Como Se Hacen Los Microchips

Summary

Este vídeo detalla el proceso de fabricación de microchips semiconductores, desde su origen en la arena hasta la creación de circuitos integrados. Se explora la transformación del silicio puro en obleas, la creación de transistores a través de diseños y máscaras, y el uso de tecnologías de nanoescalado. Además, se menciona el uso de la sala limpia y la importancia de la limpieza para evitar errores en la producción. Finalmente, se destaca el costo elevado de diseño y fabricación, y cómo la producción en masa reduce el precio del chip final.

Takeaways

• 😲 El vídeo muestra cómo una oblea de microchip semiconductores brilla y se ve bajo el microscopio, destacando su complejidad.
• 🔍 Los microchips están hechos de silicio y contienen millones de transistores, que son demasiado pequeños para ser vistos con un microscopio común.
• 💡 Se necesita un microscopio AFM para observar los transistores a nivel nanométrico.
• 🏭 El proceso de fabricación de microchips comienza con la arena, que contiene silicio, y luego se purifica para obtener silicio cristalino.
• 🔩 Los lingotes de silicio se cortan en obleas finas que luego se utilizan para crear los microchips.
• 📏 El diseño de los microchips es un proceso meticuloso que implica la creación de capas y la aplicación de máscaras de microtecnología.
• 🔬 La exposición a la luz ultravioleta a través de máscaras permite transferir el diseño a la oblea de silicio a escala nanométrica.
• 🛠️ Los microchips se fabrican en masa en obleas para reducir costos y tiempos de producción.
• 🏗️ El proceso de fabricación de un microchip puede incluir más de 300 pasos y hasta 14 capas o más de diferentes materiales.
• 🧼 Las salas de producción, conocidas como 'salas limpias', deben ser extremadamente limpias para evitar la contaminación de los chips.

Q & A

¿Qué es una oblea de microchip semiconductores?

Una oblea de microchip semiconductores es una placa de silicio en la que se fabrican microchips a través de múltiples procesos de producción, como la exposición de máscaras de microtecnología y la creación de circuitos integrados.

¿Por qué los microchips no se fabrican uno a uno?

Los microchips no se fabrican uno a uno para acelerar el proceso, reducir costos y utilizar el área disponible de manera eficiente. Se producen en obleas de silicio y luego se cortan individualmente.

¿Qué material es fundamental para la fabricación de microchips y cómo se obtiene?

El material fundamental es el silicio, que se obtiene de la arena. Se mezcla arena de silicio con carbón y se calienta a altas temperaturas para eliminar el oxígeno, luego se procesa para obtener silicio puro.

¿Cómo se crea un lingote de silicio cristalino?

Se crea un lingote de silicio cristalino al sumergir una varilla en silicio derretido y luego extraerla, haciéndola más gruesa con cada inserción.

¿Qué es un transistor NPN y cómo se representa en el diseño de un microchip?

Un transistor NPN es un dispositivo semiconductor que permite el flujo de corriente eléctrica en un solo sentido. En el diseño, se representa con áreas N, P y N, y conexiones metálicas para la puerta.

¿Qué es una máscara de microtecnología y cómo se utiliza?

Una máscara de microtecnología es una herramienta utilizada para transferir el diseño de un chip a una oblea de silicio. Se expone a la luz ultravioleta a través de la máscara para crear el patrón del diseño en una capa fotosensible.

¿Qué es la dopación y cómo se relaciona con la creación de transistores?

La dopación es el proceso de añadir impurezas a un semiconductor para cambiar sus propiedades eléctricas. En la creación de transistores, se utiliza para crear áreas de silicio tipo P o N, que son esenciales para su funcionamiento.

¿Cuál es la importancia de la 'sala limpia' en la fabricación de microchips?

La 'sala limpia' es un área extremadamente libre de partículas de polvo y contaminantes, ya que incluso un grano de polvo podría interferir con la integridad de cientos de transistores. Es crucial para evitar defectos en los microchips.

