Una experiencia nanofabulosa: la pasantía en NanoFab del NIST proporciona capacitación vital para ingenieros y técnicos que ingresan a la fuerza laboral de semiconductores
Por: Ronald Cowen
Incluso antes de que Shamir Maldonado-Rivera se graduara de la Universidad de Puerto Rico en 2019 con un título de física aplicada, ya había elegido el trabajo de sus sueños trabajando con semiconductores.
El único problema era que carecía de la experiencia práctica.
Sus estudios universitarios no le habían dado a Maldonado-Rivera la oportunidad de trabajar en una «sala limpia», el entorno ultra libre de polvo necesario para fabricar y examinar pequeños componentes electrónicos en chips de silicio y otros materiales semiconductores. Tampoco había operado herramientas de precisión para grabar circuitos microscópicos o utilizado software especializado para identificar y analizar los errores de fabricación cometidos por las herramientas.
Maldonado-Rivera adquirió esas habilidades y más durante una pasantía de un mes en las instalaciones NanoFab del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), que brinda a los investigadores un acceso rápido a herramientas y métodos de medición y fabricación a nanoescala de última generación, junto con experiencia técnica.
Shamir Maldonado-Rivera obtuvo experiencia práctica en salas limpias durante sus pasantías en NIST NanoFab.
Crédito: NIST
Las pasantías de NanoFab son una de las muchas formas en que el NIST y el Departamento de Comercio están ayudando a garantizar la preeminencia estadounidense en semiconductores. Desde su creación en 2014, 37 ingenieros y técnicos en ciernes en la industria de semiconductores han completado el programa NIST, que proporciona conocimientos prácticos críticos para la fuerza laboral de la industria de semiconductores del mañana en NIST y en todo Estados Unidos.En el NanoFab, Maldonado-Rivera utilizó haces altamente enfocados de iones y electrones para imprimir, o incidir, obleas de silicio con patrones de apenas 20 nanómetros, aproximadamente 20 veces el grosor de una hebra de ADN humano, en profundidad.
Los ingenieros la guiaron mientras experimentaba con la fotolitografía, una técnica de impresión en la que la luz brilla a través de una fotomáscara, una película delgada y opaca con secciones cortadas en un diseño intrincado, en obleas recubiertas con un medio sensible a la luz. Mientras dominaba esa técnica, se familiarizó con el stepper (abreviatura de step-and-repeat camera), un dispositivo similar a un proyector de diapositivas que imprime rápidamente millones de elementos de circuitos microscópicos en una sucesión de obleas.
«Había mucho más que quería aprender»
Maldonado-Rivera tenía la intención de regresar a Puerto Rico después de que su pasantía de tres meses terminara en diciembre de 2019, pero todavía había muchas herramientas en el NanoFab que no había tenido la oportunidad de operar.
«Había mucho más que quería aprender», dijo.
Alentada por su mentora, la subgerente de NanoFab, Jessie Zhang, solicitó y se le concedió una segunda pasantía.
Durante ese tiempo, se le encomendó la tarea de mejorar la confiabilidad de una herramienta de grabado que utiliza un haz de gas ionizado para crear patrones intrincados en chips de silicio. El rendimiento de la herramienta era inconsistente: no siempre cortaba ranuras que eran perfectamente perpendiculares a la superficie de un chip.
Al analizar micrografías electrónicas de las ranuras después de variar varias propiedades del haz de iones, Maldonado-Rivera descubrió que la reducción de la presión y el flujo, junto con el acortamiento del procedimiento de grabado, permitió a la herramienta incidir de manera más confiable las ranuras. Al informar los resultados de su estudio, Maldonado-Rivera aprendió a escribir un informe técnico de manera clara y concisa.
