De la
arena
al
silicio
en 10 pasos, como la
ciencia
transforma un día de playa en procesadores
Intel
Core i7
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Los desiertos de Arizona son el hogar de una fábrica de Intel valuada en 3 billones de dólares. Esta fábrica realiza una de las mayores hazañas de ingeniería electronica de nuestro tiempo. Aquí es donde se crean procesadores con componentes extremadamente pequeños, con medidas de sólo 45 millonésimas de milímetro. Crear estos complicados sistemas en miniatura es suficientemente impresionante, pero no es el tamaño del procesador lo más asombroso o impresionante del proceso.
Parece una transformación imposible, pero estos componentes se hacen de nada más que arena . Tal hazaña transformadora no es simple. El proceso de producción requiere más de 300 pasos individuales. Sin embargo, se pueden resumir en sólo diez ...
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1. Conversión de arena a silicio
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La arena esta compuesta de sílice (también conocido como dióxido de silicio ), y es el punto de partida para hacer un procesador . La arena usada en la industria de la construcción es generalmente amarilla, naranja o roja debido a las impurezas, pero el tipo elegido para la manufactura de silicio es una forma pura conocida como arena de sílice, que suele ser recuperada en la explotación de canteras. Para extraer el elemento silicio del sílice, se debe reducir (removerle el oxígeno). Esto se logra calentando una mezcla de sílice y carbono en un horno de arco eléctrico a una temperatura superior a los 2.000 ° C. El carbono reacciona con el oxígeno de la sílice fundida para producir dióxido de carbono (un subproducto) y el silicio , que se instala en la parte inferior del horno. El silicio restante se trata con oxígeno para reducir cualquier impureza de calcio y de aluminio. El resultado final de este proceso es una sustancia conocida como silicio de grado metalúrgico (metallurgical-grade silicon), que es hasta 99 por ciento pura.
Esto no es suficiente puro para la fabricación de semiconductores, por lo que se debe refinar nuevamente. El silicio se muele hasta obtener un polvo fino y se hace reaccionar con cloruro de hidrógeno gaseoso en un reactor de lecho fluidizado a 300ºC lo que da un compuesto de silicona líquida llamada triclorosilano. Las impurezas tales como hierro, aluminio, boro y fósforo, también reaccionan dando sus cloruros, que luego se eliminan por destilación fraccionada. El triclorosilano purificado se vaporiza y se hace reaccionar con gas de hidrógeno a 1.100ºC para que el silicio elemental se recupere.
Durante la reacción, el silicio se deposita en la superficie de una barra de silicio ultra pura, calentado eléctricamente para producir un lingote de silicio . El resultado final se conoce como silicio de grado electrónico(electronic-grade silicon), y tiene una pureza del 99.999999 por ciento.
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Silicio
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2. Creación de un cristal cilíndrico
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Silicio policristalino
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Aunque puro en un grado muy alto, el silicio en bruto de calidad electrónica tiene una estructura policristalina. En otras palabras, es compuesto por un montón de pequeños cristales de silicio , con defectos llamados límites de grano entre ellos. Debido a que estas anomalías afectan el comportamiento de electrónica local, no es apto para la fabricación de semiconductores. Para convertirlo en un material utilizable, el silicio debe ser convertido en cristales individuales que tienen una estructura atómica regular. Esta transformación se logra a través del Proceso Czochralski.
Se funde en un crisol rotativo de cuarzo y se mantiene justo por encima de su punto de fusión de 1.414 ° C. Un pequeño cristal de silicio se sumerge entonces en el silicio fundido y se retira lentamente, mientras se continua la rotación en la dirección opuesta a la rotación del crisol. El cristal actúa como una semilla, causando que el silicio del crisol, cristalice a su alrededor. Esto se acumula en una barra - llamada bola - que comprende un cristal de silicio simple. El diámetro de la bola depende de la temperatura en el crisol, el ritmo al que el cristal es 'tirado' (que se mide en milímetros por hora) y la velocidad de rotación. Una medidas típica de bola es de 300 mm de diámetro.