¿Cómo se prueban los microchips una vez fabricados?

Los microchips se prueban con máquinas especiales que verifican su funcionamiento y calidad. Este proceso es esencial para garantizar que cada chip cumple con los estándares de rendimiento y seguridad.

¿Cuánto cuesta diseñar y fabricar un microchip y cómo se justifica este costo?

Diseñar y fabricar un microchip puede costar millones de dólares debido a la complejidad del proceso y la tecnología involucrada. Sin embargo, el costo por chip se reduce significativamente al fabricar muchos chips a la vez.

Outlines

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🔬 Introducción a la fabricación de microchips

El vídeo comienza con una introducción a un microchip, destacando su apariencia y la complejidad de su estructura. Se menciona que los microchips están hechos de silicio y contienen millones de transistores. El vídeo se centra en la transformación de silicio puro en microchips semiconductores, incluyendo el proceso de exposición de máscaras y la creación de circuitos integrados. Además, se menciona el uso de un microscopio AFM para observar los transistores en detalle y la intención de usar una máquina láser para exponer algunos chips y transistores.

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🏭 Proceso de fabricación de microchips

Este párrafo detalla el proceso de fabricación de microchips, comenzando con la arena como material base y su transformación en silicio puro. Se explica el proceso de creación de lingotes de silicio y luego de obleas de silicio. Se profundiza en el diseño del chip, la utilización de software de diseño de microchips, y la creación de máscaras para la exposición de patrón. Se describen los procesos de dopado, la creación de capas y los pasos químicos y físicos necesarios para construir un transistor. El vídeo también toca la importancia de las salas limpias y la necesidad de un ambiente libre de partículas de polvo para evitar defectos en la producción de microchips.

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🔍 Observación y prueba de microchips

El último párrafo se enfoca en la observación y prueba de los microchips una vez fabricados. Se menciona el uso de microscopios para ver las conexiones metálicas y la utilización de una máquina láser para exponer el interior de los chips. Se destaca la complejidad de los circuitos integrados y la escala nanométrica de los transistores. El vídeo concluye con una mención de los pasos finales del proceso de fabricación, incluyendo el empaquetado, las pruebas finales y la reducción del costo de producción a través de la fabricación en masa.

Keywords

💡Microchip

Un microchip es un pequeño circuito integrado que contiene millones de transistores y otros componentes electrónicos minúsculos. Es fundamental en la tecnología moderna, ya que permite la realización de tareas complejas en dispositivos pequeños. En el guion, el microchip se menciona como el resultado final del proceso de fabricación que transforma rocas en silicio puro y luego en circuitos integrados.

💡Transistores

Los transistores son dispositivos semiconductores que permiten el control de la corriente eléctrica y son la base de la mayoría de los circuitos electrónicos modernos. En el video, se explica que los microchips contienen millones de transistores, que son demasiado pequeños para ser vistos incluso con un microscopio convencional y requieren un microscopio de alta magnificación como el AFM.

💡Silicio

El silicio es un elemento químico que es el principal componente de los microchips semiconductores. Se menciona en el guion que los microchips se fabrican a partir de silicio puro, que se obtiene a partir de la arena mediante procesos de calentamiento y extracción de oxígeno.

💡Dopaje

El dopaje es el proceso de añadir impurezas controladas a un semiconductor para cambiar sus propiedades eléctricas. En el video, se utiliza el dopaje para crear capas de silicio tipo P o N, que son esenciales para la creación de transistores NPN y PNP.

💡Circuito integrado

Un circuito integrado es un conjunto de circuitos electrónicos en un solo chip de silicio. Es el resultado final del proceso de fabricación descrito en el video, que incluye la creación de capas, la aplicación de máscaras y el dopaje para formar transistores y otros componentes electrónicos.

