Wafer: todo lo que debes saber sobre las obleas semiconductoras

Como bien sabes, los chips se fabrican en obleas, también conocidas como wafers. En este artículo, te vamos a hablar sobre esta pieza clave en la industria de los semiconductores. Así sabrás todo lo que debes conocer acerca del wafer, ese extraño desconocido para muchos…

Ten en cuenta que de estas obleas dependerá la cantidad de chips que se pueden producir, tanto CPUs, GPUs, memoria SDRAM, flash, etc., como otros tipos de chips o dispositivos semiconductores.

¿Qué es un chip?

Un chip, también denominado circuito integrado, no es más que una pastilla monolítica de semiconductor en la que se ha grabado un circuito. Para ello, se emplean numerosas técnicas de difusión, implantación de iones, crecimiento epitaxial, oxidación, fotolitografía, deposición, ataque químico, etc.

Para más información también deberías leer nuestro tutorial sobre cómo se fabrica un chip.

¿Qué es un wafer?

Una oblea o wafer no es más que una fina lámina de semiconductor en forma circular. Este wafer actúa como un sustrato semiconductor para crear los dispositivos electrónicos necesarios y las sucesivas capas de interconexión para poder crear el chip o circuito integrado.

Cuando se procesa un wafer en una fab o foundry, realmente lo que se está es fabricando cientos de chips independientes que luego serán divididos.

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. Evidentemente, no vale un silicio cualquiera, debe ser muy puro y con una estructura cristalina.

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). Un silicio de grado electrónico que sí que es adecuado para crear chips.

Además, no puede estar de forma amorfa, o de forma policristalina, debe estar de forma monocristalina, es decir, con los átomos ordenados formando una estructura cristalina con la misma orientación.

Hay que decir, además, que aunque el silicio pueda parecer metálico, no es del todo un metal. Y es que los metales tienen electrones libres que se mueven fácilmente entre los átomos, haciendo que sean buenos conductores eléctricos. En cambio, el silicio puro en forma cristalina es casi un aislante, pero esta propiedad se puede modificar mediante un elemento dopante.

Un dopante no es más que una pequeña cantidad de impurezas que se introduce en el cristal del silicio para cambiar sus propiedades conductoras. Según el tipo de doping, el semiconductor podrá ser de tipo N o de tipo P. Por ejemplo, el arsénico, antimonio y el fósforo son dopantes tipo N para el silicio, mientras que aluminio o el boro son de tipo P.

Según la cantidad de dopante, el semiconductor puede considerarse extrínseco, cuando se trata de un dopaje leve, o degenerado cuando tiene un nivel alto de dopante.

También tienes que leer nuestro artículo de ¿por qué los wafers no son de otra forma?

Cómo se fabrica un wafer

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%. Una vez que se ha conseguido, se meten los trozos de silicio en un crisol y se funde.

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. Por eso, simplemente se crea un cristal semilla y mediante el proceso de crecimiento Czochralski, se sumergirá este cristal semilla en el crisol con el silicio fundido y se comenzará a dar vueltas, elevar el cristal semilla, y jugar con las temperaturas.

El resultado es que crece un lingote cilíndrico de cristal monocristalino, con la misma orientación que el cristal semilla. Es como el proceso de crear algodón de azúcar en las ferias, el algodón se va pegando en capas al palo y va creciendo en volumen…

Una vez se ha obtenido el lingote, pasará por una serie de procesos:

1. Se deja enfriar.
2. Se le cortan las puntas.
3. Mediante una sierra se «lonchea» el lingote, obteniendo así obleas finas.
4. También pasará por unos procesos de pulido para dejar una superficie perfecta en el wafer que servirá como base para la fabricación de los chips.
5. Y, por supuesto, se pasará por unos procesos para eliminar las partículas indeseadas y dejarlo limpio.

Tamaños de wafer

A lo largo de la historia, se han venido usando varios tamaños de wafer, desde los más pequeños, hasta los más grandes en la actualidad:

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. También hace años que se propuso el uso de 450mm, pero no se ha optado por este diámetro debido a que las ventajas no son suficientemente grandes con respecto a los 300mm como para justificar el gasto para adaptar toda la maquinaria a este diámetro.

En la última columna tienes la cantidad de chips aproximados que se pueden producir en una oblea de ese tamaño si tenemos en cuenta que el chip es de 100 mm cuadrados. No obstante, 100 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. Por tanto, para CPUs se estimaría una cantidad de 300 chips por oblea, mientras que para GPUs considerando este tamaño, sería de unas 100 unidades.

Partes de un wafer

A continuación vamos a ver algunas de las partes y funciones de un wafer:

• Edge die: estos chips no están completos, son los que están en el borde del wafer, y se consideran una pérdida de producción. Mientras mayor es la oblea, menos pérdida tienen por este problema.
• Scribe lines: son líneas de trazado, las líneas que hay de espacio entre los diferentes chips. Estas partes se usan para pasar la sierra o el método de separación de los chips y que no dañe partes funcionales.
• Chip o die: también puede llamarse dado, troquel, etc. Se trata del circuito integrado en sí.
• 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. No obstante, esto en la actualidad ya no se suele usar.
• 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. Estos chips sirven para realizar pruebas y comprobar que todo funciona adecuadamente, aunque luego se desecharán y solo se dejarán el resto de los chips funcionales.

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. De esta forma, se aprovecha el wafer para producir chips para instituciones que no quieren fabricar en masa, para universidades, para aquellos que no cuentan con una foundry y necesitan implementar un chip físico, etc.

Tipos de obleas

Existen varios tipos de obleas de silicio o wafer, con diferentes propósitos. Para tener una idea de cuáles son estos tipos, principalmente tenemos:

• Sin dopar: son obleas fabricadas con procesos como FZ o Float-Zone, y que no contienen dopantes, conocidas como intrínsecas por el tipo de semiconductor.
• 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. Y, como he mencionado anteriormente, según la cantidad de dopantes, puede ser degenerado o extrínseco.
• Otros tipos: también hay casos especiales de obleas SOI (Silicon On Insulator) como las PD-SOI y FD-SOI, SON (Silicon On Nothing), etc.

Aquí estamos hablando de obleas de silicio, pero pueden ser de otros muchos semiconductores, como germanio, GaAs (Arseniuro de Galio), InSe (Indio Selenio), InGaN (Nitruro de Galio-Indio), etc.

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. Cuando es un dopado alto o pesado, como los tipos N+ o P+, entonces la cantidad es de un átomo de dopante por cada 10.000 átomos de silicio.

Aplicaciones

Para finalizar, vamos a ver la utilidad que tiene un wafer u oblea, ya que no solo es para lo que te imaginas:

• Fabricación de dispositivos semiconductores tales como transistores, diodos, sensores, etc.
• Fabricación de chips para electrónica, computación, etc.
• Fabricación de elementos ópticos u optoelectrónicos, como láser, LEDs, IR, sensores de imagen CIS, etc.
• Fabricación de mecanismos MEMS.
• Fabricación de células solares para los paneles, ya sean de silicio amorfo, monocristalino, telururo de cadmio, perovskita, etc.
• Fabricación de ciertos materiales de recubrimientos especiales para la industria aeroespacial.