Las obleas, o wafer, son la base de la fabricación de semiconductores. Gracias a estas obleas se pueden producir chips, como los microprocesadores, de forma masiva a bajo coste. Pero… ¿sabías cómo se crean estas obleas? ¿de qué están hechas? Aquí vamos a aprender un poco más sobre todo esto.
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Antes de comenzar es importante destacar que para que un chip o dispositivo semiconductor pueda ser creado es necesario hacerlo sobre una estructura cristalina y con un silicio puro de grado eléctrico (EGS). Sin embargo, en la práctica, no es barato ni sencillo fabricar estos monocristales de forma masiva. Se pueden conseguir en laboratorios de forma lenta y costosa, de no ser por un proceso que vamos a detallar más adelante.
Un monocristal es una pieza de metal o material semiconductor que está formada por una única y gran estructura cristalina sin impurezas ni defectos en su interior. Los monocristales son increíblemente importantes y útiles en la tecnología avanzada, desde los ordenadores hasta los equipos médicos. Los monocristales se utilizan en todo tipo de productos, desde circuitos integrados hasta paneles solares. Los monocristales suelen estar formados por metales y semiconductores, como el silicio, el germanio y el teluro de cadmio. Estos materiales suelen utilizarse en aplicaciones de alta potencia, como paneles solares, láseres y LED de alta potencia. Los monocristales también se utilizan en aplicaciones de precisión, como las lentes y espejos de los telescopios y equipos ópticos o los transistores, o chips de los ordenadores, tales como la memoria RAM, la GPU, etc.
Los cristales semiconductores se cultivan mediante el proceso de Czochralski. Durante el proceso Czochralski, el cristal crece a partir de un cristal semilla que se coloca en el fondo de la masa fundida. El cristal semilla es arrastrado lentamente hacia arriba a través de la masa fundida mediante la rotación de la semilla a una velocidad fija. El cristal crece en un lado de la semilla, y el otro lado se mantiene limpio del cristal en crecimiento. El cristal que crece se mantiene delgado, y el grosor del cristal se controla mediante la velocidad de rotación de la semilla. El cristal semiconductor es un monocristal con una orientación específica en la red cristalina.
El silicio es muy abundante en la corteza terrestre, está presente en diferentes tipos de rocas (cuarzo) o en la arena.
Para obtener silicio para el cultivo de cristales, se puede utilizar silicio metálico puro o dióxido de silicio (sílice) con un contenido de silicio de al menos el 99%. El silicio puro es más caro que la sílice, pero también puede producir cristales de mayor calidad. La sílice debe comprarse a un proveedor de productos químicos. El silicio suele suministrarse en forma de pequeños grumos porosos que se han lavado a fondo para eliminar todo rastro de impurezas. Si utiliza silicio puro en lugar de sílice, tendrá que cultivar sus propios cristales a partir del metal mediante descomposición térmica.
El silicio puede obtenerse por tres métodos principales. El primer método utiliza un horno de arco eléctrico para producir silicio muy puro. Este método es muy caro y normalmente sólo lo utilizan las grandes empresas. Un segundo método para producir silicio consiste en fundir cuarzo en un horno y luego extraer el silicio del cuarzo fundido mediante electrólisis. El cuarzo es un compuesto natural de dióxido de silicio y algunas otras impurezas. El tercer método consiste en fundir arena o cuarcita (una arena rica en silicio) en un horno de arco eléctrico y luego extraer el silicio por electrólisis. El silicio producido por el tercer método no es tan puro como el producido por los dos primeros métodos. Sin embargo, es mucho más barato y es adecuado para fabricar silicio de baja calidad.
El silicio de grado electrónico (EGS) se fabrica mediante la reacción térmica del cuarzo (dióxido de silicio) y el carbono a temperaturas muy elevadas. Se utiliza para la producción de cristales de silicio y otros materiales a base de silicio. El silicio Egs tiene una gran pureza y muy pocas impurezas. También es muy puro en comparación con otros tipos de silicio. El silicio Egs también es muy estable desde el punto de vista térmico, por lo que es perfecto para aplicaciones de alta temperatura. El silicio Egs suele comprarse en forma de pequeños grumos porosos que se han lavado a fondo para eliminar todo rastro de impurezas.
Te recomendamos la lectura de nuestra guía de cómo se fabrica un chip.
El proceso de Czochralski es un método antiguo y tradicional para cultivar cristales individuales, pero también es muy difícil. No se trata simplemente de echar un poco de metal en el cobre fundido y esperar lo mejor; este proceso requiere un conocimiento experto y la intuición para asegurarse de que todo vaya bien. Este artículo te dará toda la información que necesitas para empezar a utilizar el proceso Czochralski para cultivar tus propios cristales. Tanto si eres un químico experimentado como un aficionado curioso, estos pasos te permitirán empezar con el proceso Czochralski y cultivar tus propios cristales en casa. Sigue leyendo para saber más…
El proceso Czochralski es un método de cultivo de cristales individuales basado en el método Bridgman. Este proceso es el método más común de cultivo de cristales individuales en la industria de la ciencia de los materiales. El proceso Czochralski tiene lugar en una máquina de crecimiento de cristales al vacío (VCG) de tipo Bridgman vertical (VB) u horizontal (HB). El cristal se forma mediante la técnica de tracción lateral (LPT) y se cultiva a partir de un único cristal semilla. El cristal se cultiva a partir de la masa fundida haciendo girar la semilla dentro de la masa fundida, y el cristal sale de la masa fundida. A continuación, el cristal se extrae levantando el crisol, dejando que el cristal se enfríe y cortando después el cristal de la masa fundida.
El primer paso del proceso Czochralski es el cultivo de un cristal semilla. El cristal semilla es una fina lámina de un material semiconductor monocristalino, como el silicio o el germanio. También necesitarás un crisol, algo de cobre y un mecanismo giratorio para mantener la semilla y la fusión juntas. Empezarás limpiando el cristal semilla en una solución ácida y luego lo sumergirás en cobre fundido para recubrirlo con una fina capa de cobre. Los siguientes pasos son fijar el cristal semilla a un mecanismo giratorio y poner el crisol con la semilla dentro de una cámara de vacío. Tendrá que bajar lentamente la temperatura de la masa fundida hasta que se convierta en un sólido, dejar que la semilla se enfríe y luego volver a subir lentamente la temperatura.
Una vez que el cristal semilla ha crecido en la masa fundida y ha formado un fino cristal semiconductor, volverá a bajar lentamente la temperatura para dejar que el cristal se solidifique, y luego volverá a subir lentamente la temperatura. Harás este proceso de bajar y subir la temperatura varias veces hasta que el cristal crezca hasta el grosor deseado, entonces subirás lentamente la temperatura de la masa fundida para que vuelva a estar en estado fundido. Una vez formado el cristal, bajará lentamente la temperatura de todo el dispositivo para dejar que el cristal y la semilla se enfríen, y entonces podrá retirar el dispositivo de la cámara de vacío.
Al final de este proceso se consigue lo que se conoce como ingot o lingote. Se trata de un gran cilindro de silicio monocristalino puro que puede medir incluso varios metros de longitud y con diámetros de más de 300 mm en algunos casos. Pero este lingote debe ser transformado en obleas…
Para llegar a la oblea hace falta seguir procesando el lingote obtenido de monocristal, y los pasos a seguir son:
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