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En electrónica , una oblea (también llamada rebanada o sustrato ) [1] es una rebanada delgada de semiconductor , como un silicio cristalino (c-Si), que se utiliza para la fabricación de circuitos integrados y, en fotovoltaica , para fabricar células solares. . La oblea sirve como sustrato para los dispositivos microelectrónicos integrados en y sobre la oblea. Se somete a muchos procesos de microfabricación , como dopaje , implantación de iones , grabado., deposición de películas delgadas de diversos materiales y patrones fotolitográficos . Finalmente, los microcircuitos individuales se separan mediante corte en cubitos de obleas y se empaquetan como un circuito integrado.

Historia [ editar ]

En la industria de los semiconductores, el término oblea apareció en la década de 1950 para describir una delgada rodaja redonda de material semiconductor, típicamente germanio o silicio. La forma redonda proviene de lingotes monocristalinos generalmente producidos mediante el proceso de Czochralski . Las obleas de silicio se introdujeron por primera vez en la década de 1940. [2] [3]

En la década de 1950, Mohamed Atalla investigó las propiedades superficiales de los semiconductores de silicio en Bell Labs , donde adoptó un nuevo método de fabricación de dispositivos semiconductores , recubriendo una oblea de silicio con una capa aislante de óxido de silicio , de modo que la electricidad pudiera penetrar de forma fiable en el silicio conductor. abajo, superando los estados superficiales que impedían que la electricidad llegara a la capa semiconductora. Esto se conoce como pasivación de superficie , un método que luego se volvió crítico para la industria de los semiconductores, ya que hizo posible la producción en masa de circuitos integrados de silicio (CI). [4][5] [6] El método de pasivación superficial fue presentado por Atalla en 1957, [7] y más tarde fue la base para elproceso de semiconductor de óxido de metal (MOS) inventado por Atalla y Dawon Kahng en 1959. [4]

En 1960, empresas como MEMC / SunEdison fabricaban obleas de silicio en Estados Unidos . En 1965, los ingenieros estadounidenses Eric O. Ernst, Donald J. Hurd y Gerard Seeley, mientras trabajaban para IBM , presentaron la patente US3423629A [8] para el primer aparato epitaxial de alta capacidad .

Las obleas de silicio son fabricadas por empresas como Sumco , Shin-Etsu Chemical , [9] Hemlock Semiconductor Corporation y Siltronic .

Formación [ editar ]

El proceso de Czochralski .

Las obleas están formadas por un material monocristalino altamente puro [10] casi libre de defectos , con una pureza del 99,9999999% (9 N ) o superior. [11] Un proceso para formar obleas cristalinas se conoce como crecimiento de Czochralski inventado por el químico polaco Jan Czochralski . En este proceso, se forma un lingote cilíndrico de semiconductor monocristalino de alta pureza, como el silicio o el germanio , llamado bola , extrayendo un cristal semilla de una masa fundida . [12] [13] Átomos de impurezas donantes, como boro oel fósforo en el caso del silicio, se puede añadir al material intrínseco fundido en cantidades precisas para dopar el cristal, transformándolo así en un semiconductor extrínseco de tipo n o tipo p .

Luego, la bola se corta con una sierra para obleas (un tipo de sierra de alambre ) y se pule para formar obleas. [14] El tamaño de las obleas para energía fotovoltaica es de 100 a 200 mm cuadrados y el grosor es de 100 a 500 μm. [15] La electrónica utiliza tamaños de obleas de 100 a 450 mm de diámetro. Las obleas más grandes que se fabrican tienen un diámetro de 450 mm [16] pero aún no son de uso generalizado.

Limpieza, texturizado y grabado [ editar ]

Las obleas se limpian con ácidos débiles para eliminar las partículas no deseadas o reparar los daños causados ​​durante el proceso de aserrado. Existen varios procedimientos de limpieza estándar para asegurarse de que la superficie de una oblea de silicio no contenga contaminación. Uno de los métodos más efectivos es RCA clean . Cuando se utilizan para células solares , las obleas se texturizan para crear una superficie rugosa para aumentar su eficiencia. El PSG ( vidrio de fosfosilicato ) generado se elimina del borde de la oblea en el grabado . [17]

Propiedades de la oblea [ editar ]

Tamaños estándar de obleas [ editar ]

Silicio [ editar ]

Las obleas de silicio están disponibles en una variedad de diámetros desde 25,4 mm (1 pulgada) a 300 mm (11,8 pulgadas). [18] [19] Las plantas de fabricación de semiconductores , conocidas coloquialmente como fabs , se definen por el diámetro de las obleas para las que están diseñadas para producir. El diámetro ha aumentado gradualmente para mejorar el rendimiento y reducir los costos con la fábrica actual de última generación que utiliza 300 mm , con una propuesta para adoptar 450 mm . [20] [21] Intel , TSMC y Samsung estaban llevando a cabo una investigación por separado para el advenimiento de las fábricas de " prototipos " (de investigación) de 450 mm., aunque persisten serios obstáculos. [ cita requerida ]


Obleas de 2 pulgadas (51 mm), 4 pulgadas (100 mm), 6 pulgadas (150 mm) y 8 pulgadas (200 mm)

Las obleas cultivadas con materiales distintos al silicio tendrán diferentes espesores que una oblea de silicio del mismo diámetro. El espesor de la oblea está determinado por la resistencia mecánica del material utilizado; la oblea debe ser lo suficientemente gruesa para soportar su propio peso sin agrietarse durante la manipulación. Los espesores tabulados se relacionan con el momento en que se introdujo ese proceso, y no son necesariamente correctos actualmente, por ejemplo, el proceso IBM BiCMOS7WL está en 8 en obleas, pero estos tienen solo 200um de espesor. El peso de la oblea aumenta junto con su grosor y diámetro. [ cita requerida ]

Aumentos históricos del tamaño de las obleas [ editar ]

Un paso de fabricación de la oblea unitaria , como un paso de grabado, puede producir más virutas proporcionalmente al aumento del área de la oblea, mientras que el costo del paso de fabricación de la unidad aumenta más lentamente que el área de la oblea. Esta fue la base del costo para aumentar el tamaño de las obleas. La conversión a obleas de 300 mm desde obleas de 200 mm comenzó en serio en 2000 y redujo el precio por troquel entre un 30 y un 40%. [25] Las obleas de mayor diámetro permiten más troquel por oblea.