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3. Cortando el cristal en obleas
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Los circuitos integrados son aproximadamente lineales, es decir que están formados en la superficie del silicio . Para maximizar la superficie posible de silicio para chips , la bola se corta en discos llamados wafers (obleas). Las obleas son lo suficientemente gruesas como para que puedan ser manejadas con seguridad durante la fabricación de semiconductores. Obleas de 300 mm son típicamente de 0.775mm de espesor. El corte se realiza con una sierra de alambre que corta varios sectores al mismo tiempo. El alambre está en constante movimiento y también lleva consigo una mezcla de carburo de silicio . Los bordes afilados de cada oblea entonces se alisan para evitar que se astille durante los procesos posteriores. Después, en un procedimiento llamado ‘lapping’, las superficies se pulen con una mezcla abrasiva hasta que las láminas son de 2µm (dos milésimas de milímetro).
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La oblea es entonces grabada en una mezcla de ácidos, nítrico, fluorhídrico y acético. El ácido nítrico, óxida las superficies para dar una fina capa de dióxido de silicio - que el ácido fluorhídrico disuelve inmediatamente para dejar una superficie de silicio limpia - y el ácido acético controla la velocidad de reacción. El resultado de este tratado y refinación es una superficie más suave y limpia.
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Oblea de silicio grabada
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4. Realización de una capa de óxido modelada
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En muchos de los pasos posteriores, las propiedades eléctricas de la lámina se modificarán a través de la exposición a haces de iones, gases calientes y productos químicos. Pero esto debe hacerse de manera selectiva a las zonas específicas, con el fin de construir el circuito . La aplicación de la máscara de capa de óxido a la oblea es un proceso de varias etapas, como se ilustra y explica a continuación.
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(A) La oblea se calienta a alta temperatura en un horno. La capa superficial de silicio reacciona con el oxígeno presente para crear una capa de dióxido de silicio .
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(B) Se aplica una capa de un producto químico fotosensible. La oblea se hace girar en el vacío para que el fotosensible se extienda de manera uniforme sobre la superficie antes de ser cocido en seco.
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(C) La oblea se expone a la luz ultravioleta a través de una máscara o una película fotográfica. Esta máscara define el patrón de características que requiere el circuito . Este proceso tiene que llevarse a cabo muchas veces, una para cada grupo de chips o zona rectangular de chips en la lámina. La película se mueve entre cada exposición usando una máquina llamada 'stepper'.
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(D) El siguiente paso es desarrollar la imagen latente del circuito . Este proceso se lleva a cabo usando una solución alcalina. Durante este proceso, las partes de fotosensible que fueron expuestas a la radiación ultravioleta se suavizaron en la solución y se lavaron.
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(E) El fotosensible no es lo suficientemente resistente para soportar los gases calientes utilizado en algunos pasos, pero es capaz de resistir el ácido fluorhídrico, que ahora se utiliza para disolver las partes de la capa de óxido de silicio , donde el fotosensible ha sido lavado.
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(F) Por último, se utiliza un disolvente para eliminar el fotosensible restante, dejando una capa de óxido en la forma de las características del circuito necesario.
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5. Creando regiones tipo-n y tipo-p
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El bloque de construcción fundamental de un procesador es un tipo de transistor llamado MOSFET. El tipo de dispositivo ilustrado es un 'p-channel' MOSFET (llamado así porque se usa material de tipo p). Los procesadores también usan 'n-channel' MOSFETs, que utilizan materiales tipo-n. El primer paso en crear un circuito es crear las regiones tipo-n y tipo-p. A continuación se muestra el método que Intel usa para su proceso de 90nm y más allá:
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(A)La oblea se expone a un rayo de iones de boro. Estos se implantan en el silicio a través de las lagunas en una capa fotosensible para crear áreas llamadas 'p-wells'(pozos-p). Estos, aunque resulte confuso, se utilizan en los MOSFETs n-channel. Un ión de Boro es un átomo de boro con un electrón removido, lo que le da carga positiva. Esta carga permite que los iones se aceleren electrostáticamente (de manera similar que los electrones se aceleran hacia el frente de una television CRT), dandolés suficiente energía para ser implantados en el silicio .