💡Máscara de microtecnología

Las máscaras de microtecnología son patrones que se utilizan para transferir el diseño del circuito integrado a la oblea de silicio. En el video, se menciona que se crean máscaras a partir del diseño del chip y se utilizan para exponer la oblea a la luz ultravioleta, creando así los patrones necesarios para la fabricación de transistores.

💡Sala limpia

Una sala limpia es un área controlada para la contaminación que se utiliza en la fabricación de microchips. Es crucial para evitar que partículas de polvo dañen los minúsculos componentes del chip. En el guion, se destaca que la sala de la foundry es cientos de veces más limpia que un quirófano.

💡Lingote de silicio

Un lingote de silicio es un bloque de silicio puro que se obtiene a partir de la arena y que se usa como base para la fabricación de obleas de silicio. En el video, se describe cómo se crea un lingote de silicio cristalino a partir del silicio puro y cómo luego se cortan en obleas para la fabricación de microchips.

💡Oblea de silicio

Una oblea de silicio es una lámina delgada de silicio puro que se usa para la fabricación de microchips. Se menciona en el guion que las obleas son cortadas del lingote de silicio y son el soporte sobre el cual se crean los circuitos integrados.

💡Pruebas finales

Las pruebas finales son un conjunto de comprobaciones realizadas al final del proceso de fabricación para asegurar que el microchip funcione correctamente. En el video, se indica que los chips se someten a pruebas con máquinas especiales para garantizar su funcionamiento antes de ser enviados al mercado.

Highlights

Se presenta una oblea de microchip semiconductores y se destaca su brillo.

La oblea se observa bajo el microscopio, mostrando diferentes bloques.

Se explica que la oblea está hecha de silicio y contiene millones de transistores.

Los transistores son tan pequeños que requieren un microscopio AFM para ser vistos.

Se detalla el proceso de fabricación de microchips semiconductores.

Se menciona el uso de una máquina láser para exponer chips y transistores.

Se describe la oblea como una referencia para el video, sin saber de qué microchip se trata.

Se explica que los microchips se fabrican en obleas para acelerar el proceso y reducir costos.

Se muestran chips con cubiertas transparentes para ver su interior.

Se detalla el proceso de fabricación de microchips a partir de silicio puro.

Se describe el proceso de creación de un lingote de silicio cristalino llamado boule.

Se explica la creación de obleas a partir del lingote de silicio.

Se discute el diseño del chip y el uso del software de diseño de microchips.

Se describe el proceso de exposición de máscaras de microtecnología y la creación de circuitos integrados.

Se menciona que un microchip puede tener hasta 14 capas y requerir más de 300 procesos diferentes.

Se destaca la importancia de las salas limpias en la fabricación de microchips.

Se describe el proceso de corte de la oblea y el empaquetado de los chips.

Se muestra el proceso de soldadura de cables entre los pines externos y las conexiones del chip.

Se usa una máquina láser para exponer el chip del interior y se muestra su estructura.

Se menciona la importancia de las pruebas finales para garantizar la calidad de los microchips.

Se concluye el video resumiendo el proceso de fabricación de microchips desde la arena hasta el chip final.

Transcripts

¿Qué será esto? Se ve bastante raro, ¿no? Pues es una oblea de microchip semiconductores

y mira como brilla. Esto es la misma oblea bajo el microscopio y podemos ver todo tipo

de bloques. Está hecha de silicio y contiene millones y millones y millones de transistores.

Son tan pequeños que ni siquiera podemos verlos con un microscopio de laboratorio.

Necesitaría algo como un microscopio AFM para hacer eso, básicamente esto es tecnología

nanométrica y en este video iremos paso a paso para ver como pasa de rocas o básicamente

arena, a oblea de silicio, exposición de máscaras de microtecnología y la creación

de circuitos integrados. Básicamente, cómo se fabrican los microchips semiconductores.

También quiero usar mi máquina láser y tal vez exponer algunos chips y transistores

y verlos por dentro. Espero que mi láser sea suficientemente potente para hacer eso...

Así que, vamos a empezar.

