Entre traje de protección e investigación de vanguardia

El perfeccionismo vale la pena: una sola escama de piel puede ser suficiente para destruir docenas de microchips. (Imagen: Lucia Luca Hunziker / ETH Zürich)

Fabricación de microchips: Como base suelen utilizarse obleas de silicio clásicas, como la que aparece en la imagen con un brillo verde (Imagen: Lucia Luca Hunziker / ETH Zürich)

En la luz artificial y bajo el zumbido monótono de un sistema de ventilación potente, Peter Rimpf se pone un mono de cuerpo entero blanco con capucha, se calza zapatos de laboratorio y se pone guantes en los dedos. «Una sola escama de piel puede ser suficiente para destruir docenas de microchips», explica el gerente de operaciones del sala limpia en el Departamento de Biosistemas de ETH Zürich en la sede de Basilea. Antes de que los investigadores puedan entrar en la sala limpia, pasan por una esclusa con sobrepresión, limpian las suelas de sus zapatos en una alfombra adhesiva y se visten. Quienes necesitan tomar notas en la sala limpia reciben papel especialmente tratado por Rimpf, que no produce abrasión. Aquí se deben evitar a toda costa la suciedad, las pelusas y el polvo.

Trabajando en micro y nanómetro

La instalación de sala limpia en Basilea está en el sótano del edificio de investigación y laboratorios BSS de ETH en el área de Schällemätteli en Basilea. La temperatura en la sala limpia se mantiene constante en 21 grados Celsius; la humedad del aire es del 45 por ciento, las fluctuaciones no son deseadas, nada debe interrumpir los delicados trabajos aquí. En la instalación de sala limpia en Basilea se fabrican microchips para la investigación biotecnológica, además se trabaja en sensores diminutos o prototipos de nuevos componentes para semiconductores. La mayoría de los investigadores trabajan con obleas de silicio clásicas; es decir, discos de silicio cristalino puro, un poco más grandes que un CD y que brillan con un arcoíris de colores bajo la luz. De ellas se fabrican microchips de alta tecnología. El equipamiento del sala limpia de 360 metros cuadrados está diseñado para modificar chips de microelectrónica CMOS, que pueden albergar millones de transistores diminutos. La mayoría de los sensores de imagen en cámaras, teléfonos inteligentes y autos se basan hoy en tecnología CMOS.

Rimpf sale del área de esclusa con su mono en un pasillo que conecta los ocho laboratorios de la sala limpia y varias salas técnicas. En los laboratorios hay diversos equipos para trabajar en obleas y microchips, así como para análisis posteriores. Dos laboratorios han sido subarrendados a la Universidad de Basilea, y también pueden usar la sala limpia socios industriales. En total, aquí pueden trabajar unas cuarenta personas simultáneamente. Los laboratorios y las instalaciones técnicas están lo más separados posible para evitar contaminaciones durante el funcionamiento o el mantenimiento. Además, en todos los laboratorios hay sobrepresión, para que entren la menor cantidad posible de partículas y polvo del exterior. «Un metro cúbico de aire urbano normalmente contiene millones de partículas», cuenta Rimpf. «Gracias a nuestros sistemas de filtración, podemos reducir esa cantidad a unos pocos miles». Para ello, se introduce continuamente aire fresco a través de filtros desde el techo hacia las habitaciones. Se recirculan y filtran 30,000 metros cúbicos de aire por hora.

Rimpf entra en la llamada sala de litografía, iluminada con luz amarilla. Las pinturas que aquí se aplican a las obleas son sensibles a la luz y podrían dañarse con radiación ultravioleta. Sobre una campana extractora, en una mesa, hay una centrífuga empotrada en la mesa que pulveriza pinturas epóxicas en capas delgadas de micrómetros sobre las obleas. «A diferencia de las salas limpias industriales, en nuestro caso hay pocos procesos estandarizados y automatizados», dice Rimpf. «Aquí todavía se trabaja mucho manualmente». Por eso, el trabajo requiere mucha experiencia y destreza. Después de pulverizar, la oblea se coloca primero en una placa caliente para que se evaporen los solventes. Luego, las microestructuras deseadas se endurecen en una caja grande, del tamaño de una lavadora, con luz ultravioleta. Después, se lava el exceso de pintura con solventes. Así se crean estructuras en las obleas en el rango micro o nanómetro.