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(B)Se aplica ahora, otra capa de fotosensible, y un haz de iones de fósforo se utiliza de la misma manera para crear 'n-wells' (pozos-n) para MOSFETs de tipo p-channel.
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(C) En la etapa de implantación iónica final, después de la aplicación de otra fotosensible, otro haz de iones de fósforo se utiliza para crear las regiones de tipo n en los pozos-p que actuará como la fuente y el drenaje de los MOSFETs n-channel . Esto tiene que ser llevado a cabo por separado de la creación de pozos-n, porque necesita una mayor concentración de los iones de fósforo para crear regiones tipo n en el silicio tipo p, que la que se necesita para crear regiones de tipo n en el más puro.
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(D) A continuación, tras la deposición de una capa de óxido (ya que, una vez más, el fotosensible sería destruido por el gas caliente que se usa aquí), una capa de silicio -germanio dopado con boro (que es un material de tipo p) se aplica.
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6. Agregar puertas para completar los MOSFETs
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Con las regiones en su lugar, todo lo que se necesita para completar los MOSFETs es la puerta(gate). Como muchos de estos pasos, lo primero es producir una capa de óxido como se describe en el paso 4. En este caso, la capa de óxido tendrá lagunas en las puertas de los MOSFETs. Una vez más, hay diferentes maneras de hacer las puertas, pero el método aquí descrito es típico.
La primera parte de la puerta es una capa muy delgada aislante de dióxido de silicio , depositado en la superficie del silicio entre la fuente y el drenaje. Esto se realiza mediante deposición de vapor químico (CVD), un proceso que se lleva a cabo en un horno lleno de diversos gases que causan una reacción química que tendrá lugar en la superficie del silicio . Para completar el MOSFET, una capa de silicio se aplica sobre la parte superior de la capa de óxido para que actue como un conductor. Otra vez, se utiliza CVD, y el silicio es aplicado mediante una reacción de oxidación en el que resulta hidruro de silicio gaseoso, reacciona con oxígeno para dar silicio y agua como productos.
El silicio es un pobre conductor eléctrico, pero puede ser más conductor por la adición de impurezas, un proceso conocido como "doping". El fósforo tiene un electrón más en su capa externa que el silicio , por lo que el dopaje con él, introduce electrones adicionales que son libres de moverse dentro de la matriz de cristal. Esto se llama 'n-type' (de negativo) y es material más conductor que el silicio puro, debido a su portación de carga negativa. Por el contrario, el boro tiene un electrón menos en su capa externa, por lo que el dopaje con este elemento crea 'p-type'(por positivo) material que puede conducir mediante portadores de carga positiva llamados 'holes'(agujeros).
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Un MOSFET puede actuar como un interruptor electrónico, controlando el flujo de corriente en un circuito mediante la aplicación de voltaje a otro. Este es un requisito de todos los circuitos electrónicos digitales. Si se aplica un voltaje entre la fuente y el drenaje, no pasará corriente, y el MOSFET se apaga. Esto se debe a que cargas iguales se repelen entre sí, por lo que los electrones no pueden fluir desde el material tipo p a el material de tipo n. Sin embargo, si un voltaje negativo se aplica a la puerta (que está aislado del material de tipo p, debido a la capa de dióxido de silicio ), la acumulación de cargas electrostáticas repele los electrones del material tipo n y llega a los agujeros de las regiones de tipo p. Esto hace que un canal de tipo p se cree justo debajo de la puerta, y en consecuencia existe un camino conductor entre la fuente y el drenaje. El MOSFET, por lo tanto, ha sido activado.
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7. Conexión de los MOSFETs con pistas de cobre
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Una vez que todo esto se ha hecho, la oblea contiene billones de MOSFETs. Con el fin de que trabajen juntos en circuitos, deben estar conectados entre sí para producir gran cantidad de chips individuales, cada uno conteniendo millones de MOSFETs. El proceso utilizado por Intel es el siguiente:
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(A) El estado inicial de los MOSFETs en la oblea.
