En Naukas: Microchips, las entrañas de la tecnología

Aquí tenéis mi última colaboración con Naukas. Como siempre, muchas gracias por los comentarios y por las opiniones en distintas redes sociales.

Cada vez es mayor la presencia de smarthphones, tablets y otra cacharrería en nuestra sociedad. ¿Ya somos conscientes de la tecnología que llevamos en las manos, o sólo queremos que el móvil tenga WhatsApp? Los smartphones están siendo la última masificación de chips en la sociedad. Elementos ocultos en las tripas de artículos eléctricos que tenemos a nuestro alrededor.

A los microchips también se les denomina circuitos integrados y hace unos meses Intel publicó un material muy interesante sobre cómo se fabrican estos elementos. Resumiré a continuación los pasos para crear uno.

El material básico para fabricar los chips es sílice. La mayor parte de arena contiene este material. Sin embargo, la experiencia de fabricación de esta tecnología ha demostrado que se necesita una arena de una calidad excelente: la cuarcita, que puede contener más de un 99% de sílice. Y encontrarla no es tan trivial. De hecho, la alta calidad y pureza de la arena es uno de los secretos de Silicon Valley y su éxito. La cuarcita es una arena depurada por la propia naturaleza y tiene la característica de no tener casi impurezas, ser un material más puro, etc. Ese es el mejor material como base para los chips.

Lo primero que hay que hacer con esta materia prima es derretirla para posteriormente extraer cilindros de sílice. Los cuales, tras un proceso de acabado superficial, pasan a cortarse en rebanadas muy finas. Estas láminas se habrán de seguir tratando, eliminando impurezas y puliéndolas. Tras esto, tendremos una oblea de sílice, cuyo proceso se puede ver en el siguiente vídeo:

Ese disco puede tener hasta 300mm de diámetro. Cuanto más grande, más chips se pueden fabricar a partir de ahí, lo cual abarata su coste. Después del corte, hay que seguir aplicando distintos tratamientos superficiales a la oblea hasta quedar calidad espejo, es decir, perfectamente lisa y sin impurezas.

Esta oblea es la base para la fabricación de los circuitos integrados o chips. Es decir, se trata de un producto complejo realizado a partir de materiales semiconductores, como el sílice, y tratado posteriormente con una serie de procesos químicos y de fotolitografía. Estos procesos son altamente complejos, y dependen en cierta medida del fabricante. En nuestro caso, expondremos los que usa Intel.

El proceso comienza con la deposición de un líquido fotorresistente. Esta sustancia tiene la particularidad de reaccionar a determinadas longitudes de onda, y es resistente a ciertas sustancias químicas. Estas características se usarán para eliminar material en el siguiente paso:

Tras dejar que se cure la sustancia fotorresistente, se le aplica luz ultravioleta. Sin embargo, gracias a una plantilla o máscara, la luz no afecta a toda la oblea, sino que solo las zonas iluminadas por la luz reaccionarán y derretirán el líquido fotorresistente. A esta técnica se le llama fotolitografía. A continuación, estos restos líquidos se eliminarán con un proceso químico.

Posteriormente, se bombardea la oblea con haces de iones cargados negativa o positivamente, los cuales reaccionan con el sílice no cubierto con la sustancia fotorresistente. Ahora ese sílice está dopado, es decir, sus características eléctricas han variado debido a los iones, y el sílice ha ganado en aislamiento o en conductividad, según el signo de los haces de iones. Después de esa incrustación de iones, ha de retirarse todo el material fotorresistente que quedaba.

Ésta es la base para la formación de transistores dentro del circuito integrado. Concretamente, en la siguiente imagen se muestra un zoom de la oblea, ya con los iones. En una única oblea pueden fabricarse hoy en día millones de transistores en zonas como ésta. Los siguientes pasos están enfocados en la construcción de uno de estos transistores. Nos centraremos en la pequeña zona de la oblea exclusivamente a partir de ahora.

Concretamente, el transistor que se va a construir es un modelo comercial de Intel, denominado Tri-Gate 3D, sobre el cual tenéis mucha información y vídeos muy ilustrativos aquí. Por ejemplo, en el primero explica a partir del 2:10 la diferencia entre transistores 2D y 3D.

Al final lo que conseguiremos es una estructura así:

Los códigos de colores no se corresponden entre las dos últimas fotos, pero para entendernos, básicamente lo que queda por hacer son las 3 patas del transistor (source, gate y drain). La base (gate) es quien controla el flujo de corriente entre drain y source, las cuales siempre componen las patas de un transistor de estas características. Los distintos pasos (compuestos básicamente por procesos fotolitográficos) para comprender cómo se puede construir un transistor así a partir de la oblea, se pueden seguir en este enlace.

Al final la oblea dispondrá de millones de transistores uno al lado del otro perfectamente ordenados, los cuales se ven al microscopio así:

Lógicamente, la oblea hay que cortarla. Un microprocesador o un circuito integrado no tienen exclusivamente un transistor, sino que le acompañan condensadores, conductores, resistencias, otros tipos de transistores y distintos elementos electrónicos que nos podamos imaginar. En el siguiente vídeo podemos ver el proceso completo de fabricación de este chip.

Al hilo del proceso que se ha explicado en el presente artículo, a continuación os dejo con algunas imágenes de qué nos podemos encontrar si abrimos algunos circuitos integrados y les tratamos un poco químicamente (podéis ver más imágenes y ver el proceso aquí).