¿Qué pasa electrónicos? bienvenidos. Compré esta oblea para usarla como referencia para

mi video. Ni siquiera sé de qué microchip es. Podría ser una memoria, tal vez un microcontrolador

o algún tipo de driver. Quién sabe. Pero como puedes ver, tenemos una especie de patrón

que se repite. Esto es porqué los microchips no se fabrican 1 a 1. Para acelerar el proceso,

reducir costes y utilizar todo el área a la vez, los microchips se fabrican en una

oblea de silicio como esta o podría ser incluso más grande. Luego se corta la oblea a la

medida y cada microchip iría en un cuadradito. Por ejemplo, también compré estos otros

chips que tienen la cubierta trnsparente para que podamos ver dentro. Esta vez tenemos sólo

1 microchip en vez de una oblea entera. Para proteger el chip y también darle conectores

externos, la fábrica cierra el chip en un material como epoxi negra y también le pone

los pines metálicos. Comenzamos desde el principio. Todo empieza

con uno de los materiales más abundantes del planeta. Arena. O para ser más específicos,

silicio. Los microchips están hechos de silicio, pero en la naturaleza, normalmente, la arena

tiene silicio junto con oxígeno y necesitamos silicio puro. Para eso mezclamos arena de

silicio con carbón y la calientan a temperaturas extremas para eliminar el oxígeno. Después

de complejos procesos químicos y físicos, logramos silicio puro.

Cuando esté derretido, sumergen una varilla y la sacan, como en el proceso de una vela.

Cada vez que la varilla se sumerge en el silicio derretido, se hace cada vez más gruesa y

así es como crean un lingote de silicio cristalino puro llamado boule.

Una vez tenemos el boule, es el momento de crear las obleas, así que usando sierras

especiales cortan el lingote en obleas muy finas de silicio puro y limpio. Ahora tenemos

una oblea nueva sin nada encima. Es hora de la segunda parte, que es la creación de los

transistores.

Para eso comenzamos con el diseño del chip. El software de diseño de microchips es muy

caro. Por ejemplo, durante mi época universitaria tuve la oportunidad de utilizar el software

Cadence. Comienzas con un circuito de transistores y luego pasas al diseño que representa las

diferentes capas del chip con esos transistores. Como ejemplo, digamos que fabricamos un simple

transistor NPN. El diseño sería algo como esto que representa el área N, P y N, la

conexión metálica de la puerta, etc.

Para el siguiente paso, la oblea se introduce dentro de una cámara reactor y se coloca

encima una fina capa de óxido. Y esta por ahora no es conductora. Luego, para el siguiente

paso, la oblea se llena con una solución fotosensible que se endurece con la luz. Utilizando

el diseño anterior, la fábrica crea una máscara. Esa máscara se coloca generalmente

frente a la luz ultravioleta, así se crea el patrón del diseño. Esta máscara es muy

grande comparada con el tamaño nanométrico de los transistores. Por lo general, se utiliza

un conjunto de espejos y lentes para enfocar y reducir la luz de la máscara al tamaño

nanométrico exacto. Ahora la solución fotosensible se endurece con la forma exacta del diseño.

La oblea se sumerge en una solución limpiadora para eliminar la solución que no es sólida.

Así de simple creamos la máscara sobre la oblea. Luego, la oblea se graba mediante un

grabado químico o un proceso de plasma. Entonces, el siguiente paso es poner otros químicos

o una cámara de plasma para eliminar el óxido que queda expuesto. De esta manera creamos

canales en el óxido encima del silicio. Luego se realiza un proceso de deposición dentro

de una cámara reacción. La oblea se introduce dentro de un reactor y se aplica una pequeña

capa de silicio dopado, polisilicio, metales, etc. Digamos que aplicamos un dopaje tipo

N. Después de eso se quita la máscara y nos quedamos con esto.

Hemos visto en algunos videos míos anteriores que el silicio debe estar dopado para conducir

electrones, generalmente con boro o fósforo, para crear un silicio tipo P o N. Mire ese

video para entender más sobre el dopaje y por qué el silicio es un semiconductor.