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(B) Antes de que la adición del trazado de circuito de cobre se pueda realizar, una capa de aislamiento tiene que ser aplicada a la oblea, para que las pistas de interconexión no corte todos los MOSFETs. El dióxido de silicio se utiliza como aislante, y esta capa se acumula en la superficie de la oblea, ya sea por oxidación en un horno o mediante un proceso de deposición química de vapor. Con toda la superficie de la oblea cubierta de una capa aislante de dióxido de silicio , ya no es posible realizar conexiones a la fuente, la fuga y la puerta de los MOSFETs. Hay varias maneras de restablecer las conexiones, pero para simplificar, vamos a describir un método llamado 'double damascene'. Este método implica dos pasos- uno para crear patillas de conexión de tungsteno y el segundo para las interconexiones de cobre.
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(C) El ácido fluorhídrico es utilizado para grabar los agujeros en el aislamiento de dióxido de silicio (a través de una capa de fotosensible).
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(D) Después de eso, las zanjas en el modelado de las pistas de interconexión necesarias son grabadas en el dióxido de silicio a través de otra capa fotosensible.
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(E) Una capa superior de cobre, entonces se aplica por galvanoplastia (también llamado electroplateado). Esto llena las zanjas y agujeros para hacer contacto con los MOSFETs subyacentes. Las clavijas metálicas resultantes que sobresalen a través de la capa de aislamiento se llaman "vías".
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(F) La oblea está ahora cubierta por una capa de cobre. La etapa final consiste en sacar esto. En un proceso llamado pulido químico-mecánico, se elimina el exceso de cobre, de modo que la cantidad deseada se deja para formar las pistas en las zanjas y agujeros.
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8. Completando el circuito
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No siempre es posible cablear un circuito sin que se crucen cables. Si sólo habría una interconexión, las pistas que se cruzan harían corto. Para evitar esto, los MOSFETs tienen más de una capa metálica, cada una aislada por una capa de dióxido de silicio y conectada usando vías.
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9. Clasificando los chips buenos y los malos
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Si todo va bien, la oblea debería ahora contener un par de cientos 'dies'(nombre oficial para los chips), pero en realidad, no todos ellos funcionarán correctamente. Los fabricantes de semiconductores tienden a no publicar estas cifras, pero los expertos del sector consideran un rendimiento típico (el porcentaje de 'dies' funcionales en una oblea), alrededor de un 60 por ciento. El siguiente trabajo es encontrar cuales no estan funcionando, una tarea que se lleva a cabo por una sonda. Esta pieza de hardware utiliza pines que coinciden con los contactos del ' die ', por donde las señales eléctricas se pueden pasar para poner el procesador en marcha. Se categorizan como 'funcionales' y 'no funcionales', pero también puede haber varios con funcionamiento parcial. Procesadores en que sólo algunos de los chips funcionan pueden ser vendidos como un producto de menor especificación.
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Después de que todos fueron testeados, la oblea se corta en circuitos individuales, se ordenan y despliegan de acuerdo a los resultados del testeo.
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10. Embalaje para sobrevivir en el mundo real
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Puede ser que tengamos un circuito en pleno funcionamiento, pero tal y como está, es demasiado frágil para enviar a un fabricante de motherboards. Por otra parte, el chip tiene cientos o miles de conexiones al mundo exterior, pero es de sólo unos pocos milímetros cuadrados, por lo que es demasiado incómodo para una empresa de electrónica hacer conectores para él. El paso final, por lo tanto, es el almacenamiento del chip en un paquete que la mayoría de la gente podría pensar como un " procesador ". Existen varios métodos para este proceso. Cualquiera que se utilice, el resultado final es que el chip está bien fijado en el paquete, y las conexiones eléctricas se hacen entre los contactos del chip y los contactos en el paquete. Una prueba final sobre el ensamblado final es todo lo que necesita antes de que el procesador puede ser enviado a un fabricante y en última instancia, usado para potenciar una computadora.
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Empaquetado de un procesador Intel 80486 en un empaque de cerámica (arcaico, pero para tener una idea)
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Core i7 920
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Arme este post con una traducción realizada por mi
de ESTE ARTíCULO , lean, comenten y critiquen.
