Informe desde Dresde: Jenoptik construye una nueva fábrica de microóptica

Mientras tanto, los ingenieros sajones quieren cerrar una brecha estratégica en el diseño de procesadores en Europa

Ante el aumento casi constante de la demanda de semiconductores en todo el mundo -incluso antes del coronavirus-, Jenoptik está realizando la mayor inversión de su historia tras la reunificación: el proveedor de chips está construyendo una nueva fábrica de microóptica litográfica en Dresde. Mientras tanto, los ingenieros de Sajonia se han marcado ambiciosos retos. Quieren cerrar una brecha clave en el diseño electrónico en Europa, llevar a la madurez práctica las primeras redes híbridas de comunicación cuántica y hacer que los circuitos sean autosuficientes energéticamente.

Así será la nueva fábrica Jenoptik de microóptica de Dresde. Visualización: studiobrand.3dvisuals para JenoptikEnrespuesta a años de creciente demanda de equipos para fábricas de chips, Jenoptik está construyendo una nueva fábrica de microóptica en Dresde. La planta, situada en las inmediaciones de la fábrica de chips de Bosch, producirá micro y nanoópticos especiales para la industria microelectrónica a partir de principios de 2025. Jenoptik tiene previsto duplicar su plantilla en Dresde hasta alcanzar los 120 empleados. Se espera que la empresa invierta más de 70 millones de euros en la fábrica, sin subvenciones. Se trata de la mayor inversión individual en las tres décadas de historia de la empresa de Turingia tras la reunificación.

"Dresde se convertirá en la sede principal de nuestras actividades de microóptica", prometió Stefan Traeger, miembro del Consejo de Dirección de Jenoptik. "Hemos tomado una decisión consciente en favor de uno de los emplazamientos más importantes para la industria de semiconductores en Alemania y Europa, donde están presentes muchas empresas mundiales e instituciones de investigación del sector."

Anclado sin vibraciones con 200 pilotes sobre una losa de granito lusitano

El director del proyecto Corenext, Michael Roitzsch, y el codirector Tim Hentschel trabajan en el Instituto Barkhausen en procesadores de confianza, sistemas operativos y arquitecturas de red abiertas para 6G y la industria europea de las telecomunicaciones, entre otras cosasLafábrica en sí constará de unos 11.000 metros cuadrados de superficie, incluidos 2.000 metros cuadrados de sala blanca. Estará anclada sin vibraciones con 200 pilotes perforados sobre una losa subterránea de granito lusitano: los sensores y ópticas que Jenoptik quiere fabricar aquí son tan sensibles como los chips informáticos durante la producción. Una pequeña vibración o una minúscula mota de polvo pueden convertir en desechos toda la producción del día. Y es que las ópticas, que se utilizan para alinear y exponer con gran precisión las máscaras de los chips sobre los discos de silicio (obleas), no deben considerarse lentes de gafas. Se trata más bien de estructuras, algunas de tamaño nanométrico, con las que se pueden dirigir y manipular haces de luz invisibles. Las fábricas de chips necesitan este tipo de óptica tanto para la litografía clásica con "luz ultravioleta profunda" (DUV) como para las estructuras semiconductoras que se producen con rayos ultravioleta extremos (EUV), como las que utiliza TSMC en Taiwán.

Además de en la producción de chips, estos microópticos se utilizan en otros procesos tecnológicos de fabricación. Se trata, sobre todo, de procesos en los que se requiere una alta precisión y/o un posicionamiento muy flexible de la luz, por ejemplo, en el procesamiento de materiales por láser o el control de calidad en procesos de inspección. Los componentes individuales, muy ligeros y pequeños, a menudo de sólo unos micrómetros, pueden combinarse para formar sistemas de exploración y conmutación miniaturizados con una amplia gama de aplicaciones flexibles.

Jenoptik está presente en Dresde desde 2007. Alrededor de 60 especialistas fabrican ya estos microópticos en un edificio del antiguo campus de la ZMD. Jenoptik se centra ahora en una solución más amplia y está construyendo su propia fábrica en el llamado "Airportpark".