En noviembre de 2019, llegó el momento de poner a trabajar sus nuevas habilidades. Aplicó varias veces a Northrop Grumman, la compañía de tecnología aeroespacial y de defensa, después de detectar una oferta de trabajo que enumeraba la fotolitografía como una de las habilidades requeridas. Después de no recibir respuesta durante seis meses, asumió que la compañía no estaba interesada. Pero en junio de 2020, Northrop Grumman la contactó y, un mes después, comenzó a trabajar como ingeniera de procesos en la ubicación de la empresa en Baltimore.
Cuando la compañía le dio la opción de elegir instrumentos para operar, eligió el stepper. A diferencia de la herramienta en el NIST, el stepper Northrop Grumman estaba automatizado y podía fabricar 16 lotes de 16 a 20 chips de silicio en un solo día. Le encantó el ritmo rápido y el desafío de trabajar con una herramienta que era altamente sensible a los cambios en la vibración y la humedad y a las partículas perdidas de los chips de silicio. Pronto, otros miembros del equipo la consultaron sobre la fabricación de chips.
La carrera de Maldonado-Rivera continuó floreciendo, y para septiembre de 2021 estaba considerando transferirse a una sucursal diferente de la compañía para aprender nuevas habilidades. Fue entonces cuando recibió la llamada que había esperado durante mucho tiempo.
La llamada fue de la NASA.
‘Tú tienes las habilidades’
Al principio de su pasantía, Maldonado-Rivera había visitado el Centro de Investigación Glenn de la NASA en Cleveland, donde un gerente que también era ex alumno de la universidad de Maldonado-Rivera le había mostrado y guardado una copia de su currículum. Maldonado-Rivera siempre había querido ser ingeniera de la NASA y esperaba que en algún momento en el futuro, tal vez en 10 años, pudiera conseguir un trabajo allí.
Ahora la agencia quería entrevistarla para un puesto de ingeniería que acababa de abrir. Cuando vio el grado salarial para el trabajo, Maldonado-Rivera pensó que el puesto estaba fuera de su alcance y que solo se contrataría a alguien con un doctorado. En los días previos a la entrevista, dudó de sí misma. ¿Estaba realmente lista para esto?
Un compañero de trabajo le aseguró que sí. «Tienes las habilidades», le dijo su colega. «Eres suficiente».
Se necesita mucha química para hacer un chip de computadora.
La entrevista fue bien, pero durante semanas Maldonado-Rivera no tuvo noticias de la agencia espacial. Llamó para preguntar y le dijeron que esperara. En un día laboral de octubre de 2021, Maldonado-Rivera estuvo lejos de su escritorio en Northrop Grumman durante unos minutos. Cuando regresó, notó una llamada en su teléfono celular de la NASA. «OMG, OMG», se dijo a sí misma mientras devolvía rápidamente la llamada. Pero la persona de la NASA ya se había ido por el día.
Tendría que esperar otras 24 horas para recibir la noticia: había conseguido el trabajo de sus sueños.
El 25 de octubre de 2021, Maldonado-Rivera recibió su insignia de la NASA y su computadora portátil y prestó juramento al cargo. Ella estaba realmente allí. Ella lo había logrado.
Contratado como ingeniero de procesamiento de sistemas, Maldonado-Rivera comenzó a trabajar fabricando y ayudando a diseñar pequeños dispositivos eléctricos para una nave espacial que la NASA espera que comience a orbitar Venus a fines de la próxima década. Recientemente promovida, ahora está supervisando a otros científicos de su grupo, que a menudo la consultan sobre diseños.
«Si no fuera por el NanoFab y mi mentor, Jessie Zhang, no estaría aquí en la NASA en este momento», dijo.
‘Quiero motivar a más gente’
Maldonado-Rivera ha estado haciendo algo de mentoría por su cuenta. Manteniéndose en contacto con estudiantes y miembros de la facultad de su universidad, les contó cuánto la había ayudado la pasantía de NanoFab. Esa es una razón clave por la que Giovanna M. Castejón-Cruz, quien se graduó de la Universidad de Puerto Rico en 2021, aplicó.
