. Máscara reflectante, donde se "dibujan" los transistores del chi
4. Óptica de proyección, que enfoca la radiación EUV hacia la oblea
5. Oblea, que recibe la imagen delineada en la máscara

Todo ello dentro de una estructura que ocupa decenas de metros cúbicos, pesa más de 150 toneladas y cuesta más de 200 millones de euros por unidad. Aquí hay una empresa clave: la neerlandesa ASML, la única en el mundo que fabrica estos equipos, junto con socios tecnológicos clave como Zeiss y Cymer; todos son fundamentales para hacer posible esta hazaña. Los elementos clave de esta máquina son los siguientes:

La fuente EUV: el corazón del sistema

Durante años, la fuente de radiación EUV fue el principal cuello de botella. La solución que finalmente se impuso es casi de ciencia ficción. El proceso es el siguiente:

1. Se generan 50.000 gotas de estaño por segundo
2. Cada gota es golpeada por dos pulsos láser
3. El primer pulso o prepulso, relativamente débil, aplana la gota dándole forma de "galleta"
4. El segundo pulso lleva mucha más energía y convierte la gota en un plasma emisor de luz EUV de 13.5 nm
5. Un espejo especial denominado colector recoge, enfoca y filtra la radiación EUV. La imagen lo muestra:

La eficiencia inicial era bajísima: menos del 1%. Gracias al uso del prepulso láser, se logró elevarla hasta aproximadamente un 5%, lo suficiente para hacer viable el proceso industrial.

La máscara EUV

Una máscara EUV es una estructura multicapa que tiene 40–50 capas alternas de molibdeno y silicio, una capa protectora de rutenio y una capa absorbente de tantalio que define el patrón a transferir a la oblea de silicio. Gracias a un fenómeno conocido como difracción de Bragg, estas capas actúan como un espejo altamente selectivo para la radiación de 13.5 nm. El detalle y las diferencias entre las máscaras de litografía UVP (ultravioleta profundo) y de EUV se muestran en la siguiente imagen. En la primera, la transferencia de patrones a la oblea se hace con una óptica de transmisión, relativamente sencilla de fabricar, mientras que en la segunda se hace con la de reflexión aquí descrita.

El tren óptico

Una vez generada en la fuente, la luz EUV se refleja en una docena de espejos antes de llegar a la oblea. Cada uno de ellos debe ser de una planitud extraordinaria: sus superficies deben estar pulidas a escala atómica, ya que las imperfecciones que puedan tener no deben superar fracciones de nanómetro. Esto hace que los espejos utilizados en la litografía EUV estén entre los objetos más precisos jamás fabricados. Su nivel de perfección supera incluso al de los grandes telescopios espaciales.

TE PUEDE INTERESAR

El iPhone, un símbolo para entender la gran batalla de nuestra era

Ignacio Mártil

En condiciones óptimas de pulido, cada espejo refleja el 70% de la luz que incide en él, lo que hace que, tras recorrer los doce espejos, a la oblea llegue apenas un 1.5% de la radiación generada en la fuente. Esto explica por qué la fuente debe ser extraordinariamente potente, por lo que cada mejora marginal en reflectividad es crítica y por qué la óptica EUV es la más precisa jamás fabricada. Ese tren óptico lleva, por lo tanto, los espejos más perfectos del mundo y los fabrica la empresa alemana Zeiss. El pulido se realiza mediante haces de iones, eliminando átomos uno a uno durante meses.

Pongamos un ejemplo para explicar la escala de perfección que deben tener los espejos: si tomáramos el espejo de nuestro cuarto de baño y lo aumentáramos hasta alcanzar una superficie similar a la de la Península Ibérica (~600.000 km²), en esa superficie nominalmente plana aparecerían irregularidades de unos cinco metros de altura. En los espejos para litografía UVE, las mayores imperfecciones deben ser inferiores a un milímetro de altura, de nuevo ¡en una superficie plana de 600.000 km².

Geopolítica y el futuro de la miniaturización

Uno de los aspectos más interesantes de la litografía EUV es su dimensión geopolítica. El dominio de esta tecnología está concentrado en muy pocos actores, con un protagonismo claro de empresas europeas. En particular, ASML se ha convertido en el pilar central de la fabricación de los equipos de litografía EUV para la obtención de chips avanzados a nivel mundial, apoyándose en socios estratégicos como Zeiss para la óptica. Sin estas empresas, no existirían los chips más avanzados que hoy usamos.

Sin la litografía EUV, la Ley de Moore estaría probablemente muerta. Por eso se dice, con razón, que la litografía EUV ha venido a salvar la Ley de Moore, al menos durante una década más.

La litografía EUV es el ejemplo perfecto de hasta dónde puede llegar la ingeniería cuando la necesidad es absoluta. No es una tecnología sencilla, es costosa, compleja y extraordinariamente delicada. Pero es también una demostración sobresaliente de lo que ocurre cuando el ser humano decide no aceptar un límite como definitivo. Cuando la física dice "hasta aquí", la ciencia y la ingeniería responden con creatividad y una dosis enorme de audacia. Y gracias a ella, los chips que impulsan la inteligencia artificial, los superordenadores y la electrónica del futuro siguen haciéndose cada vez más pequeños, más potentes y más eficientes.

Sobre el autor

Ignacio Mártil de la Plaza es un físico español, doctor en Física y catedrático de Electrónica en la Universidad Complutense de Madrid, especializado en semiconductores y microelectrónica.  Su último libro es 'Qué hacen por nosotros los semiconductores. El petróleo del siglo XXI', publicado el 15 de octubre de 2025 y donde aborda temáticas como las de este artículo y otras similares.