La litografía es una técnica utilizada para crear circuitos integrados depositando finas capas de distintos materiales sobre una oblea de silicio. Estos materiales se eligen cuidadosamente en función de sus cualidades eléctricas e incluyen semiconductores como silicio, germanio y arseniuro de galio. La preparación de las obleas, la deposición de las capas, el diseño de los circuitos y las pruebas son sólo algunas de las fases del proceso de fabricación.
Los circuitos integrados son los componentes básicos de la electrónica moderna y hacen funcionar desde teléfonos móviles hasta ordenadores y satélites.
Pero, ¿Cómo se fabrican estos pequeños dispositivos electrónicos?
¿Qué materiales y procedimientos se utilizan para crear estas difíciles estructuras de silicio? En este blog conoceremos y exploraremos los fundamentos de la fabricación de circuitos integrados, desde los materiales semiconductores utilizados hasta las numerosas técnicas de fabricación empleadas.
Materiales Semiconductores
Los transistores, diodos y otros componentes utilizados en los circuitos integrados se fabrican con materiales semiconductores. Estas sustancias presentan características eléctricas que se sitúan entre los conductores y los aislantes.
En algunas circunstancias, pueden comportarse como aislantes y, en otras, pueden conducir la electricidad.
¿De Que Material Están Hechos los Circuitos Integrados?
En los circuitos integrados se emplean diversos materiales semiconductores, entre ellos:
- Silicio: El material semiconductor más utilizado en la creación de circuitos integrados es el silicio. Esto se debe a sus características eléctricas superiores, su abundancia y su asequibilidad. Además, es fácil de conseguir y de procesar.
- Germanio: El primer material utilizado para fabricar transistores fue el germanio. Sin embargo, debido a su baja estabilidad térmica y a su escasez, el silicio lo ha suplantado principalmente. Los detectores de infrarrojos son uno de los campos en los que todavía se utiliza el germanio.
- Arseniuro de galio: El arseniuro de galio se utiliza en aplicaciones que requieren alta velocidad, como los sistemas de comunicación por microondas. Es más caro que el silicio, pero tiene grandes características eléctricas.
¿Cómo se Fabrica un Circuito Integrado?
Los circuitos integrados se fabrican mediante un proceso complejo y preciso de creación de componentes electrónicos y sus interconexiones sobre un fino sustrato de silicio. Estos son algunos de los pasos necesarios para desarrollar un circuito integrado:
1. Preparación de Obleas
La preparación de obleas es el primer paso en la fabricación de circuitos integrados. Consiste en cortar, dar forma y pulir una fina lámina de silicio monocristalino denominada oblea. Los cristales de silicio utilizados en la fabricación de obleas son muy puros y se obtienen a partir de una masa fundida de silicio en forma cilíndrica denominada «boule».
2. Oxidación
El proceso de oxidación puede describirse como un proceso destinado a aportar oxígeno a la oblea de silicio para generar una capa de óxido de silicio en la superficie de los circuitos integrados. El proceso puede tener lugar en hornos a temperaturas muy elevadas.
La oxidación puede ser húmeda o seca, dependiendo de si se utiliza vapor de agua u oxígeno gaseoso como agente oxidante. La oxidación húmeda es más rápida, mientras que la seca tiene mejores propiedades eléctricas. La capa de SiO2 actúa como aislante y como máscara para las fases posteriores de procesamiento.
3. Difusión
La difusión es el proceso de introducir impurezas en zonas seleccionadas de la oblea de silicio para modificar sus características eléctricas. Las impurezas se denominan dopantes y pueden ser de tipo n o de tipo p, según donen o acepten electrones en la red de silicio.
La difusión se realiza calentando la oblea en un horno con una fuente de gas dopante, como la fosfina (PH3) para el tipo n o el trifluoruro de boro (BF3) para el tipo p. Los átomos dopantes se difunden en el interior de la oblea. Los átomos dopantes se difunden en el silicio a través de aberturas en la capa de SiO2 creadas por fotolitografía.
4. Implantación Iónica
La implantación iónica es un método alternativo para dopar la oblea de silicio bombardeándola con un haz de iones de alta energía del elemento dopante deseado. Los iones penetran en el silicio y crean regiones de material tipo n o tipo p.
La implantación de iones controla la concentración y distribución de dopantes con más precisión que la difusión. Sin embargo, también provoca más daños en la estructura cristalina del silicio que deben repararse mediante recocido.
5. Deposición Química de Vapor (CVD)
El método de formación de películas finas de diversos materiales sobre una oblea de silicio exponiéndola a un gas que contiene el elemento o compuesto deseado se conoce como deposición química en fase vapor (CVD).