Al mismo tiempo, la inversión demuestra una vez más los largos plazos necesarios para responder a cuellos de botella de chips como los experimentados recientemente durante la crisis del coronavirus: En primer lugar, los principales proveedores, como el fabricante de equipos litográficos ASML de los Países Bajos o el proveedor de microóptica Jenoptik, tienen que aumentar su propia producción. Y luego, en el mejor de los casos, pasarán otros dos o tres años hasta que se construya y equipe una nueva fábrica de semiconductores y la producción de un nuevo circuito funcione de forma estable y con altos rendimientos.

Investigadores, políticos e ingenieros de la industria tienen puestas grandes esperanzas en tecnologías cuánticas como la comunicación cuántica y los ordenadores cuánticos (Visualización: Cátedra de Diseño Técnico de TU Dresden)

Los complejos procesos que tienen lugar durante el procesamiento de las obleas no siempre pueden controlarse por completo en tiempo real, y de ello depende también la curva de rodaje de los nuevos chips. Por ello, un equipo de investigadores de la TU Dresden ha desarrollado un software de análisis "Advisory Data Modelling" (ADM) que modela estos procesos en la industria de los semiconductores, pero también en otros sectores tecnológicos, a partir de datos ya obtenidos. A continuación, ADM utiliza estos datos para determinar cómo el calor, la humedad, la presión u otros factores influyentes han afectado a la calidad del producto acabado, aunque esto no pueda medirse directamente en la máquina. Por último, este experto digital ofrece al usuario sugerencias de mejora.

"Mi objetivo era crear un programa tan sencillo e intuitivo que hasta mi madre pudiera utilizarlo", explica Hellmuth Kubin, que empezó a desarrollar este software en Dresde hace casi cuatro décadas y que ahora tiene 77 años. "A diferencia de las soluciones convencionales, nuestro software no requiere que el usuario tenga conocimientos matemáticos o de programación". El predecesor del software actual ya demostró su valía en la microelectrónica de la RDA.

Unempleado refina obleas de GaAs en semiconductores de potencia en alto vacío en este sistema 35PE del Centro Tecnológico de DresdeMientras tanto,otros equipos de investigación de la Universidad de Dresde han centrado su atención en retos que apuntan lejos en el futuro. Por ejemplo, el Instituto Barkhausen de Dresde, de organización privada y adscrito a la TU, ha puesto en marcha el proyecto "Corenext", financiado por la UE con 13 millones de euros, cuyo objetivo es cerrar una importante brecha en las cadenas de valor de la microelectrónica europea. La atención se centra en la capacidad de los europeos -especialmente tras el Brexit y la venta de la empresa de arquitectura de chips ARM- para diseñar sus propios núcleos de procesadores de última generación.

Para ello, el profesor Gerhard Fettweis, gurú de las comunicaciones móviles con sede en Dresde, ha forjado un consorcio de 23 socios, entre ellos Nokia, Ericsson, Infineon y NXP. En un plazo de tres años, las empresas e instituciones de investigación participantes quieren diseñar sus propios procesadores, antenas, arquitecturas fiables y sistemas operativos para las comunicaciones móviles del futuro.

"Al final del proyecto, queremos presentar el prototipo de un sistema multiprocesador que las empresas europeas de telecomunicaciones y semiconductores puedan utilizar para construir sus propios circuitos", anunció el Director Gerente del Instituto, Tim Hentschel. En el camino hacia la sexta generación de comunicaciones móviles y los posteriores estándares de telecomunicaciones, "Corenext" debería asegurar importantes ventajas competitivas para la industria local y hacer a Europa menos dependiente de los suministros clave de EE.UU. y Asia.

Los investigadores también trabajan en arquitecturas de red descentralizadas y de código abierto (Open RAN) que dejen de estar atadas a los dispositivos especiales de unos pocos fabricantes y se ocupen de muchas tareas con tecnología estándar en centros de datos en la nube. Esto debería crear mejores oportunidades, sobre todo para las empresas tecnológicas más pequeñas, de participar en el gran mercado de la tecnología profesional de telecomunicaciones con hardware estándar adaptado.

