El espacio entre obleas: un elemento clave en la fabricación de chips

Los microchips, también denominados circuitos integrados, se han vuelto imprescindibles para el día a día del ser humano en esta era tecnológica. No solo los encontramos en dispositivos electrónicos, como móviles o tablets, sino también en objetos de nuestra vida cotidiana, como neveras o automóviles. La creación del primer microchip data de 1958. El ingeniero Jack St. Clair desarrolló una estructura de pequeñas dimensiones, formada por un material semiconductor, capaz de almacenar información, a la que se denominó "circuito integrado". Los microchips integran todos los elementos de un circuito electrónico en un espacio reducido, utilizando habitualmente como soporte una oblea de Silicio (un mineral/material semiconductor).

¿Qué es una oblea o wafer?

Un chip, también denominado circuito integrado, no es más que una pastilla monolítica de semiconductor en la que se ha grabado un circuito. Una oblea o wafer no es más que una fina lámina de semiconductor en forma circular. No, las obleas de silicio no son realmente un producto que precise colaboración entre hombre y robot: con hasta 40 micrómetros, muchas obleas de silicio son más delgadas que un pelo y, sin embargo, tienen un diámetro de entre 150 y 300 milímetros, lo que se acerca al tamaño de una pizza. Es un material muy frágil que no se puede ni se querrá sostener en la mano. Para que estas sensibles obleas de silicio, que juntas pueden tener el valor de un coche de gama media por caja, se conviertan en chips, tienen que pasar por hasta 1200 pasos de procesamiento durante la producción.

El material principal: Silicio de alta pureza

Por supuesto, el material más frecuente para las obleas es el silicio (Si wafer). Un semiconductor abundante y con propiedades muy interesantes para la fabricación de chips. Por eso, el silicio MGS (Metallurgical-Grade Silicon), o silicio de grado metalúrgico que se emplea en otras industrias, no se considera suficientemente puro para la industria de los semiconductores. Por este motivo, se debe refinar y crear un silicio de alta pureza denominado EGS o SGS (Electronic-Grade Silicon o Semiconductor-Grade Silicon). Una vez que se ha obtenido el mineral del silicio, generalmente de la arena, puede pasar por una serie de procesos para purificarlo. Para que sea apto para fabricar obleas, se necesita una pureza de aproximadamente 99,9999999%. Mediante un proceso conocido como Float-Zone o Czochralski, se puede conseguir crear un lingote o cilindro de silicio monocristalino. Para crear un cristal monocristalino, es muy costoso y lento en el laboratorio. El resultado es que crece un lingote cilíndrico de cristal monocristalino, con la misma orientación que el cristal semilla.

Obleas dopadas

Existen varios tipos de obleas de silicio o wafer, con diferentes propósitos. Las dopadas son obleas en las que se ha introducido alguna impureza o dopante. Generalmente se agrega el dopante a la mezcla. De este modo se consiguen obleas con sustrato P o N. Las de tipo P tienen huecos cargados positivamente en exceso, y las de tipo N tienen electrones cargados negativamente en exceso. Generalmente, la cantidad de dopante que se añade suele ser de entre 10¹³ y 10¹⁶ átomos de dopante por cada cm³ del material a dopar. Por ejemplo, cuando es un dopado leve o ligero, como un tipo N o un tipo P, el dopante suele estar en concentraciones de 1 átomo de dopante por cada 100.000.000 átomos de silicio.

Componentes de una oblea

Las obleas, antes de ser cortadas en chips individuales, presentan diversas características:

• Scribe lines: son líneas de trazado, las líneas que hay de espacio entre los diferentes chips.
• Chip o die: también puede llamarse dado, troquel, etc.
• Chaflán o flat zone: algunas obleas tienen un borde con chaflán, es decir, plano. Este corte se hace para determinar la orientación de la estructura cristalina del silicio del que se compone la oblea.
• TEG (Test Element Group): se trata de un circuito integrado diferente al que se pretende fabricar en la oblea, y que suele estar en varias unidades por wafer, repartido a lo largo de la superficie.
• Edge die: estos chips no están completos, son los que están en el borde del wafer, y se consideran una pérdida de producción.

Obleas MPW (Multi-Project Wafer)

Existen unas obleas denominadas MPW (Multi-Project Wafer), y que como su nombre indica, no se usan para fabricar un solo chip idéntico, sino que se fabrican multitud de chips diferentes unos de otros.

La importancia del espacio entre obleas y la sala blanca

Es de vital importancia que estas obleas estén perfectamente limpias, totalmente libres de impurezas (polvo, partículas, trazas metálicas, etc.), ya que de lo contrario podrían causar defectos y fallos en las interconexiones, produciendo el deterioro del dispositivo electrónico. Por ejemplo, trazas metálicas de Hierro (Fe), Cromo (Cr) o Zinc (Zn), entre otros, sobre las superficies de las obleas de silicio causan desperfectos en el cristal y provocan un mal funcionamiento de los microchips. Es por ello por lo que, uno de los retos que surge en la fabricación de estos dispositivos, es encontrar el método de limpieza más efectivo de las obleas de silicio.

