El stack de materiales determinará el éxito o fracaso del renacimiento de semiconductores en Estados Unidos.

La pila de materiales decidirá el éxito o el fracaso de la reactivación de los semiconductores en Estados Unidos

¿Qué ha ocurrido?

En junio de 2025, el Departamento de Comercio de EE.UU., en virtud de la Ley de Chips y Ciencia, otorgó 500 millones de dólares a la empresa de materiales de IA SandboxAQ para desarrollar materiales avanzados necesarios para la fabricación de semiconductores. El proyecto se centra en cuatro direcciones principales: productos químicos de proceso sin PFAS, catalizadores avanzados, imanes permanentes sin tierras raras y sistemas de baterías de próxima generación. Esta inversión marca que el gobierno estadounidense ha tomado conciencia de que la ciencia de los materiales se ha convertido en el mayor cuello de botella para la expansión de los procesos avanzados, y que la dependencia de la cadena de suministro de materiales extranjeros amenaza la seguridad estratégica nacional.

¿Por qué es importante?

La fabricación de semiconductores no se limita a las máquinas de litografía y las fábricas de obleas. Los productos químicos de proceso, los catalizadores, los materiales magnéticos y los sistemas de almacenamiento de energía afectan directamente al rendimiento, la utilización del equipo, el control de defectos y el costo de fabricación. Actualmente, estos materiales críticos están altamente concentrados en manos de Japón, Alemania y China. Por ejemplo, el mercado de fotorresistencias está dominado por JSR, Tokyo Ohka Kogyo y Shin-Etsu Chemical; los catalizadores y precursores son suministrados por Entegris, Merck, etc.; y China controla más del 90% de la capacidad de producción de imanes permanentes de tierras raras. Si el eslabón de materiales no se localiza, las nuevas fábricas de obleas de EE.UU. siempre dependerán de otros.

Antecedentes

• Antecedentes técnicos: El desarrollo tradicional de materiales se basa en el método de prueba y error, con ciclos largos (5-10 años) que no pueden seguir el ritmo de los estrictos requisitos de pureza, estabilidad y respeto al medio ambiente de los nodos avanzados (2nm, 1nm). Los Modelos Cuantitativos Grandes (LQMs) de SandboxAQ, basados en datos de primeros principios como la teoría del funcional de la densidad y la dinámica molecular, pueden seleccionar millones de moléculas candidatas en cuestión de semanas, reduciendo drásticamente el ciclo de I+D.
• Antecedentes de mercado: El mercado global de materiales para semiconductores fue de aproximadamente 68 mil millones de dólares en 2024, y se espera que supere los 100 mil millones para 2030. Entre ellos, la demanda de productos químicos especiales, gases de alta pureza y pastas CMP para procesos avanzados (<7nm) crece más del 15% anual.
• Antecedentes industriales: A través de la Ley CHIPS, EE.UU. ha atraído más de 300 mil millones de dólares en inversiones, pero la mayoría se concentra en la fabricación de obleas (TSMC, Intel y Samsung construyen fábricas en EE.UU.) y en el lado de los equipos (ASML, Applied Materials). La parte de materiales recibe solo una proporción muy pequeña de los fondos, lo que resulta en un "desequilibrio entre arriba y abajo".

Análisis en profundidad

• #### Impacto tecnológico- Rutas tecnológicas:
• - Productos químicos sin PFAS: Los PFAS (sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas) se utilizan en semiconductores como fluidos de intercambio de calor, revestimientos aislantes y lubricantes. Las alternativas deben equilibrar la estabilidad térmica y las propiedades dieléctricas. Los materiales candidatos incluyen cetonas fluoradas, hidrofluoroéteres (HFE), etc. El modelo de IA de SandboxAQ puede predecir la estabilidad de nuevas moléculas en atmósferas de plasma.
• - Catalizadores avanzados: Se utilizan para generar gases de ultra alta pureza (como trimetilaluminio, precursores de tungsteno), procesos de deposición (ALD, CVD) y tratamiento de gases residuales. Los catalizadores tradicionales (como los metales del grupo del platino) son costosos y tienen un suministro concentrado. La IA puede acelerar el descubrimiento de catalizadores no nobles basados en níquel, cobalto y molibdeno.
• - Imanes permanentes sin tierras raras: Las mesas de movimiento de precisión, bombas de vacío y motores paso a paso dependen de imanes de NdFeB. Las alternativas incluyen compuestos de nitruro de hierro (α''-Fe16N2), manganeso-aluminio-carbono (MnAlC), etc., pero su producción en masa es difícil. Los LQM pueden simular el momento magnético y la coercitividad, reduciendo las iteraciones experimentales.
• - Baterías de próxima generación: Las fábricas de obleas requieren una alta fiabilidad en sistemas de alimentación ininterrumpida, por lo que las baterías de flujo de vanadio y las de iones de sodio son candidatas. La IA puede optimizar las formulaciones de electrolitos y los materiales de los electrodos.
• Barreras tecnológicas: La clave está en la verificación sinérgica de materiales-procesos-equipos. Los nuevos materiales deben probarse en toda la línea de producción, incluyendo pasos de fotolitografía, grabado, deposición y limpieza. El ciclo de certificación suele ser de 2 a 3 años. La IA solo puede acelerar el descubrimiento, no saltarse la verificación posterior.