Saludos!l
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Los desiertos de Arizona son el hogar de una fábrica de Intel valuada en 3 billones de dólares. Esta fábrica realiza una de las mayores hazañas de ingeniería electronica de nuestro tiempo. Aquí es donde se crean procesadores con componentes extremadamente pequeños, con medidas de sólo 45 millonésimas de milímetro. Crear estos complicados sistemas en miniatura es suficientemente impresionante, pero no es el tamaño del procesador lo más asombroso o impresionante del proceso.
Parece una transformación imposible, pero estos componentes se hacen de nada más que arena . Tal hazaña transformadora no es simple. El proceso de producción requiere más de 300 pasos individuales. Sin embargo, se pueden resumir en sólo diez ...
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1. Conversión de arena a silicio
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La arena esta compuesta de sílice (también conocido como dióxido de silicio ), y es el punto de partida para hacer un procesador . La arena usada en la industria de la construcción es generalmente amarilla, naranja o roja debido a las impurezas, pero el tipo elegido para la manufactura de silicio es una forma pura conocida como arena de sílice, que suele ser recuperada en la explotación de canteras. Para extraer el elemento silicio del sílice, se debe reducir (removerle el oxígeno). Esto se logra calentando una mezcla de sílice y carbono en un horno de arco eléctrico a una temperatura superior a los 2.000 ° C. El carbono reacciona con el oxígeno de la sílice fundida para producir dióxido de carbono (un subproducto) y el silicio , que se instala en la parte inferior del horno. El silicio restante se trata con oxígeno para reducir cualquier impureza de calcio y de aluminio. El resultado final de este proceso es una sustancia conocida como silicio de grado metalúrgico (metallurgical-grade silicon), que es hasta 99 por ciento pura.
Esto no es suficiente puro para la fabricación de semiconductores, por lo que se debe refinar nuevamente. El silicio se muele hasta obtener un polvo fino y se hace reaccionar con cloruro de hidrógeno gaseoso en un reactor de lecho fluidizado a 300ºC lo que da un compuesto de silicona líquida llamada triclorosilano. Las impurezas tales como hierro, aluminio, boro y fósforo, también reaccionan dando sus cloruros, que luego se eliminan por destilación fraccionada. El triclorosilano purificado se vaporiza y se hace reaccionar con gas de hidrógeno a 1.100ºC para que el silicio elemental se recupere.
Durante la reacción, el silicio se deposita en la superficie de una barra de silicio ultra pura, calentado eléctricamente para producir un lingote de silicio . El resultado final se conoce como silicio de grado electrónico(electronic-grade silicon), y tiene una pureza del 99.999999 por ciento.
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Silicio
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2. Creación de un cristal cilíndrico
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Silicio policristalino
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Aunque puro en un grado muy alto, el silicio en bruto de calidad electrónica tiene una estructura policristalina. En otras palabras, es compuesto por un montón de pequeños cristales de silicio , con defectos llamados límites de grano entre ellos. Debido a que estas anomalías afectan el comportamiento de electrónica local, no es apto para la fabricación de semiconductores. Para convertirlo en un material utilizable, el silicio debe ser convertido en cristales individuales que tienen una estructura atómica regular. Esta transformación se logra a través del Proceso Czochralski.
Se funde en un crisol rotativo de cuarzo y se mantiene justo por encima de su punto de fusión de 1.414 ° C. Un pequeño cristal de silicio se sumerge entonces en el silicio fundido y se retira lentamente, mientras se continua la rotación en la dirección opuesta a la rotación del crisol. El cristal actúa como una semilla, causando que el silicio del crisol, cristalice a su alrededor. Esto se acumula en una barra - llamada bola - que comprende un cristal de silicio simple. El diámetro de la bola depende de la temperatura en el crisol, el ritmo al que el cristal es 'tirado' (que se mide en milímetros por hora) y la velocidad de rotación. Una medidas típica de bola es de 300 mm de diámetro.