De todos modos, a nuestra oblea le viene otro proceso de dopaje. Se crea otra máscara pero

ahora cubrimos los canales que hemos creado antes. La parte descubierta se rellena con

una capa de silicio diferente dentro de un reactor. Ahora dopamos el silicio con boro

y creamos un silicio tipo P. Después de eso, se vuelve a quitar la máscara y así hemos

creado una unión N P N, o mejor dicho, un transistor BJT.

Obviamente, en la vida real hay muchos otros procesos químicos y físicos, se crea más

de una capa, deposición de metales, dopaje, diferentes tipos de silicio, etc. Un microchip

podría acabar teniendo hasta 14 capas o más, y para eso hay que hacer más de 300 procesos

diferentes. Incluyendo calentar la oblea a más de mil grados. Entonces de la misma manera

podemos crear una capa, depositar otra, otra máscara, quitar el exceso, otra deposición,

otra máscara y así sucesivamente, creando muchas capas y con eso, el llamado circuito

integrado que sería muy complejo.

Así pasamos del lingote de silicio puro, hacemos una oblea, creamos un diseño y lo

pasamos a una máscara. Aplicamos la máscara con luz ultravioleta a nanoescala y grabamos

el silicio. Depositamos otros materiales y dopamos el material y sacamos la oblea terminada.

Ya que el proceso es muy caro y debe hacerse en una sala muy, muy limpia, en lugar de fabricar

un chip a la vez, el diseño se multiplica y en una sola oblea se fabrican cientos de

chips a la vez. Y hablando de la sala limpia, la sala de la

foundry de hecho se llama “sala limpia”. Es cientos de veces más limpia que un quirófano.

Sólo unas pocas partículas de polvo por metro cúbico. ¿Y por qué? Pues incluso

un pequeño grano de polvo es más grande que cientos de transistores, así que si ese

grano de polvo acaba en la oblea, cubriría muchos transistores. Por eso se utilizan sistemas

de filtrado muy caros y los trabajadores siempre están limpios y usan ropa protectora.

Bien, el siguiente paso es cortar los chips al tamaño adecuado. La oblea se corta en

trozos separados. Luego, el chip se coloca dentro de un recinto para facilitar su uso

y protección. Con una punta de soldadura muy fina se suelda un pequeño cable entre

los pines externos y las conexiones del chip. De hecho, en este chip, ya que está expuesto,

podemos ver esas conexiones metálicas. Vamos a mirarlo de cerca bajo el microscopio.

Podemos ver cómo cada pin se conecta al chip mediante cables muy finos.

Aquí estoy usando mi máquina láser para quitar el epoxi de la parte superior y exponer

el chip del interior. Vamos a ver. Y aquí hay otro chip, este es un temporizador 555.

Y esto está dentro de un amplificador operacional. Esto está dentro de un microcontrolador Arduino,

el ATmega328. Es interesante verlo, ¿verdad? Ten en cuenta que sólo podemos ver los bloques

principales, los transistores son demasiado pequeños para este microscopio. Están en

la escala de nanómetros. Bien, y la parte final es, obviamente, poner

el chip a prueba con máquinas de prueba especiales. Y eso sería. Así se pasa de la arena a los

microchips. Obviamente, hay muchos más pasos intermedios, pero estos fueron los principales.

Lingote de silicio a oblea, extracción o deposición de capa, máscara UV, dopaje,

corte de oblea, empacado y pruebas finales. Ten en cuenta que diseñar y fabricar un microchip

cuesta millones de dólares, pero como se fabrican tantos, el precio podría reducirse

a sólo unos pocos céntimos por chip. Espero que te guste este vídeo y que hayas aprendido

algo nuevo. Si es así, considera darme un me gusta o dejar un comentario. Gracias de

nuevo y hasta luego electrónicos.