El gas reacciona o se descompone en la superficie de la oblea, generando una capa sólida. La CVD puede depositar materiales como polisilicio, nitruro de silicio (Si3N4), siliciuros metálicos (como el siliciuro de wolframio WSi2) y metales (como el aluminio Al).
6. Fotolitografía
La fotolitografía es el proceso de transferir un patrón de una máscara a la superficie de una oblea utilizando materiales sensibles a la luz llamados fotorresistentes. El material fotorresistente se recubre sobre la oblea y luego se expone a la luz ultravioleta a través de una máscara que contiene el patrón deseado.
La máscara puede ser positiva o negativa, dependiendo de si bloquea o deja pasar la luz a través de sus aberturas. Las zonas expuestas de la fotorresistencia se vuelven solubles o insolubles en una solución reveladora, dependiendo de si se trata de una fotorresistente positivo o negativo.
El fotorresistente desarrollado forma una capa estampada que puede utilizarse para otros pasos de procesamiento, como el grabado, el dopaje o la metalización.
7. Metalización
La metalización es el proceso de formación de interconexiones metálicas entre diferentes regiones o capas de un circuito integrado. El metal suele ser aluminio o cobre y se deposita en la superficie mediante técnicas de CVD o evaporación.
A continuación, la capa metálica se modela mediante fotolitografía y grabado para crear cables y contactos que conecten los distintos componentes y terminales del circuito integrado.
8. Embalaje
Consiste en encerrar el chip de CI acabado en una carcasa protectora que proporciona soporte mecánico, conexiones eléctricas y protección medioambiental. El embalaje puede ser de plástico o de cerámica y tener diferentes formas y tamaños en función de la aplicación y los requisitos de rendimiento del CI.
El embalaje también contiene pines o pistas (leads) que conectan el chip de CI a circuitos o dispositivos externos.
Desafíos de la industria de CI
La industria de los circuitos integrados se enfrenta a varios retos que afectan a su innovación, crecimiento y rentabilidad. Algunos de estos desafíos son:
1. Innovación
La industria de los circuitos integrados ha seguido durante décadas la ley de Moore, según la cual el número de transistores de un chip se duplica cada dos años. Sin embargo, a medida que el tamaño de las características de los circuitos integrados se acerca a los límites físicos de la tecnología del silicio, la industria de los circuitos integrados se enfrenta a retos cada vez mayores para mantener el ritmo de ampliación y garantizar al mismo tiempo el rendimiento, la fiabilidad y la rentabilidad.
Estos retos incluyen el consumo de energía, la disipación de calor, la variabilidad, las fugas, el ruido y los defectos. Así pues, la innovación de los circuitos integrados es importante para impulsar la innovación en los dispositivos electrónicos y la infraestructura de Internet de hoy en día.
2. Robótica e inteligencia artificial
La industria de los circuitos integrados utiliza cada vez más la robótica y la inteligencia artificial (IA) para automatizar y optimizar sus procesos de fabricación, como la manipulación de obleas, los ensayos, la inspección y el control de calidad. La robótica y la IA pueden mejorar la productividad, precisión, fiabilidad y seguridad de la fabricación de circuitos integrados. Sin embargo, también plantean retos como costes elevados, complejidad técnica y riesgos de ciberseguridad.
3. Tensión geopolítica y conflicto comercial
La tensión geopolítica y el conflicto comercial entre actores significativos del negocio de los circuitos integrados, como Estados Unidos y China, es un tercer reto. Estados Unidos ha impuesto sanciones y restricciones a empresas chinas como Huawei y SMIC, que dependen de tecnología y equipos estadounidenses para la fabricación de circuitos integrados.
China ha respondido invirtiendo fuertemente en su industria nacional de circuitos integrados y buscando proveedores alternativos. El conflicto ha creado incertidumbre e inestabilidad en el mercado mundial de circuitos integrados y puede afectar a la colaboración y la innovación en el sector.
Conclusión
Los circuitos integrados (CI) son los componentes fundamentales de la electrónica moderna y los dispositivos actuales. Todo, desde los teléfonos inteligentes a las cámaras diminutas, contiene un chip de silicio para circuitos integrados complejos.
La deposición, la fotorresistencia, la litografía, el grabado, la ionización y el empaquetado son procedimientos complicados y precisos que se utilizan para fabricar circuitos integrados. Los circuitos integrados son fundamentales para el crecimiento de la economía moderna y el desarrollo de una amplia infraestructura tecnológica como la inteligencia artificial, los grandes almacenes de datos, etc.