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3. Cortando el cristal en obleas
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Los circuitos integrados son aproximadamente lineales, es decir que están formados en la superficie del silicio . Para maximizar la superficie posible de silicio para chips , la bola se corta en discos llamados wafers (obleas). Las obleas son lo suficientemente gruesas como para que puedan ser manejadas con seguridad durante la fabricación de semiconductores. Obleas de 300 mm son típicamente de 0.775mm de espesor. El corte se realiza con una sierra de alambre que corta varios sectores al mismo tiempo. El alambre está en constante movimiento y también lleva consigo una mezcla de carburo de silicio . Los bordes afilados de cada oblea entonces se alisan para evitar que se astille durante los procesos posteriores. Después, en un procedimiento llamado ‘lapping’, las superficies se pulen con una mezcla abrasiva hasta que las láminas son de 2µm (dos milésimas de milímetro).
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La oblea es entonces grabada en una mezcla de ácidos, nítrico, fluorhídrico y acético. El ácido nítrico, óxida las superficies para dar una fina capa de dióxido de silicio - que el ácido fluorhídrico disuelve inmediatamente para dejar una superficie de silicio limpia - y el ácido acético controla la velocidad de reacción. El resultado de este tratado y refinación es una superficie más suave y limpia.
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Oblea de silicio grabada
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4. Realización de una capa de óxido modelada
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En muchos de los pasos posteriores, las propiedades eléctricas de la lámina se modificarán a través de la exposición a haces de iones, gases calientes y productos químicos. Pero esto debe hacerse de manera selectiva a las zonas específicas, con el fin de construir el circuito . La aplicación de la máscara de capa de óxido a la oblea es un proceso de varias etapas, como se ilustra y explica a continuación.
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(A) La oblea se calienta a alta temperatura en un horno. La capa superficial de silicio reacciona con el oxígeno presente para crear una capa de dióxido de silicio .
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(B) Se aplica una capa de un producto químico fotosensible. La oblea se hace girar en el vacío para que el fotosensible se extienda de manera uniforme sobre la superficie antes de ser cocido en seco.
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(C) La oblea se expone a la luz ultravioleta a través de una máscara o una película fotográfica. Esta máscara define el patrón de características que requiere el circuito . Este proceso tiene que llevarse a cabo muchas veces, una para cada grupo de chips o zona rectangular de chips en la lámina. La película se mueve entre cada exposición usando una máquina llamada 'stepper'.
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(D) El siguiente paso es desarrollar la imagen latente del circuito . Este proceso se lleva a cabo usando una solución alcalina. Durante este proceso, las partes de fotosensible que fueron expuestas a la radiación ultravioleta se suavizaron en la solución y se lavaron.
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(E) El fotosensible no es lo suficientemente resistente para soportar los gases calientes utilizado en algunos pasos, pero es capaz de resistir el ácido fluorhídrico, que ahora se utiliza para disolver las partes de la capa de óxido de silicio , donde el fotosensible ha sido lavado.
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(F) Por último, se utiliza un disolvente para eliminar el fotosensible restante, dejando una capa de óxido en la forma de las características del circuito necesario.
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5. Creando regiones tipo-n y tipo-p
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El bloque de construcción fundamental de un procesador es un tipo de transistor llamado MOSFET. El tipo de dispositivo ilustrado es un 'p-channel' MOSFET (llamado así porque se usa material de tipo p). Los procesadores también usan 'n-channel' MOSFETs, que utilizan materiales tipo-n. El primer paso en crear un circuito es crear las regiones tipo-n y tipo-p. A continuación se muestra el método que Intel usa para su proceso de 90nm y más allá:
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(A)La oblea se expone a un rayo de iones de boro. Estos se implantan en el silicio a través de las lagunas en una capa fotosensible para crear áreas llamadas 'p-wells'(pozos-p). Estos, aunque resulte confuso, se utilizan en los MOSFETs n-channel. Un ión de Boro es un átomo de boro con un electrón removido, lo que le da carga positiva. Esta carga permite que los iones se aceleren electrostáticamente (de manera similar que los electrones se aceleran hacia el frente de una television CRT), dandolés suficiente energía para ser implantados en el silicio .