Ambiente de sala blanca

En el pabellón 17 de la planta de Villach, Infineon produce chips en un ambiente de sala blanca de categoría 1. En lo que respecta a los requisitos de fabricación, esto significa: no debe haber más de una partícula de polvo en 28 litros de aire. Eso es significativamente menos de lo que se permite en una sala de operaciones. A modo de comparación: en el aire de la montaña, que se considera particularmente limpio, hay alrededor de 100 000 partículas circulando en ese volumen. Para los empleados, esto significa que solo pueden acceder a la producción en trajes de protección especiales, blancos e impecables, a través de una esclusa de aire especial. La piel y el cabello deben estar completamente cubiertos para que ninguna escama pueda penetrar desde el exterior.

«Con estas condiciones de producción extremadamente sensibles para nuestras obleas, tenemos que pensar muy cuidadosamente qué tecnología de transporte aplicamos aquí», explica Martin Moser, jefe de equipo de automatización del departamento AMHS (Automated Material Handling System) de Infineon Technologies Austria, en Villach. «Dado que en la producción de obleas se mueven varias unidades móviles y también personas, solo se tienen en cuenta para la automatización los robots extremadamente compactos, sensibles y diseñados para una interacción segura entre personas y máquinas. En nuestra búsqueda, nos interesamos por los cobots de KUKA», indica el ingeniero de desarrollo.

Robots colaborativos (cobots) en la fabricación

La adaptación de estos robots a los requisitos muy especiales de la manipulación de obleas en salas blancas, de acuerdo con la norma ISO3, fue un proceso de aprendizaje muy intensivo en el que los expertos en automatización de Infineon trabajaron mano a mano con sus socios de sistema. Hoy en día, 17 robots LBR iiwa CR realizan sus tareas en varias salas blancas, las 24 horas del día, los 365 días del año. «Son extremadamente compactos, móviles, pueden manejar cargas útiles de hasta 14 kilogramos, funcionan sin vibraciones y realizan el trabajo con precisión milimétrica utilizando su pinza, incluso en los espacios más estrechos», dice Moser de las ventajas de los robots de salas blancas. Los robots de la sala blanca transportan silenciosamente cajas negras llenos de valiosas obleas de silicio a los distintos pasos de procesamiento, los introducen en las respectivas cámaras de procesamiento con precisión milimétrica y, a continuación, vuelven a recoger las obleas.

Evolución del tamaño de las obleas

Actualmente, las fabs de vanguardia emplean wafers de 300 mm de diámetro, de 11.8″, aunque generalmente se redondea y se denominan de 12 pulgadas. La siguiente tabla muestra la cantidad de chips aproximados que se pueden producir en obleas de diferentes tamaños, asumiendo un chip de 100 mm cuadrados.

No obstante, 100 mm² es un valor pequeño para los chips más punteros, como la CPU o GPU, ya que, por ejemplo, la NVIDIA GeForce RTX 4090 tiene un tamaño de 608 mm², y un Intel Core de 13ª Gen alcanza los 257 mm².

Obleas rectangulares: el futuro

Las obleas rectangulares se están abriendo paso en la industria de los semiconductores. Esta noticia podría quedar reducida a una mera anécdota si el promotor de esta idea no fuese TSMC, el mayor fabricante de circuitos integrados del planeta. Por el momento no es más que una propuesta, pero, eso sí, se trata de una iniciativa que se sostiene sobre unos argumentos técnicos muy sólidos. Esta tecnología de empaquetado ha sido diseñada por TSMC principalmente para resolver las necesidades de las GPU para inteligencia artificial (IA), que habitualmente están constituidas por varios chiplets. Un chiplet no es más que un circuito integrado que aglutina una parte de la lógica de un SoC o una GPU. Y es cuadrado o rectangular. El nombre que recibe habitualmente una oblea cuando todavía no ha sido sometida a los procesos litográficos necesarios para transferirle el patrón que contiene la lógica de los chips es sustrato. Este componente es el auténtico punto de partida de la fabricación de semiconductores, y, como he mencionado unas líneas más arriba, los sustratos rectangulares permiten optimizar la distribución de los chiplets.

El más evidente consiste en que la superficie de material utilizable es 3,7 veces mayor, por lo que es posible fabricar muchos más chips en cada una de las obleas. Todo lo que hemos visto hasta ahora acerca de las obleas rectangulares pinta muy bien, pero llevarlo a la práctica es muy complicado. Y lo es debido a que buena parte de los equipos de litografía que intervienen actualmente en la fabricación de semiconductores no servirían. Al menos no tal y como son ahora. Actualmente TSMC utiliza las obleas circulares de 300 mm habituales en su proceso de empaquetado avanzado CoWoS, pero su idea es reemplazarlas por las obleas rectangulares. El problema, como acabamos de ver, es que muchos de los equipos y los procesos implicados en la fabricación de los circuitos integrados deben ser modificados de una forma más o menos profunda, por lo que probablemente las obleas rectangulares no empezarán a ser utilizadas hasta dentro de al menos cinco años. Puede incluso que un plazo de una década sea más realista.

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