1. Cómo se extrae el silicio de la piedra usando carbono
El silicio existe en la piedra de cuarzo (dióxido de silicio) unido al oxígeno. Eliminar ese oxígeno se llama «reducción», y el silicio metálico se fabrica usando carbono. [1]
Se dice que la pureza en esta etapa es de aproximadamente 98 a 99%. Aunque los números parecen limpios, para uso semiconductor hay demasiadas impurezas todavía, por lo que es necesario refinarlo más. [1]
2. Por qué es necesario convertir el silicio en gas para limpiarlo
Para este refinado se usa el método Siemens. Se hace reaccionar el silicio metálico con cloruro de hidrógeno a unos 300°C para convertirlo en un gas llamado «triclorosilano». Luego se destila para reducir las impurezas y se hace reaccionar con hidrógeno a alta temperatura para extraer silicio policristalino de alta pureza. [1]
Se explica que la razón de convertirlo deliberadamente en gas es que permite usar la destilación. La destilación es una forma de separar mezclas aprovechando las diferencias en la temperatura de ebullición. Es más fácil eliminar solo las impurezas estando en estado gaseoso que en estado sólido. [1]
Este silicio policristalino resultante puede tener una pureza del 99,999999999%, conocido como «once nueves» porque hay once nueves seguidos. La proporción de impurezas es de aproximadamente 1 en 100.000 millones. [2]
3. Cómo se crea una sola pieza de cristal tirando lentamente de una semilla
Lo siguiente necesario es un monocristal, donde la disposición de los átomos está alineada en una sola continuidad. Se coloca el silicio policristalino en un crisol de cuarzo y se funde a unos 1420°C. Allí se toca con un cristal semilla y se retira lentamente mientras gira, usando un método llamado CZ (Czochralski). [3]
Crece un monocristal con la misma disposición atómica que la semilla, formando una barra gruesa llamada lingote. Para las obleas de 300 mm de diámetro, el lingote es muy grande. [3]
4. Cómo se convierte el lingote en una oblea brillante como un espejo
El lingote se corta en rebanadas de unos 1 mm de espesor después de igualar su grosor exterior. Las superficies cortadas se alisan mediante lapidado, grabado y pulido, terminando con una superficie similar a un espejo. Para el pulido se usan partículas de sílice coloidal. [4]
Lo que pasa la limpieza y la inspección es la oblea, una placa circular cortada de un monocristal de silicio para semiconductores. En la producción masiva actual de circuitos integrados (IC), se usan obleas de 300 mm (12 pulgadas) de diámetro. [5]
5. Cómo se dibujan los circuitos usando luz y químicos sensibles
Sobre la superficie de la oblea se deja caer un líquido que reacciona a la luz llamado «fotoresist». Al girar la oblea a alta velocidad, la fuerza centrífuga lo extiende de forma fina y uniforme. El grosor de la película depende de la velocidad de rotación y la viscosidad del líquido. [6]
Luego se realiza la «exposición», proyectando luz con la forma del circuito, y se revela. En el tipo «positivo», las partes expuestas a la luz desaparecen durante el revelado. En cambio, en el tipo «negativo», las partes expuestas permanecen. [6]
Este conjunto de procesos se llama «fotolitografía». Se repite con grabado, implantación de iones, etc., para apilar muchas capas de cableado sobre las capas de transistores. [5] [7]
6. Cómo se usa luz ultravioleta extrema en el vacío para circuitos modernos
Para crear parte de los circuitos de los chips más avanzados, a veces se usa luz ultravioleta extrema (EUV) con una longitud de onda de 13,5 nm. Como esta luz es absorbida por el aire y el vidrio, se hace el interior de la máquina un vacío y se guía la luz con espejos de multicapa en lugar de lentes. [8]
Se dice que la fuente de luz se crea golpeando gotas de estaño de unos 30 μm de diámetro con un láser de CO₂ de alta potencia para crear plasma. También se explica que la única empresa que suministra equipos de exposición EUV es la compañía ASML de los Países Bajos. [9]
Se afirma que los procesos que requerían múltiples exposiciones con el método anterior ArF sumergido (longitud de onda 193 nm) pueden completarse en 1 sola vez con EUV. No todos los procesos funcionan así. [9]
7. Por qué se controla el polvo de la ropa y el cuerpo en la fábrica
En la sala limpia donde se dibujan los circuitos, las personas emiten partículas desde su ropa y cuerpo. Por eso, se usan trajes sin polvo, capuchas y mascarillas, y al entrar se usa una ducha de aire para soplar el polvo de la ropa. [10]
El aire se fluye de arriba hacia abajo, entre otros métodos, para llevar el polvo hacia abajo y alejarlo. La limpieza se indica con la norma internacional ISO 14644 (Clases ISO 1 a 9). Los números de clase específicos de las fábricas de semiconductores varían según la fuente, por lo que no se mencionan aquí. [10]
8. Cómo se cortan, conectan y protegen los chips finales
Las obleas con los circuitos creados en la etapa anterior se dividen en muchos chips mediante «dicing». Los chips se colocan en una base y se conectan a terminales externos con finos hilos de oro o cobre (bonding de alambre). Después se sellan con resina y pasan a la inspección y pruebas. [5] [11]
La cantidad de chips que se obtienen de una oblea depende del tamaño del chip.
9. Cómo ver el polvo de tu casa para entender la fábrica
Oscurece un poco la habitación y apunta una linterna (la luz del teléfono también sirve) desde un lado. Verás que el polvo, normalmente invisible, aparece flotando en el rayo de luz. [10]
Muévete o sacude ligeramente la ropa y compara la cantidad de polvo en la luz. Puedes comprobar con tus propios ojos si el movimiento de las personas aumenta el polvo. Deberías poder imaginar corporalmente por qué las fábricas de semiconductores controlan la ropa de las personas. [10]
Si quieres saber más, puedes leer las explicaciones de los procesos reales en las páginas de productos de SUMCO y Tokuyama (en japonés). [3] [2]