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(B)Se aplica ahora, otra capa de fotosensible, y un haz de iones de fósforo se utiliza de la misma manera para crear 'n-wells' (pozos-n) para MOSFETs de tipo p-channel.
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(C) En la etapa de implantación iónica final, después de la aplicación de otra fotosensible, otro haz de iones de fósforo se utiliza para crear las regiones de tipo n en los pozos-p que actuará como la fuente y el drenaje de los MOSFETs n-channel . Esto tiene que ser llevado a cabo por separado de la creación de pozos-n, porque necesita una mayor concentración de los iones de fósforo para crear regiones tipo n en el silicio tipo p, que la que se necesita para crear regiones de tipo n en el más puro.
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(D) A continuación, tras la deposición de una capa de óxido (ya que, una vez más, el fotosensible sería destruido por el gas caliente que se usa aquí), una capa de silicio -germanio dopado con boro (que es un material de tipo p) se aplica.
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6. Agregar puertas para completar los MOSFETs
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Con las regiones en su lugar, todo lo que se necesita para completar los MOSFETs es la puerta(gate). Como muchos de estos pasos, lo primero es producir una capa de óxido como se describe en el paso 4. En este caso, la capa de óxido tendrá lagunas en las puertas de los MOSFETs. Una vez más, hay diferentes maneras de hacer las puertas, pero el método aquí descrito es típico.
La primera parte de la puerta es una capa muy delgada aislante de dióxido de silicio , depositado en la superficie del silicio entre la fuente y el drenaje. Esto se realiza mediante deposición de vapor químico (CVD), un proceso que se lleva a cabo en un horno lleno de diversos gases que causan una reacción química que tendrá lugar en la superficie del silicio . Para completar el MOSFET, una capa de silicio se aplica sobre la parte superior de la capa de óxido para que actue como un conductor. Otra vez, se utiliza CVD, y el silicio es aplicado mediante una reacción de oxidación en el que resulta hidruro de silicio gaseoso, reacciona con oxígeno para dar silicio y agua como productos.
El silicio es un pobre conductor eléctrico, pero puede ser más conductor por la adición de impurezas, un proceso conocido como "doping". El fósforo tiene un electrón más en su capa externa que el silicio , por lo que el dopaje con él, introduce electrones adicionales que son libres de moverse dentro de la matriz de cristal. Esto se llama 'n-type' (de negativo) y es material más conductor que el silicio puro, debido a su portación de carga negativa. Por el contrario, el boro tiene un electrón menos en su capa externa, por lo que el dopaje con este elemento crea 'p-type'(por positivo) material que puede conducir mediante portadores de carga positiva llamados 'holes'(agujeros).
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Un MOSFET puede actuar como un interruptor electrónico, controlando el flujo de corriente en un circuito mediante la aplicación de voltaje a otro. Este es un requisito de todos los circuitos electrónicos digitales. Si se aplica un voltaje entre la fuente y el drenaje, no pasará corriente, y el MOSFET se apaga. Esto se debe a que cargas iguales se repelen entre sí, por lo que los electrones no pueden fluir desde el material tipo p a el material de tipo n. Sin embargo, si un voltaje negativo se aplica a la puerta (que está aislado del material de tipo p, debido a la capa de dióxido de silicio ), la acumulación de cargas electrostáticas repele los electrones del material tipo n y llega a los agujeros de las regiones de tipo p. Esto hace que un canal de tipo p se cree justo debajo de la puerta, y en consecuencia existe un camino conductor entre la fuente y el drenaje. El MOSFET, por lo tanto, ha sido activado.
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7. Conexión de los MOSFETs con pistas de cobre
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Una vez que todo esto se ha hecho, la oblea contiene billones de MOSFETs. Con el fin de que trabajen juntos en circuitos, deben estar conectados entre sí para producir gran cantidad de chips individuales, cada uno conteniendo millones de MOSFETs. El proceso utilizado por Intel es el siguiente:
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(A) El estado inicial de los MOSFETs en la oblea.