Un sistema biocompatible de almacenamiento de energía compuesto por 90 nanobiosupercondensadores (nBFC) flexibles e implantables. Estos permiten, entre otras cosas, el funcionamiento autosuficiente de la tecnología de microsensores para su uso en sangreElproyecto reviste especial importancia estratégica para la UE y la nueva "Ley Europea del Chip", que la Presidenta de la Comisión, Ursula von der Leyen (CDU), presentó recientemente: Al fin y al cabo, los análisis de inventarios habían demostrado repetidamente que la Unión Europea no sólo está muy por detrás de Taiwán, Corea del Sur y Estados Unidos en la producción de circuitos altamente integrados de la clase estructural inferior a diez nanómetros (millonésimas de milímetro) y en cuanto a capacidad de las fábricas de chips, sino también en el diseño de circuitos. Por ello, los investigadores e ingenieros de "Corenext" también quieren reducir las evidentes lagunas tecnológicas en el diseño de procesadores en Europa de aquí a finales de 2025.

Otros ingenieros microelectrónicos de Dresde se centran ahora más en la tecnología de comunicación cuántica aplicable en la práctica: los equipos de ingeniería de la TU Dresden coordinan los proyectos "Quiet" y "QD-CamNetz", cuyo objetivo es hacer que las tecnologías cuánticas sean económicamente viables para fines de comunicación lo antes posible. El Gobierno federal está muy interesado en estos proyectos y los financia con 13 millones de euros.

En concreto, la Universidad Técnica de Dresde, la Universidad de Múnich y el Instituto Leibniz de Investigación del Estado Sólido y los Materiales (IFW) de Dresde quieren diseñar redes de comunicación híbridas en el proyecto conjunto "Internet cuántico de los objetos" (Quiet) que sean capaces de registrar las enormes cantidades de datos del creciente Internet de los objetos (IoT). Para ello, los socios quieren construir primero memorias y sensores cuánticos, que luego conectarán en red con ordenadores convencionales en el borde de la red ("edge computing") mediante conexiones cuánticas. Quieren realizar sensores con puntos cuánticos semiconductores.

Se planea la primera red de campus cuántico 5G del mundo

El proyecto "Quantum Wireless Campus Network" (QD-CamNetz), por su parte, pretende crear la "primera red de campus cuántica 5G del mundo", según la TU Dresden. Se trata de sistemas compactos que pueden utilizarse para establecer de forma rápida y flexible redes inalámbricas y cableadas en fábricas, laboratorios o campos que trabajen con tecnologías cuánticas, así como con 5G y métodos inalámbricos similares de base clásica.

Para ello, la TU Dresden, la Universidad Técnica de Múnich, el IFW Dresden, la spin-off universitaria de Dresden Campusgenius y Deutsche Telekom quieren construir distribuidores especiales ("routers cuánticos") que puedan coordinar partículas de luz ("fotones") con datos cuánticos en la red. También planean diseñar una pila especial de protocolos cuánticos. Se trata de una especie de "manual" virtual para el control de la red. Lo más destacado aquí es que estas nuevas instrucciones deberían permitir a la red del campus ejecutar tanto órdenes cuánticas como tareas convencionales. El punto culminante del proyecto será un demostrador capaz de instalar estas redes cuánticas localizadas en el campus de la Universidad Técnica de Dresde. El socio del proyecto, Campusgenius, ya había desarrollado anteriormente sistemas de redes de campus móviles para la quinta generación de comunicaciones móviles (5G).

"Las redes de campus son de gran importancia económica para la industria y para la soberanía tecnológica de Alemania y la UE", subrayan los iniciadores de TU Dresden. "Por un lado, se creará un centro único en el mundo para la enseñanza y la formación de ingenieros cuánticos en Alemania". Por otro, Alemania podría establecer normas para el futuro uso industrial de las tecnologías cuánticas.

El jefe de Hiperscan, Alexander Wolter, muestra uno de sus dispositivos Apoident, que puede comprobar el contenido de muestras farmacéuticas mediante espectroscopia NIR sin contacto Otro tema de actualidad en la industria de semiconductores de Sajonia es y sigue siendo la electrónica de potencia. Por un lado, como ocurre con los programas de expansión de las fábricas de Infineon en Dresde, la atención se centra en mayores cantidades. Por otro lado, sin embargo, los innovadores más allá de las estructuras empresariales establecidas también se centran en los nuevos semiconductores de alto voltaje. Por ejemplo, la pequeña y relativamente joven empresa "3-5 Power Electronics" de Dresde, según su propia información, ha empezado a fabricar en serie diodos de compuestos de galio-arsénico para tensiones de unos 1.200 voltios.