Castejón-Cruz comenzó su pasantía en enero de 2022. Durante sus cuatro meses en la NanoFab, aprendió a operar y mantener varios instrumentos, incluida una herramienta de pulverización catódica. Ese dispositivo emplea un haz energético de iones para eliminar, o pulverizar, átomos de un material objetivo como el oro o el cromo. Dentro de una cámara de vacío, los átomos pulverizados se depositan en un chip de silicio, formando un recubrimiento ultrafino.
Usando un láser de escritura directa, Castejón-Cruz inscribió chips con pequeñas estructuras tridimensionales. También realizó experimentos en fotolitografía.
Giovanna Castejón-Cruz aprendió a operar y mantener varios instrumentos durante sus cuatro meses en la NanoFab.
Crédito: NIST
Hacia el final de su pasantía, Northrop Grumman contactó a Castejón-Cruz sobre un trabajo en la fabricación de microelectrónica. Zhang guió a Castejón-Cruz a través del proceso de entrevista, y Maldonado-Rivera envió correos electrónicos alentadores.
Castejón-Cruz sabía que la pasantía le había dado la base que necesitaba para calificar para el puesto.
Cuando Northrop Grumman le hizo una oferta de trabajo en abril, las primeras personas a las que Castejón-Cruz llamó fueron su familia. Luego hizo una segunda llamada, compartiendo la emocionante noticia con Maldonado-Rivera.
Al igual que Maldonado-Rivera, Castejón-Cruz se ha convertido en un firme defensor de la pasantía. «Estoy compartiendo mi experiencia en NanoFab del NIST porque quiero motivar a más personas de grupos minoritarios a sentirse alentadas y saber que también pueden participar en oportunidades como esta para afianzarse en la industria de semiconductores», dijo.
Más casos de éxito
Castejón-Cruz y Maldonado-Rivera están lejos de ser los únicos casos de éxito. Una gran cantidad de otros estudiantes que completaron la pasantía NanoFab inmediatamente consiguieron trabajos en la industria de semiconductores y continúan prosperando allí.
En 2016, Alex Galli se graduó de la Universidad de Kansas con un gran interés en la nanotecnología pero poca capacitación en el campo. Durante su pasantía en NanoFab, operó un microscopio electrónico y herramientas de deposición de vapor y se familiarizó con el software de control de calidad.
Siempre mirando hacia el futuro, Galli había solicitado un trabajo en Northrop Grumman incluso antes de comenzar su pasantía. La entrevista tuvo lugar mientras estaba en el NanoFab.
«Mi entrenamiento en la NanoFab definitivamente me diferenció de todos los demás», dijo Galli.
Alex Galli aprendió a usar software de control de calidad durante su pasantía en NanoFab.
Terminó la pasantía un viernes y se unió a Northrop Grumman en su ubicación de Linthicum, Maryland, el lunes siguiente. Inicialmente trabajando en la sala limpia de nanotecnología, Galli es ahora un ingeniero principal senior de procesos de metrología en la empresa.
Cuando Patricio Xavier Flores Granda comenzó su pasantía en la NanoFab en enero de 2018, nunca se había puesto un traje de conejito (el mono requerido en la sala limpia) ni había trabajado con las herramientas de precisión que fabrican nanoestructuras. Trabajando en estrecha colaboración con varios ingenieros de procesos de NanoFab, Flores Granda aprendió rápidamente cómo mantener y preparar instrumentos para investigadores de la academia, la industria y el NIST. También se convirtió en un experto en el uso de software para rastrear la confiabilidad de las máquinas diseñadas para depositar recubrimientos ultrafinos calibrados con precisión de metales y polímeros en obleas de silicio.
Pronto estaba ayudando a otros pasantes mientras aprendían cómo cambiar los objetivos sólidos que se vaporizan y luego se condensan en obleas de silicio para formar películas delgadas.
En la sala limpia de ASML, el ex pasante de NanoFab Patricio Xavier Flores Granda fabrica el módulo superior de un instrumento ultravioleta extremo que imprime obleas de silicio con las características más pequeñas, lo que permite la producción en masa de algunos de los microchips más avanzados del mundo.