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(B) Antes de que la adición del trazado de circuito de cobre se pueda realizar, una capa de aislamiento tiene que ser aplicada a la oblea, para que las pistas de interconexión no corte todos los MOSFETs. El dióxido de silicio se utiliza como aislante, y esta capa se acumula en la superficie de la oblea, ya sea por oxidación en un horno o mediante un proceso de deposición química de vapor. Con toda la superficie de la oblea cubierta de una capa aislante de dióxido de silicio , ya no es posible realizar conexiones a la fuente, la fuga y la puerta de los MOSFETs. Hay varias maneras de restablecer las conexiones, pero para simplificar, vamos a describir un método llamado 'double damascene'. Este método implica dos pasos- uno para crear patillas de conexión de tungsteno y el segundo para las interconexiones de cobre.
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(C) El ácido fluorhídrico es utilizado para grabar los agujeros en el aislamiento de dióxido de silicio (a través de una capa de fotosensible).
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(D) Después de eso, las zanjas en el modelado de las pistas de interconexión necesarias son grabadas en el dióxido de silicio a través de otra capa fotosensible.
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(E) Una capa superior de cobre, entonces se aplica por galvanoplastia (también llamado electroplateado). Esto llena las zanjas y agujeros para hacer contacto con los MOSFETs subyacentes. Las clavijas metálicas resultantes que sobresalen a través de la capa de aislamiento se llaman "vías".
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(F) La oblea está ahora cubierta por una capa de cobre. La etapa final consiste en sacar esto. En un proceso llamado pulido químico-mecánico, se elimina el exceso de cobre, de modo que la cantidad deseada se deja para formar las pistas en las zanjas y agujeros.
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8. Completando el circuito
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No siempre es posible cablear un circuito sin que se crucen cables. Si sólo habría una interconexión, las pistas que se cruzan harían corto. Para evitar esto, los MOSFETs tienen más de una capa metálica, cada una aislada por una capa de dióxido de silicio y conectada usando vías.
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9. Clasificando los chips buenos y los malos
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Si todo va bien, la oblea debería ahora contener un par de cientos 'dies'(nombre oficial para los chips), pero en realidad, no todos ellos funcionarán correctamente. Los fabricantes de semiconductores tienden a no publicar estas cifras, pero los expertos del sector consideran un rendimiento típico (el porcentaje de 'dies' funcionales en una oblea), alrededor de un 60 por ciento. El siguiente trabajo es encontrar cuales no estan funcionando, una tarea que se lleva a cabo por una sonda. Esta pieza de hardware utiliza pines que coinciden con los contactos del ' die ', por donde las señales eléctricas se pueden pasar para poner el procesador en marcha. Se categorizan como 'funcionales' y 'no funcionales', pero también puede haber varios con funcionamiento parcial. Procesadores en que sólo algunos de los chips funcionan pueden ser vendidos como un producto de menor especificación.
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Después de que todos fueron testeados, la oblea se corta en circuitos individuales, se ordenan y despliegan de acuerdo a los resultados del testeo.
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10. Embalaje para sobrevivir en el mundo real
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Puede ser que tengamos un circuito en pleno funcionamiento, pero tal y como está, es demasiado frágil para enviar a un fabricante de motherboards. Por otra parte, el chip tiene cientos o miles de conexiones al mundo exterior, pero es de sólo unos pocos milímetros cuadrados, por lo que es demasiado incómodo para una empresa de electrónica hacer conectores para él. El paso final, por lo tanto, es el almacenamiento del chip en un paquete que la mayoría de la gente podría pensar como un " procesador ". Existen varios métodos para este proceso. Cualquiera que se utilice, el resultado final es que el chip está bien fijado en el paquete, y las conexiones eléctricas se hacen entre los contactos del chip y los contactos en el paquete. Una prueba final sobre el ensamblado final es todo lo que necesita antes de que el procesador puede ser enviado a un fabricante y en última instancia, usado para potenciar una computadora.
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Empaquetado de un procesador Intel 80486 en un empaque de cerámica (arcaico, pero para tener una idea)
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Core i7 920
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Arme este post con una traducción realizada por mi
de ESTE ARTíCULO , lean, comenten y critiquen.
Saludos!l