Según 3-5 PE, los diodos de alta tensión de arseniuro de galio (GaAs) conmutan con más eficacia que los correspondientes convertidores de potencia de silicio convencional, pero no son tan caros como los diodos de carburo de silicio (SiC). Los ingenieros de Dresde ven aplicaciones útiles para sus diodos de gama media allí donde sea necesario dirigir o controlar corrientes y tensiones elevadas. Podría tratarse, por ejemplo, de la electrónica de potencia que convierte la corriente continua de los sistemas solares en corriente alterna, pero también de componentes para estaciones de carga rápida, estaciones de carga inalámbrica para coches eléctricos, dispositivos de soldadura por plasma y otra electrónica industrial.

Volker Dudek, Gerhard Bolenz y Richard J. Kulle fundaron "3-5 Power Electronics" a principios de 2016. Su objetivo: hacer que los semiconductores de arseniuro de galio, que durante mucho tiempo se han utilizado para bajas tensiones, puedan utilizarse en aplicaciones de alta tensión. "La razón más importante para ubicar nuestra empresa en Dresde es la gran concentración de investigación y servicios en el campo de la tecnología de semiconductores", subraya Volker Dudek, Director General de Desarrollo de "3-5 PE". La empresa colabora, entre otros, con la Academia de Minas de Freiberg, la Universidad Politécnica de Chemnitz y el Centro Helmholtz Dresde-Rossendorf (HZDR). El equipo cuenta ahora con diez empleados. Una parte de la producción la lleva a cabo "3-5 PE" en su propia sala blanca de Dresde, mientras que el fabricante contratado "Azur Space", de Heilbronn, se encarga de otros pasos de la producción. En un principio, la empresa de Dresde quiere vender sus diodos sobre todo en China y Japón.

Chips autosuficientes: hasta 300 milivatios por centímetro cúbico

El consumo de energía de los componentes electrónicos y los sensores también es objeto de un desarrollo impulsado por el Instituto Fraunhofer de Fotónica IPMS y Globalfoundries de Dresde: Han conseguido integrar con éxito captadores de energía piroeléctricos en circuitos. El objetivo es que estos chips puedan autoabastecerse de energía en el futuro.

Según Fraunhofer y Globalfoundries, estos cosechadores de energía alcanzan ahora rendimientos de hasta 300 milivatios por centímetro cúbico. Puede que no parezca mucho, pero combinado con microelectrónica de bajo consumo, podría bastar para alimentar durante años muchos sensores que se utilizan en campos o huertos alejados de cualquier fuente de alimentación. Los ingenieros han integrado esta tecnología en la arquitectura de transistores "FD-SOI" de Globalfoundries Dresden, que ya está calibrada para un bajo consumo de energía. Este desarrollo ha sido posible gracias a las subvenciones del programa de microelectrónica para "Proyectos Importantes de Interés Común Europeo" (Ipcei). Las subvenciones para la fábrica de chips de Bosch en Dresde, por ejemplo, también proceden de este programa de financiación.

El profesor Oliver G. Schmidt también trabaja desde hace años en la captación de energía. Sin embargo, el director del nuevo Centro de Materiales, Arquitecturas e Integración de Nanomembranas (MAIN), que trabaja en Chemnitz y Dresde, busca menos fuentes de energía autosuficientes para los chips y más para sus micro y nanorobots, que fabrica utilizando tecnologías de plegado de nanoorigami. Entre otras cosas, se centra en baterías microscópicamente pequeñas para "polvo inteligente". Este polvo electrónico está formado por granos diminutos con un cierto grado de inteligencia propia, que se supone que se acoplan entre sí para formar enjambres. Estas tormentas de polvo podrían lanzarse en zonas siniestradas con infraestructuras colapsadas, por ejemplo, para establecer redes de radio ad hoc o buscar a personas desaparecidas mediante un gran número de sensores. Una idea es que las partículas de polvo inteligentes puedan obtener sus necesidades energéticas del omnipresente electrosmog o del campo magnético de la Tierra.

Sin embargo, los diminutos laboratorios médicos que se introduzcan en el torrente sanguíneo de pacientes con cáncer, por ejemplo, para encontrar metástasis residuales y combatirlas radiológica o farmacéuticamente, también necesitarán sus propios recolectores de energía. Para ello, Schmidt y su equipo han construido minúsculos biosupercondensadores, unas 3.000 veces más pequeños que todos los anteriores dispositivos de almacenamiento de energía de este tipo.

