El proceso integral de fabricación de circuitos integrados

La fabricación de circuitos integrados implica un proceso de creación de capas superficiales muy delgadas de material semiconductor sobre una capa de sustrato, generalmente hecha de silicio, que puede alterarse químicamente a nivel atómico para crear la funcionalidad de varios tipos de componentes de circuitos, incluidos transistores, condensadores, resistencias y diodos. Es un avance con respecto a los diseños de circuitos anteriores en los que los componentes individuales de resistencias, transistores y más se conectaban manualmente a una placa de conexión para formar circuitos complejos. Un proceso de fabricación de circuitos integrados funciona con componentes que son tan pequeños que a partir de 2011 se pueden crear miles de millones de ellos en un área de unos pocos centímetros cuadrados, a través de varios procesos de fotolitografía y grabado en una instalación de fabricación de microchips.

Un chip de circuito integrado, o IC, es literalmente una capa de material semiconductor donde todos los componentes del circuito están interconectados en una serie de procesos de fabricación, de modo que ya no es necesario fabricar todos los componentes individualmente y ensamblarlos más tarde. La primera forma de circuito integrado de microchip se produjo en 1959 y era un conjunto tosco de varias docenas de componentes electrónicos. Sin embargo, la sofisticación de la fabricación de circuitos integrados aumentó exponencialmente, con cientos de componentes en chips IC en la década de 1960 y miles de componentes en 1969, cuando se creó el primer microprocesador verdadero. Los circuitos electrónicos a partir de 2011 tienen chips IC de unos pocos centímetros de largo o ancho que pueden contener millones de transistores, condensadores y otros componentes electrónicos. Los microprocesadores para sistemas informáticos y módulos de memoria que contienen principalmente transistores son la forma más sofisticada de chips IC en 2011 y pueden tener miles de millones de componentes por centímetro cuadrado.

Dado que los componentes en la fabricación de circuitos integrados son tan pequeños, la única forma eficaz de crearlos es utilizar procesos de grabado químico que implican reacciones en la superficie de la oblea debido a la exposición a la luz. Se crea una máscara o una especie de patrón para el circuito y la luz se proyecta a través de ella sobre la superficie de la oblea, que está recubierta con una fina capa de material fotorresistente. Esta máscara permite grabar patrones en la oblea fotorresistente que luego se hornea a alta temperatura para solidificar el patrón. Luego, el material fotorresistente se expone a una solución disolvente que elimina la región irradiada o la región enmascarada de la superficie dependiendo de si el material fotorresistente es un reactivo químico positivo o negativo. Lo que queda es una fina capa de componentes interconectados en un ancho de la longitud de onda de la luz utilizada, que puede ser luz ultravioleta o rayos X.

Después del enmascaramiento, la fabricación de circuitos integrados implica el dopaje del silicio o la implantación de átomos individuales, generalmente de fósforo o boro, en la superficie del material, lo que proporciona a las regiones locales del cristal una carga eléctrica positiva o negativa. Estas regiones cargadas se conocen como regiones P y N y, cuando se encuentran, forman una unión de transmisión para crear un componente eléctrico universal conocido como unión PN. Estas uniones tienen entre 1.000 y 100 nanómetros de ancho en 2011 para la mayoría de los circuitos integrados, lo que hace que cada unión PN tenga aproximadamente el tamaño de un glóbulo rojo humano, que tiene aproximadamente 100 nanómetros de ancho. El proceso de creación de uniones PN se adapta químicamente para exhibir varios tipos de propiedades eléctricas, lo que hace posible que la unión actúe como un transistor, resistencia, capacitor o diodo.

Debido al nivel muy fino de los componentes y las conexiones entre componentes en los circuitos integrados, cuando el proceso falla y hay componentes defectuosos, se debe desechar toda la oblea ya que no se puede reparar. Este nivel de control de calidad se eleva a un nivel aún mayor por el hecho de que la mayoría de los chips IC modernos a partir de 2011 constan de muchas capas de circuitos integrados apilados uno encima del otro y conectados entre sí para crear el chip final y darle más potencia de procesamiento. También se deben colocar capas aislantes y de interconexión metálica entre cada capa del circuito, así como para que el circuito sea funcional y confiable.

Aunque muchos chips rechazados se producen en el proceso de fabricación de circuitos integrados, los que funcionan como productos finales que pasan pruebas eléctricas e inspecciones microscópicas son tan valiosos que hacen que el proceso sea altamente rentable. Los circuitos integrados ahora controlan casi todos los dispositivos electrónicos modernos en uso a partir de 2011, desde computadoras y teléfonos celulares hasta productos electrónicos de consumo como televisores, reproductores de música y sistemas de juegos. También son componentes esenciales de los sistemas de control de automóviles y aviones y otros dispositivos digitales que ofrecen un nivel de capacidad de programación al usuario, desde despertadores digitales hasta termostatos ambientales.

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Enlace a fuentes

• https://www.kpsec.freeuk.com/components/ic.htm
• https://www.pbs.org/transistor/background1/events/icinv.html
• https://www.thinkco.com/history-of-integrated-circuit-aka-microchip-1992006