Cómo se fabrica un microchip paso a paso: del silicio al chip
En el último artículo hablamos sobre los microchips, y aclaramos algunos conceptos básicos al respecto (si no lo has leído, haz clic aquí). En este artículo conoceremos el proceso de fabricación de los microchips, qué materiales se emplean, qué procesos químicos intervienen, cuál es la metodología a seguir… ¡Espero que os guste, vamos al lio!
De la arena al silicio ultrapuro
El primer paso consiste en la obtención del silicio, que se puede obtener, por ejemplo, de la arena de cuarzo (se encuentra en playas, lechos fluviales, desiertos…), donde el componente principal es el dióxido de silicio (SiO₂). Esta arena se forma a partir de la erosión de rocas que contienen silicio.
Posteriormente, se calienta a 1700 oC y se mezcla con carbón con el objetivo de liberar el oxígeno y obtener silicio puro (99 %). No obstante, en electrónica, ese grado de pureza es insuficiente, así que se depura todavía más mediante una serie de procesos químicos, obteniendo un silicio policristalino con una pureza cercana al 99,9999999 %.
Del silicio ultrapuro a wafers
Una vez obtenido el silicio policristalino con un elevadísimo grado de pureza, se procede a realizar el método Czochralski, que básicamente consiste en introducir un cristal semilla de este silicio policristalino con una estructura estable y ordenada en un crisol (recipiente apto para altas temperaturas) con silicio fundido, dentro de un horno, y luego elevarlo en posición lentamente mientras se le hace girar, haciendo que el silicio fundido se solidifique poco a poco formando un cilindro monocristalino. A este cilindro monocristalino se le denomina lingote, el cual se corta en “rodajas”, discos delgados o, mejor dicho, obleas, de apenas 0,7 mm.
Como último paso, se pulen las superficies de las obleas hasta dejarlas completamente lisas. A las obleas de silicio se les llama wafers.
Limpieza y preparación de los wafers
Los wafers son sometidos de nuevo a procesos químicos (baños de ácidos y bases) para eliminar posibles trazas de otros metales que pudiesen alterar el comportamiento eléctrico de los mismos.
Acto seguido se introducen en un horno con oxígeno puro para crear unas pocas decenas de nanómetros de óxido de silicio. Se forma entonces una película que funciona como aislante, además de como “papel de dibujo” donde más tarde se grabarán los circuitos por donde circularán los impulsos eléctricos.
Litografía: dibujando con luz
La litografía es un proceso fundamental en la fabricación de chips electrónicos que consiste en incrustar circuitos extremadamente pequeños sobre una oblea de silicio mediante el uso de luz ultravioleta empleando una máscara y material fotosensible llamado resist.
(Una máscara o photomask es una placa de vidrio con zonas opacas y transparentes que actúa como plantilla.)
(Un resist o resina fotosensible es un material químico que reacciona a la luz: al ser expuesto, cambia sus propiedades para que ciertas partes puedan eliminarse fácilmente con productos químicos.)
Los pasos, de forma resumida, de esta etapa son:
Grabado (etching) y deposición: esculpir y rellenar
En este punto del proceso de fabricación de un microchip, se combinan dos técnicas fundamentales para dar forma y funcionalidad a las capas del chip: rellenar y esculpir.
(En la fabricación de un microchip actual se construyen literalmente decenas o incluso más de 100 capas apiladas sobre una oblea de silicio).
Deposición o «rellenar»: se refiere a añadir material sobre la oblea de silicio que luego formará transistores, conexiones o capas aislantes (como si pusieras una capa de cemento).
Etching o «esculpir»: aquí es donde se eliminan selectivamente partes del material depositado para dar forma al circuito y donde se “esculpe” para definir estructuras finas como transistores o pistas de interconexión.
Este proceso se repite muchas veces, capa por capa, hasta construir un chip completo.
Dopado: ajustar la conductividad
Para que el silicio deje pasar electrones cuando se le ordene, se construyen transistores, que son componentes del circuito que actúan como interruptores controlados por voltaje (aplicando una tensión en la compuerta se modifica la conductividad). Para que esto sea posible, se procede al dopado de ciertas zonas del circuito de silicio, el cual se consigue “aderezando”, como si de una ensalada se tratase, con átomos de otros elementos como boro, fósforo o arsénico.
La técnica de dopado utilizada se denomina implantación iónica, que consiste en disparar iones con alta energía contra la oblea, incrustándose estos en el silicio a una profundidad y con una concentración muy precisas, gracias a la avanzada tecnología de la que disponemos hoy en día.
Tras el dopado, se procede a un recocido térmico para reestructurar las zonas bombardeadas por los elementos mencionados anteriormente.
Metalización y vías verticales
A continuación, se cablea todo, y no, no con cables, sino incorporando una red de interconexiones metálicas de tamaño microscópico sobre la propia oblea. Cuando un circuito necesita conectarse a otro situado en una capa superior, lo hace mediante un diminuto orificio que se rellena con cobre. De esta forma, quedan conectadas las distintas capas del microchip.
Planarización química-mecánica (CMP)
Después de apilar capas y capas de metal y material aislante, la superficie del chip queda irregular, llena de valles y protuberancias microscópicas. El problema que presenta esto es que la siguiente etapa de fotolitografía (que requiere una capa perfectamente lisa para enfocar y alinear los patrones) no se realizaría de forma correcta si la superficie está desnivelada. Y aquí es donde entra la planarización química-mecánica (CMP) para solucionar este problema.
Prueba y corte
Finalizado el proceso anterior, se prueban los die con códigos o programas y con microsondas para testearlos, pudiendo observar así velocidades, consumo, fugas… Finalmente, una sierra de diamante corta la oblea en dados individuales (dies), separando los que pasan las pruebas de los que no.
(Uno de estos dados se llama die. Una oblea está compuesta por varios dies, que son lo mismo que chips individuales. Es decir, en una oblea caben varios microchips totalmente funcionales de forma independiente que se denominan dies.)
Encapsulado y soldadura final
Cada die bueno se pega a un sustrato de resina o cerámica y se conecta con hilos de oro o microcolumnas de soldadura a dicha placa. Todo se cubre con un encapsulado plástico que protege los circuitos y facilita el montaje en placas madre.
Listo para integrarse
Finalmente, el microchip llega al fabricante y lo integra en la placa electrónica.
Para que sea más sencillo entender todo el proceso, muestro a continuación a modo resumen, una infografía donde se pueden observar parte de las distintas etapas del proceso de fabricación de un microchip.
Podemos decir que pasamos de un puñado de arena a una joya tecnológica capaz de realizar miles de millones de operaciones por segundo, coordinar sensores, tomar decisiones, procesar imágenes, manejar comunicaciones inalámbricas y ejecutar inteligencia artificial en fracciones de segundo. Todo ello en un espacio menor que una uña y consumiendo apenas unos milivatios de energía.
Cada etapa exige precisión atómica: basta una mota de polvo o un cambio de unos pocos átomos para que todo el lote quede inservible. Es por ello que las fábricas realizan sus procesos en salas más limpias que las de un quirófano.
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