Crédito: Patricio Xavier Flores Granda
Durante una entrevista de trabajo en ASML, un fabricante de equipos avanzados de procesamiento de semiconductores con sede en Wilton, Connecticut, Flores Granda no dejó nada al azar. No solo relató su experiencia en la NanoFab, sino que dio una presentación de PowerPoint sobre su pasantía. Para sorpresa de nadie, ASML lo contrató como técnico.
En 2020, la compañía lo ascendió a técnico de producción para un proyecto que utiliza luz ultravioleta extrema para imprimir microchips con estructuras de solo 30 átomos de hidrógeno de profundidad. Integra y prueba nuevo hardware y software para los instrumentos ultravioleta extremo. Con una maestría en ingeniería mecánica ya en su haber, Flores Granda ahora está cursando una segunda maestría en ingeniería de sistemas.
Patricio Xavier Flores Granda, que ahora continúa sus estudios de posgrado, posa con su hijo en un consorcio de la NASA 2021 en el Museo del Aire de Nueva Inglaterra, donde presentó su trabajo relacionado con un proyecto de globo de la NASA a gran altitud.
‘Una carrera de la que puedo estar orgulloso’
Entre los pasantes que Flores Granda había asistido en el NanoFab estaba Evan Cooper. Cambiando a una carrera técnica a los 37 años, Cooper había obtenido recientemente un título asociado en ciencias aplicadas en nanotecnología en Erie Community College en Buffalo, Nueva York, con un GPA de 3.99.
«Algo acerca de volver a la escuela después de ocho años y saber que vas a pagar tu educación de tu propio bolsillo me hizo querer sentarme en la primera fila y aprender todo lo que pudiera», dijo Cooper.
Cuando comenzó la primera de dos pasantías en el NanoFab en julio de 2018, ya había trabajado como técnico en la sala limpia recién construida de la universidad.
Aún así, tenía mucho que aprender. Cuando un investigador cargó accidentalmente un casete de microchips al revés en una herramienta de deposición, un técnico de ingeniería en el NanoFab le mostró a Cooper cómo rastrear y resolver minuciosamente la cascada de problemas que el error había causado.
«La capacitación me mostró cómo abordar realmente un problema lentamente y eliminar las posibles fuentes de error una a la vez hasta que encuentre al culpable», dijo Cooper. «No hay mejor sensación que cuando resuelves un problema que permite a los usuarios volver a trabajar en un proyecto que algún día podría llevar a la humanidad a viajar de un planeta a otro o ayudarnos a evolucionar hacia una especie más sabia y mejor».
El ex pasante Evan Cooper, ahora viaja por todo el país y el mundo instalando instrumentos.
Cooper también ganó un nuevo respeto tanto por las extraordinarias propiedades como por la fragilidad de los materiales semiconductores. Le sorprendió darse cuenta de que una mota de polvo en el lugar equivocado en un dispositivo semiconductor, como los de los teléfonos celulares que damos por sentado, podría hacer que todo el dispositivo fallara. Y que la sal o el sodio que viajan libremente a través de un semiconductor pueden dañar gravemente sus propiedades eléctricas.
Esas lecciones, dijo, fueron enormemente útiles cuando Heidelberg Instruments lo contrató como ingeniero de servicios de campo en el otoño de 2019, justo después de su segunda pasantía en NanoFab. Viajando a diferentes sitios en los Estados Unidos y, a veces, en el extranjero, Cooper ahora opera herramientas de litografía de millones de dólares e instala instrumentos tan grandes que lleva más de una semana ensamblar todos los cables eléctricos y líneas de gas.
«Tengo mucha suerte de que se arriesgaron conmigo en el NanoFab porque me dio una carrera de la que puedo estar orgulloso», dijo Cooper.
«Necesitamos atraer a más personas en los Estados Unidos a las industrias de nanotecnología y semiconductores», agregó, «y la pasantía del NIST es una forma muy exitosa de hacerlo».