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Del silicio a los chips: ¿sabes cómo se fabrican paso a paso los semiconductores?
La fabricación de dispositivos semiconductores es un proceso complejo responsable de producir una variedad de chips, incluidos microprocesadores, microcontroladores y módulos de memoria. En este proceso, los circuitos electrónicos se forman gradualmente en obleas, generalmente hechas de silicio monocristalino puro. Aunque el silicio es el material más utilizado, se producen muchas aplicaciones especiales utilizando diversos semiconductores compuestos.
La clave para la fabricación de semiconductores reside en una serie de fotolitografía y pasos de procesamiento físico y químico, como la oxidación térmica, la deposición de películas delgadas, la implantación de iones y el grabado.
Estos procesos tienen lugar en plantas de fabricación de semiconductores altamente especializadas, a menudo llamadas "fabs". En el centro de la fábrica se encuentra la sala limpia, uno de los entornos más importantes para garantizar la calidad del producto. En la producción de dispositivos semiconductores modernos, como la tecnología de 14/10/7 nanómetros, el proceso de producción suele tardar hasta 15 semanas, siendo el ciclo de producción promedio de la industria de 11 a 13 semanas.
El proceso de producción está casi completamente automatizado, con sistemas automatizados de manipulación de materiales dedicados que transportan las obleas de una máquina a otra. Por lo general, hay varios chips en una oblea. Estos chips se denominan "troquel" y se separan mediante un proceso de troquelado en la oblea completa para su posterior ensamblaje y empaque. Antes del producto final, las obleas se envían en cajas de plástico especialmente selladas llamadas FOUP (cajas de obleas). Estos FOUP mantienen una atmósfera de nitrógeno en su interior para evitar que el cobre se oxide en la oblea, ya que el cobre es uno de los materiales utilizados para las interconexiones dentro de los semiconductores modernos.
El entorno dentro del equipo de procesamiento de obleas y los FOUP se denomina microambiente, lo que ayuda a aumentar el rendimiento, que es la cantidad de dispositivos en funcionamiento en una oblea.
Este microambiente se implementa a través de EFEM (Equipment Front End Module), que recibe obleas de FOUP y las introduce en la máquina. Muchas máquinas también procesan obleas en ambientes limpios de nitrógeno o vacío para reducir la contaminación y mejorar el control del proceso. Las fábricas requieren grandes cantidades de nitrógeno líquido para mantener la atmósfera dentro de los equipos de producción y los FOUP, que están constantemente llenos de nitrógeno. Se puede instalar una cortina de aire o una estructura de malla entre FOUP y EFEM para reducir la cantidad de humedad que ingresa al FOUP y mejorar el rendimiento.
Muchas de las empresas de fabricación de equipos utilizados en procesos de fabricación de semiconductores industriales incluyen ASML, Applied Materials, Tokyo Electronics y Rih Pak Research, entre otras. En el proceso de fabricación de un dispositivo semiconductor, el tamaño de la característica en cada paso se determina mediante fotolitografía, lo que significa que se puede definir el diseño o patrón del dispositivo semiconductor.
El tamaño de la característica se refiere al ancho de línea más pequeño que se puede crear durante el proceso de fabricación de semiconductores.
La medición del tamaño de la característica se basa en el tamaño mínimo de la característica del nodo de la tecnología del proceso de semiconductores, generalmente en nanómetros. Aunque los nombres de estos nodos tecnológicos inicialmente no estaban claramente relacionados con el tamaño de las características funcionales, este concepto gradualmente se volvió borroso con el tiempo.
Reseña histórica
El desarrollo de la tecnología de fabricación de semiconductores tiene una larga historia. En 1955, un descubrimiento accidental realizado por Carl Frosh y Lincoln Derek en los Laboratorios Bell les hizo tomar conciencia del efecto de la oxidación de la superficie de las obleas de silicio, lo que fue de gran importancia para los futuros debates sobre la tecnología de semiconductores. En 1957, pudieron producir transistores de efecto de campo de óxido de silicio, lo que se cree que es la primera producción de transistores de efecto de campo planos.
Con el tiempo, el tamaño de las obleas semiconductoras ha seguido aumentando, de 25 mm en 1960 a 200 mm, y finalmente se convirtió en el estándar de 300 mm. Este proceso condujo a la introducción de tecnología de automatización y al uso de equipos más eficientes para completar la producción. A medida que aumenta la demanda en el mercado de semiconductores, los fabricantes también han comenzado a diseñar dispositivos más duraderos para garantizar su adaptabilidad en diferentes mercados.
Están surgiendo muchas tecnologías nuevas en los dispositivos semiconductores modernos, incluida la tecnología FinFET, que proporciona una mayor eficiencia energética y un rendimiento más rápido en el nodo de 22 nm. En 2018, han surgido una variedad de nuevas arquitecturas de transistores, como GAAFET, que representa otra nueva dirección de desarrollo de la tecnología de semiconductores.
Lista de pasos
Todo el proceso de fabricación de dispositivos semiconductores incluye múltiples pasos, incluido el procesamiento de obleas, fotolitografía, implantación de iones, grabado y empaquetado. En conjunto, estos pasos forman el núcleo de la fabricación de semiconductores y dependen del respaldo de equipos de fabricación especializados y entornos limpios.
Todo el proceso de producción suele llevarse a cabo en una fábrica de obleas, que funciona de manera eficiente las 24 horas del día y requiere una gran cantidad de agua pura para garantizar la pureza del producto. Cada oblea se somete a pruebas rigurosas para garantizar que su rendimiento cumpla con los requisitos esperados.
En una industria en rápido desarrollo, las nuevas tecnologías y materiales están cambiando constantemente el futuro de los semiconductores. ¿Qué sorpresas traerá la futura industria de los semiconductores?