En un laboratorio adyacente hay un equipo para grabado en seco de obleas. Con ayuda de un plasma de gases ionizados, se pueden grabar estructuras muy finas en el silicio, incluyendo paredes muy empinadas y bordes afilados. Con esto, los investigadores pueden crear canales, cavidades o estructuras eléctricas en la oblea de forma dirigida. «Cuanto más pequeñas sean las estructuras en las obleas, más potentes serán los chips», dice Rimpf. Las estructuras más pequeñas que se aplican aquí en las obleas miden 500 nanómetros, es decir, mucho más delgadas que el diámetro de un solo cabello.

Diverso y complejo

Marina Marti trabaja desde hace un año en el equipo de operaciones de la instalación de sala limpia en Basilea. Es química de laboratorio de formación, trabajó anteriormente en una empresa farmacéutica en la sala limpia y está acostumbrada a trabajar en condiciones de alta pureza. Su objetivo es que los investigadores siempre encuentren condiciones de trabajo óptimas en la sala limpia. Para ello, hay que mantener las máquinas, vaciar los residuos y proveer materiales de repuesto como guantes, solventes y fotopolímeros. Que trabaje todo el día en el sótano no le molesta a Marti. «Uno se acostumbra», dice ella. Además, el tiempo pasa rápido porque la mayoría del trabajo es muy concentrado. También hay una sala con luz natural para tareas administrativas.

En las tareas de mantenimiento y reparación de los instrumentos de alta tecnología, el equipo de operaciones trabaja en estrecha colaboración con los fabricantes en Suiza y en el extranjero. «La cantidad y la complejidad de los dispositivos son impresionantes», dice Marti. Con manuales de los fabricantes, videos de capacitación y la ayuda de sus colegas, actualmente está aprendiendo a manejar y mantener los diferentes instrumentos. «Aprendo algo nuevo todos los días, eso es lo que más me gusta de mi trabajo». Algunos instrumentos cuestan más de un millón de francos suizos, como un microscopio electrónico de barrido de última generación. Con él se pueden crear imágenes tridimensionales con una resolución de hasta veinte nanómetros, para analizar las estructuras en las obleas en el menor detalle. Los defectos o contaminantes se detectan de inmediato. «Fue un momento muy especial cuando usé por primera vez ese microscopio», recuerda Marti.

A pesar de esta infraestructura de alta tecnología, la sala limpia en Basilea está abierta a todos los estudiantes y empleados del departamento. La única condición es que participen en una introducción y en un entrenamiento de seguridad, y que tengan cierta experiencia en el manejo de la sala limpia. Rimpf y su equipo enseñan los conceptos básicos, capacitan a los interesados en los diferentes equipos, los introducen en el concepto de seguridad y los sensibilizan respecto a las medidas para mantener la infraestructura lo más limpia posible. «Muchos nunca antes habían estado en una sala limpia de este tipo», dice Rimpf. «Somos sus primeros contactos y los ayudamos a convertir sus ideas en realidad». Su objetivo es apoyar e inspirar a la próxima generación de expertos en micro y nanotecnología con su conocimiento.

Células cerebrales en chips

El carácter de la sala limpia como «instalación para usuarios» también es muy importante para él, dice Andreas Hierlemann, profesor de Ingeniería de Biosistemas y responsable del Departamento de Biosistemas para la dirección y supervisión de la sala limpia. «Los investigadores deben tener conocimientos básicos para trabajar en la sala limpia, pero no se requiere experiencia específica en equipos para poder usarla. Aquí también se puede experimentar». Esto también influye en la enseñanza: estudiantes de maestría en biotecnología usan la sala limpia durante su práctica de microtecnología para diseñar sus propias estructuras en obleas de silicio y fabricar chips. «Eso no es habitual», dice Hierlemann. «Muy pocas universidades permiten a sus estudiantes de maestría trabajar en una sala limpia».