#### Impacto en la cadena de suministro

• Aguas arriba (proveedores de materiales): Actores actuales: Shin-Etsu Chemical (Japón), JSR, Tokyo Ohka (fotorresinas); Merck (Alemania, productos químicos); Entegris (EE.UU., materiales de alta pureza); Hitachi Metals, TDK (Japón, materiales magnéticos). Si EE.UU. logra la autosuficiencia, estas empresas podrían perder cuota de mercado. Sin embargo, SandboxAQ no fabrica materiales, sino que colabora con proveedores existentes mediante licencias o empresas conjuntas, por lo que se trata más de una actualización tecnológica que de una sustitución.
• Aguas medias (fabricantes de obleas): Las plantas de TSMC, Intel y Samsung en EE.UU. serán las principales beneficiadas. Un suministro local más estable puede reducir los costes de inventario y los retrasos en el transporte. No obstante, la verificación de materiales requiere una estrecha colaboración con las fábricas de obleas, lo que podría aumentar los costes de ingeniería a corto plazo.
• Aguas abajo (fabricantes de equipos): Empresas como Applied Materials, Lam Research y KLA son sensibles al rendimiento de los materiales. Por ejemplo, los equipos de grabado deben adaptarse a las nuevas propiedades químicas de los gases. Los fabricantes de equipos deben optimizar las formulaciones junto con los desarrolladores de materiales.
• Enlaces de riesgo: El entrenamiento de modelos de IA depende de datos de alta calidad. Actualmente, los datos públicos sobre materiales semiconductores son escasos, por lo que SandboxAQ necesita colaborar con laboratorios para generar datos propietarios. Además, la sustitución de imanes de tierras raras se enfrenta a una brecha fundamental en las propiedades físicas (como el producto de energía máxima), por lo que no se puede eliminar completamente el uso de tierras raras a corto plazo.

• #### Panorama competitivo- Estados Unidos: A través del proyecto SandboxAQ, busca reconstruir la capacidad de investigación y desarrollo de materiales. Pero debe competir con gigantes existentes como Entegris y Merck (EE. UU./Alemania). La ventaja técnica de SandboxAQ radica en la IA, pero carece de experiencia en producción en masa.
• Japón: JSR, Tokyo Ohka Kogyo, Shin-Etsu Chemical, entre otros, han dominado el mercado de materiales durante mucho tiempo. También están invirtiendo en IA (como la colaboración de JSR con IBM), pero a un ritmo más lento. El gobierno japonés podría aumentar el apoyo al desarrollo de materiales para la Agencia de Energía Atómica (JAEA).
• China: Posee una ventaja absoluta en imanes permanentes de tierras raras, pero sigue dependiendo de importaciones para productos químicos de semiconductores de alta gama. China está fomentando la sustitución de importaciones a través del XIV Plan Quinquenal, pero la simulación de materiales con IA comenzó tarde. EE. UU. restringe la exportación de tecnologías avanzadas de materiales a China (como precursores), y el proyecto SandboxAQ endurece aún más el acceso de China a productos químicos avanzados.
• Corea del Sur: Samsung y SK Hynix son importantes usuarios de materiales, pero los proveedores locales (como DNF Solution) son poco competitivos. Corea del Sur podría fortalecer la cooperación con EE. UU. para obtener nuevas tecnologías.
• Europa: Empresas como Merck, BASF y Solvay tienen una profunda experiencia. La Ley de Chips de la UE también se centra en materiales, pero la escala de inversión es menor.- Corto plazo (1-2 años): SandboxAQ aún no es rentable, pero después de obtener fondos gubernamentales, su valoración podría dispararse. Prestar atención a las empresas relacionadas de la cadena industrial: Entegris (suministro de materiales), Applied Materials (adaptación de equipos), Entegris (transporte de gases).
• Mediano plazo (3-5 años): Si la verificación técnica tiene éxito, el mercado de servicios de certificación de materiales explotará. Las organizaciones de investigación por contrato (CRO) y las plataformas de materiales basadas en IA (como Citrine Informatics, Kaneka) podrían beneficiarse.
• Largo plazo (5-10 años): El aumento de la autosuficiencia de materiales en Estados Unidos debilitará el poder de fijación de precios de Japón en fotorresistencias y de Alemania en productos químicos. El capital privado puede prestar atención a la inversión en líneas piloto de fabricación de materiales.