"La arquitectura de nuestros nanobiosupercondensadores ofrece la primera solución potencial a uno de los mayores retos: dispositivos diminutos de almacenamiento de energía integrados que permitan el funcionamiento autónomo de microsistemas multifuncionales", subraya el Dr. Vineeth Kumar, del equipo de Schmidt. Los investigadores están convencidos de que esto acerca cada vez más el uso de diminutos robots médicos: "Es muy alentador ver cómo la nueva microelectrónica, extremadamente flexible y adaptable, se abre paso en el mundo miniaturizado de los sistemas biológicos", explicó el profesor Schmidt. Esta tecnología podría dar lugar a terapias innovadoras contra carcinomas y virus pandémicos en un futuro próximo, pero también podría permitir nuevas tecnologías de análisis mucho antes, tanto en medicina como en la industria alimentaria o farmacéutica".

Campeón oculto: los espectrómetros móviles Hiperscan analizan muestras de materiales sin contacto

Por último, nos gustaría mencionar a un "campeón oculto" de Sajonia que se ha convertido en líder de un nicho de mercado, pero que apenas ha llegado a ser conocido por el gran público. Se trata de la spin-off Fraunhofer "Hiperscan", con sede en Dresde, que también está especializada en innovadores dispositivos de análisis, pero sobre una base tecnológica completamente distinta: desde su fundación en 2006, la empresa tecnológica de Dresde ya ha suministrado a más de 5.000 farmacias espectrómetros de infrarrojos especiales que detectan sin contacto lo que contiene una muestra de sustancias. Esto es especialmente importante para que los farmacéuticos comprueben la autenticidad y la composición química correcta de las materias primas, con las que luego mezclan pomadas para la piel, medicamentos personalizados contra el cáncer u otros medicamentos. Pero las fábricas de pasta, los procesadores de carne y otras empresas alimentarias también utilizan la tecnología Hiperscan para determinar las grasas, proteínas, humedad y fibra del grano o la carne suministrados.

A principios de milenio, todo esto sólo era posible con cromatógrafos, espectrómetros de laboratorio y otras costosas tecnologías especializadas que sólo podían manejar técnicos de laboratorio y científicos. Además, dependiendo de la muestra y la tecnología, esos análisis llevaban muchos minutos, a menudo incluso varias horas. Pero entonces, los ingenieros del Instituto Fraunhofer de Microsistemas Fotónicos (IPMS) de Dresde desarrollaron unos diminutos espejos oscilantes. Estos espejos sólo miden unos micrómetros (milésimas de milímetro) y encajan en sistemas microelectromecánicos. Estos MEMS pueden controlar electrónicamente docenas e incluso cientos de espejos simultáneamente y combinarlos con rejillas de difracción.

Concretamente, es así: El dispositivo irradia un tubo de ensayo, ampolla o similar con luz del espectro infrarrojo cercano (NIR). Cuando estos rayos de calor inciden sobre la sustancia que se va a analizar -por ejemplo, un polvo, un granulado o una suspensión-, las vibraciones naturales especiales de las moléculas químicas que contiene anulan algunas de las longitudes de onda infrarrojas. Lo que sale entonces de la muestra es una especie de código luminoso de los compuestos químicos que se encuentran en ella. El chip de difracción de espejos Hiperscan captura estos patrones de líneas claras y oscuras. A continuación, el software descodifica este código. La medición en sí sólo dura 30 segundos. "Nuestra tecnología reduce significativamente el tiempo de análisis y es fácil de usar", subraya el jefe de Hiperscan, Alexander Wolter. Con un precio que ronda los 10.000 euros, la tecnología de Dresde es también más barata que un cromatógrafo o muchas otras unidades convencionales.

El sistema en sí puede adaptarse mucho más allá de la industria farmacéutica. El instituto de origen de Hiperscan también está convencido de ello: otras empresas derivadas del instituto de fotónica IPMS de Dresde utilizan los microespejos para analizar a distancia y sin contacto la calidad y composición de cervezas, ropa, alimentos y productos similares. Y posiblemente esto sea sólo el principio de esta tecnología, que algún día podría convertir también los teléfonos inteligentes en analizadores universales.

Fuente:

Investigación in situ, Jenoptik, TU Dresden, Oiger.de, TUC, Globafoundries, Fraunhofer-CNT, IPMS, Hiperscan