¿Alguna vez te has preguntado cómo se crean y fabrican componentes como microprocesadores, procesadores gráficos, memorias, chipsets, etc.? En este tutorial explicaremos todo lo que necesitas saber sobre el proceso de fabricación de chips.

El proceso de fabricación de semiconductores se puede resumir en los siguientes pasos:

• Cada uno de estos pasos se puede desglosar en varias etapas adicionales.

Cuando mencionamos “fabricación de chips”, normalmente pensamos en el paso de fabricación de obleas, que es el más complicado. Ese será el paso que explicaremos en este tutorial.

La oblea es el sustrato donde se construirán los chips. Las obleas crudas están hechas de silicio, que proviene de arena de playa. Se crean a través de un método llamado proceso de Czochralski, donde un cristal semilla (un trozo de cristal de silicio) se monta en una varilla y luego se sumerge en silicio fundido. La varilla se tira hacia arriba y se rota al mismo tiempo, formando una gran pieza cilíndrica de cristal de silicio, también conocida como lingote.

El lingote resultante de este proceso mide entre tres y seis pies (uno a dos metros) de largo y puede tener hasta 12 pulgadas (300 mm) de diámetro (de aquí provienen los términos como obleas de 12 pulgadas o de 300 mm). El lingote luego se corta en obleas. Estas obleas se pulen y se envían a los fabricantes de chips. Como se mencionó, estas obleas crudas (“virgenes”) son donde se fabricarán los chips.

Una pregunta común es por qué las obleas son redondas y no cuadradas. La respuesta es simple. Dado que mediante el proceso de Czochralski el lingote se crea al tirar y rotar el silicio fundido, la forma natural para el cristal de silicio resultante de este proceso es redonda, no cuadrada.

Los chips se montan en la oblea a través de un proceso llamado fotolitografía. Bajo este proceso, se utilizan productos químicos sensibles a la luz ultravioleta. Cuando se exponen a la luz ultravioleta, pueden volverse “blandos” o “duros”. Básicamente, este proceso consiste en bloquear la luz ultravioleta de los productos químicos aplicados a la oblea usando plantillas (las máscaras creadas por los ingenieros), eliminar las partes “blandas”, y luego repetir el proceso nuevamente con otra máscara, hasta que el chip esté terminado.

Por supuesto, cada máscara tiene un patrón diferente y determina cómo se fabricarán los transistores y los cables dentro del chip. El número de máscaras utilizadas varía según el proyecto. Por ejemplo, un procesador Pentium 4 utiliza 26 máscaras.

Veamos exactamente cómo se realiza este proceso.

Lo primero que se hace con la oblea cruda es cultivar dióxido de silicio (SiO₂) en ella, exponiendo la oblea a calor extremo y gas. Este crecimiento es similar a la forma en que el óxido crece en el metal cuando se expone al agua, pero ocurre más rápido.

Luego se recubre la oblea con una sustancia llamada fotoresina, que se vuelve soluble cuando se expone a la luz ultravioleta. Se aplica la primera máscara y la oblea se expone a la luz ultravioleta. La parte “blanda” de la fotoresina se elimina usando un solvente y luego las partes de la capa de dióxido de silicio que se revelaron se eliminan en un proceso llamado grabado. El resto de la fotoresina se elimina, por lo que ahora tenemos la oblea con una capa de dióxido de silicio con la misma forma que la primera máscara.

Otra capa de dióxido de silicio se aplica a la oblea, una capa de polisilicio se aplica encima de ella y luego otra capa de fotoresina se aplica encima. Se aplica la segunda máscara y la oblea se expone nuevamente a la luz ultravioleta. La parte “blanda” de la fotoresina se elimina usando un solvente y luego las partes de las capas de polisilicio y dióxido de silicio que se revelaron se graban. El resto de la fotoresina se elimina, por lo que ahora tenemos la oblea con una capa de dióxido de silicio con la misma forma que la primera máscara y encima de ella capas de polisilicio y dióxido de silicio con la misma forma que la segunda máscara.

Después de estos dos pasos, se realiza un proceso llamado dopaje (o ionización). Aquí, las áreas expuestas de la oblea son bombardeadas con diversos iones, para alterar la forma en que las áreas expuestas conducen la electricidad. Las áreas expuestas se transformarán en un semiconductor tipo P (es decir, con carga positiva) o en un semiconductor tipo N (es decir, con carga negativa), dependiendo de los productos químicos utilizados: fósforo, antimonio y arsénico se utilizan típicamente para crear una capa de semiconductor tipo N, mientras que boro, indio y galio se utilizan típicamente para crear una capa de semiconductor tipo P. El apilamiento de capas de semiconductor creará los transistores.

Las capas y las máscaras se repiten, siguiendo el diseño de la próxima máscara. Luego se aplica un metal sobre la oblea, rellenando los posibles orificios que se crearon para hacer conexiones eléctricas entre las capas. Se realizan otros procesos de máscara y grabado para añadir las conexiones eléctricas.

Este proceso se repite hasta que el chip esté terminado, es decir, hasta que se hayan utilizado todas las máscaras. El proceso de fabricación exacto y el número de capas dependen del componente que se esté fabricando. Por ejemplo, un procesador Pentium 4 utiliza 26 máscaras y 7 capas metálicas.

Los chips en la oblea luego se prueban y la oblea se envía al siguiente paso del proceso de fabricación de chips, donde los chips se cortan de la oblea, se les adjuntan sus terminales y se empaquetan. Después de eso, se prueban, se etiquetan y se venden.

Todos los procesos descritos tienen lugar dentro de una sala limpia. Probablemente ya hayas visto algunas fotos de personas trabajando dentro de una sala limpia con ropa especial, llamada “trajes de conejo”.

Dado que estamos hablando de transistores microscópicos, incluso la partícula más pequeña de polvo puede contaminar y destruir el chip, como se muestra en algunos ejemplos en la Figura 6.