Pasos para fabricar un chip como una pizza familiar
Autoría
Research Professor in the field of Microelecronics, Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM-CSIC)
Si pensamos en un chip como una pizza, el primer ingrediente que necesitamos para preparar su base es el silicio, uno de los materiales más abundantes de la corteza terrestre. Ahora bien, uno no se encuentra con piedras de silicio por el campo ni tampoco se extrae del interior de la tierra en una explotación minera. Tampoco la harina crece sola.
El silicio solo está presente en la naturaleza en forma de dióxido de silicio, SiO₂. Ejemplos de ello son el cuarzo y la arena de la playa. Para los chips, hay que procesarlo a partir del cuarzo sometiéndolo a alta temperatura junto con carbón y virutas de madera: ¡no estamos hablando de alta tecnología élfica sino más bien de la fragua de un orco!
El lingote del tamaño de una pizza familiar
El silicio metalúrgico se purifica y se funde, en un proceso de varias horas, para obtener un lingote cilíndrico cristalográficamente perfecto (monocristalino) de un par de metros de longitud y 30 centímetros de diámetro.
Ese lingote se corta en discos de alrededor de un milímetro de grosor, las obleas. Y es a lo largo y ancho de estos discos dónde se replican los circuitos integrados. Una oblea puede contener cientos o miles de circuitos integrados similares dependiendo del tamaño del circuito y de la oblea.
Sala blanca
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El proceso toma varias semanas y tiene lugar en fábricas tan avanzadas tecnológicamente que están a caballo entre la de Willy Wonka y una nave de Stark Trek. Acabado el proceso de fabricación, se comprueba el funcionamiento de cada circuito integrado de la oblea y se marcan los defectuosos.
Un pedacito de pizza
A continuación, las obleas se cortan con una sierra de precisión (estamos en escala micrométrica) individualizando cada circuito integrado en chips (del inglés “pedacito”). Los que resultan funcionales se montan y conexionan en su encapsulado final.
El tiempo de obtención de un chip complejo desde su concepción hasta su fabricación, test y encapsulado es de varios meses, no menos que un embarazo.
Quitar lo que sobra
Al igual que una casa se construye planta a planta a partir de una secuencia de planos, todos los chips de la oblea se fabrican capa a capa de forma solidaria. Cada uno de estos niveles implica el depósito o crecimiento controlado de una capa delgada de un material aislante o conductor (de algunos nanómetros a una micra más o menos de espesor) o la modificación de las capas subyacentes.
Imagen Parlamento europeo
Las capas de materiales se depositan en toda la oblea y se eliminan donde no interesan. Vamos a pensar que son algo así como el tomate de la pizza.
Cada capa tiene un patrón, que en secuencia con los de las otras definirá la estructura vertical del chip, configurando un camino posible a seguir para los electrones de forma que el circuito cumpla la función para la que se ha diseñado.
Los patrones se dibujan sobre la base con un proceso que recibe el nombre de fotolitografía, que quiere decir literalmente grabar en piedra con luz. En este caso, la piedra es la base de silicio y las capas que hayamos dispuesto sobre él, y la luz es el cincel fino que usamos para definir motivos del orden de la micra o menos.
El número de niveles que definen un determinado chip depende de su complejidad y puede variar de unas pocas unidades a varias decenas. Esta fase del proceso es tan compleja que es la base de la dificultad de fabricar chips, su escasez, y la razón de que se hayan convertido en el suministro estratégico del mundo.
En respuesta al actual desabastecimiento de semiconductores, la Ley Europea de Chips tiene como objetivo garantizar la seguridad del suministro al aumentar su capacidad de producción.
La cocina más limpia del mundo
La cocina más limpia del mundoLos entornos especiales de fabricación donde todos estos procesos tienen lugar se conocen como salas blancas, no tanto por su color como por su limpieza. Una de sus características es el filtrado exhaustivo y continuado del aire para eliminar en lo posible aquellas partículas del ambiente con tamaños que podrían comprometer la fabricación exitosa de los chips si acabaran depositándose sobre las obleas.
El aire de las salas blancas contiene de cien a un millón de veces menos partículas que el aire corriente que respiramos en una oficina.
El dilema del agua
Los reactivos químicos que se usan en la fabricación de chips son de extremada pureza. En cuanto al agua necesaria para las mezclas químicas, limpiezas y aclarados de las obleas está exenta de partículas e incluso de iones: se conoce como agua desionizada de alta resistividad, que hay que generar in situ en plantas especializadas. De hecho, el proceso de fabricación de los chips requiere mucha agua.
En tiempos de sequía los agricultores de Taiwan no miran con buenos ojos a la industria microelectrónica de su país, responsable de las dos terceras partes de los chips que se fabrican para terceros en todo el mundo.
A otro nivel, la planta de tratamiento de agua desionizada del Instituto de Microelectrónica de Barcelona procesa unos 5 000 litros de agua al día para proveer los distintos puntos de suministro de los 1 500 metros cuadrados de superficie de trabajo de su Sala Blanca de Micro y Na
sala blanca
Fábricas como un campo de fútbol
Las zonas donde tienen lugar los procesos de fotolitografía son las más críticas. Por ello, además de ser las más limpias, se asientan sobre losas sísmicas que minimizan las vibraciones.
Las salas blancas industriales ocupan un área equivalente a varios campos de fútbol y pueden procesar decenas de miles de obleas al mes. Aquellas capaces de procesar los chips con tecnologías más avanzadas tienen el consumo de electricidad y agua equivalente a una ciudad de decenas de miles de habitantes. Construirlas de cero puede llevar un par de años y requiere una inversión de alrededor de 20 000 millones de euros. Su régimen de máxima producción no se alcanza hasta varios años después.
Los semiconductores mueven al año un negocio directo de alrededor de seiscientos mil millones de euros y sostienen, además, el mercado muchísimo mayor de las aplicaciones digitales en su conjunto. Es la pizza más cara del mundo, sí, pero sale a cuenta en un mundo que tiene a los chips en todos los menús.
Cláusula de Divulgación
Luis Antonio Fonseca Chácharo no recibe salario, ni ejerce labores de consultoría, ni posee acciones, ni recibe financiación de ninguna compañía u organización que pueda obtener beneficio de este artículo, y ha declarado carecer de vínculos relevantes más allá del cargo académico citado.
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