Su propio grupo de investigación desarrolla microchips para probar medicamentos. Estos sistemas «avanzados in vitro» pueden reemplazar ciertos experimentos con animales. Hierlemann y su equipo desarrollan microchips especiales que se recubren con células cardíacas o cerebrales. El material proviene de ciertos tipos de células madre humanas cultivadas en laboratorio. Con estos chips, se pueden medir señales eléctricas o estimular las células con impulsos eléctricos. Como las señales son características de ciertas enfermedades, es posible comparar la actividad eléctrica de células cerebrales sanas y enfermas, y probar en estos chips el efecto de medicamentos nuevos. El grupo de investigación de Hierlemann depende de una sala limpia bien gestionada. «Aproximadamente la mitad de mi grupo trabaja regularmente en la sala limpia, que es fundamental para nuestra investigación».

De la idea al chip

Además de la sala limpia en Basilea, la ETH tiene otras dos en Zúrich. El FIRST Lab en el campus Hönggerberg cuenta con 400 metros cuadrados de sala limpia y equipos dirigidos principalmente a grupos de física, ingeniería eléctrica y ciencia de materiales. En el campus ETH Zentrum está el FIRST-CLA, una versión más pequeña con 250 metros cuadrados de sala limpia, diseñada específicamente para investigadores en ingeniería mecánica y tecnología de procesos. «Sin estas salas limpias, unas diez grupos tendrían que buscar un nuevo lugar para su investigación», dice Giacomo Scalari, profesor de Electrónica Cuántica y coordinador del FIRST Lab. «Son esenciales para muchos investigadores de la ETH».

El grupo de Scalari desarrolla nuevos láseres de semiconductores, utilizados en telecomunicaciones o para reconocimiento facial en teléfonos inteligentes. Dependiendo del semiconductor en los chips, estos láseres emiten diferentes longitudes de onda. Sus nueve doctorandos pasan aproximadamente un 40 por ciento de su tiempo en el FIRST Lab, cuenta él. «Llegan con una idea y un diseño, y salen con un prototipo de chip. Luego lo prueban en el laboratorio, optimizan el diseño y vuelven a entrar en la sala limpia».

Muchas veces se necesitan varios intentos hasta que el microchip final cumple con los requisitos deseados. Este proceso puede durar meses. Frecuentemente, los dispositivos se ajustan con ayuda del personal técnico de los fabricantes, para que la producción de ciertos diseños de microchips sea posible. La infraestructura de las salas limpias se desarrolla continuamente. Que su oficina y los laboratorios de su grupo estén a solo cinco minutos a pie del FIRST Lab es una gran ventaja: «Gracias a esta cercanía, podemos implementar y probar nuevas ideas de inmediato. Es muy eficiente».

Al mismo tiempo, la sala limpia tiene un «efecto cafetería», dice Scalari. Se puede conversar con colegas que trabajan en otras áreas de investigación. «Este intercambio es muy valioso. Gracias a un buen consejo, a veces se ganan meses». Igual que Hierlemann, Scalari destaca también la importancia de la infraestructura para la enseñanza y la atracción de futuros graduados en el mercado laboral. «Nuestros estudiantes saben cómo manejar una infraestructura de microtecnología. La industria lo valora mucho». La mayoría de sus graduados consigue inmediatamente un puesto en la industria optoelectrónica. Otros fundan sus propias spin-offs, como Versics y SCALE Lasers.

Fascinación por el trabajo en equipo

De regreso en la sala limpia en Basilea. En la esclusa, que separa el espacio controlado y en gran medida libre de polvo del mundo exterior sucio, Rimpf se quita su mono y los guantes. Hace veinte años, el técnico entró por primera vez en una sala limpia cuando empezó a trabajar en microtecnología en ABB.

Su fascinación por la precisión y el trabajo en equipo necesario sigue intacta. «Cuanto más pequeñas y complejas sean las estructuras, más conocimientos especializados se necesitan», dice. «Esto no se puede hacer solo; se requiere colaboración entre personas».