Fotovoltaica [ editar ]

El tamaño de oblea M1 (156,75 mm) está en proceso de eliminación en China a partir de 2020. Ha surgido una serie de tamaños no estándar, por lo que los esfuerzos para producir el estándar M10 (182 mm) es un esfuerzo continuo. Al igual que el primo de los semiconductores, reducir los costos es el principal impulsor a pesar de que los requisitos de pureza son completamente diferentes.

Transición propuesta de 450 mm [ editar ]

Existe una considerable resistencia a la transición de 450 mm a pesar de la posible mejora de la productividad, debido a la preocupación por un retorno de la inversión insuficiente. [25] También hay problemas relacionados con una mayor variación entre troqueles / borde a borde de la oblea y defectos de borde adicionales. Se espera que las obleas de 450 mm cuesten 4 veces más que las obleas de 300 mm, y se espera que los costos de los equipos aumenten entre un 20 y un 50%. [26] Los equipos de fabricación de semiconductores de mayor costo para obleas más grandes aumentan el costo de las fábricas de 450 mm (instalaciones o fábricas de fabricación de semiconductores). Litógrafo Chris Mackafirmó en 2012 que el precio total por troquel de las obleas de 450 mm se reduciría solo entre un 10 y un 20% en comparación con las obleas de 300 mm, porque más del 50% de los costes totales de procesamiento de las obleas están relacionados con la litografía. La conversión a obleas más grandes de 450 mm reduciría el precio por dado solo para operaciones de proceso como el grabado, donde el costo está relacionado con el recuento de obleas, no con el área de obleas. El costo de procesos como la litografía es proporcional al área de la oblea, y las obleas más grandes no reducirían la contribución de la litografía al costo de la matriz. [27] Nikon planeaba entregar equipos de litografía de 450 mm en 2015, con producción en volumen en 2017. [28] [29] En noviembre de 2013, ASML detuvo el desarrollo de equipos de litografía de 450 mm, citando el momento incierto de la demanda de los fabricantes de chips. [30]

La línea de tiempo para 450 mm no se ha corregido. En 2012, se esperaba que la producción de 450 mm comenzara en 2017, lo que nunca se concretó. [31] [32] Mark Durcan, entonces director ejecutivo de Micron Technology , dijo en febrero de 2014 que espera que la adopción de 450 mm se retrase indefinidamente o se suspenda. "No estoy convencido de que se produzcan 450 mm, pero, en la medida en que suceda, queda un largo camino en el futuro. No hay mucha necesidad de que Micron, al menos durante los próximos cinco años, esté gastando un mucho dinero en 450 mm. Hay mucha inversión que debe realizarse en la comunidad de equipos para que eso suceda. Y el valor al final del día, para que los clientes compren ese equipo, creo que es dudoso ". [33]En marzo de 2014, Intel Corporation esperaba una implementación de 450 mm para 2020 (a finales de esta década). [34] Mark LaPedus de semiengineering.com informó a mediados de 2014 que los fabricantes de chips habían retrasado la adopción de 450 mm "en el futuro previsible". Según este informe, algunos observadores esperaban que entre 2018 y 2020, mientras que G. Dan Hutcheson, director ejecutivo de VLSI Research, no veía que las fábricas de 450 mm entraran en producción hasta 2020 a 2025. [35]

El paso hasta 300 mm requirió cambios importantes, con fábricas totalmente automatizadas que utilizan obleas de 300 mm frente a fábricas apenas automatizadas para las obleas de 200 mm, en parte porque un FOUP para obleas de 300 mm pesa alrededor de 7,5 kilogramos [36] cuando se carga con 25 obleas de 300 mm donde un SMIF pesa alrededor de 4.8 kilogramos [37] [38] [22] cuando se carga con 25 obleas de 200 mm, lo que requiere el doble de fuerza física de los trabajadores de la fábrica y aumenta la fatiga. Los FOUP de 300 mm tienen asas para que aún se puedan mover con la mano. Los FOUP de 450 mm pesan 45 kilogramos [39] cuando se cargan con 25 obleas de 450 mm, por lo que se necesitan grúas para manipular manualmente los FOUP [40]y las asas ya no están presentes en el FOUP. Los FOUP se mueven utilizando sistemas de manipulación de materiales de Muratec o Daifuku . Estas importantes inversiones se llevaron a cabo durante la recesión económica que siguió a la burbuja de las punto com , lo que generó una gran resistencia a la actualización a 450 mm en el plazo original. En la rampa hasta 450 mm, los lingotes de cristal serán 3 veces más pesados ​​(peso total una tonelada métrica) y tardarán de 2 a 4 veces más en enfriarse, y el tiempo de proceso será el doble. [41] En total, el desarrollo de obleas de 450 mm requiere una ingeniería, tiempo y costo significativos para superar.

Estimación analítica del recuento de troqueles [ editar ]

Para minimizar el costo por troquel , los fabricantes desean maximizar el número de troqueles que se pueden fabricar a partir de una sola oblea; Los troqueles siempre tienen forma cuadrada o rectangular debido a la limitación del corte en cubitos de obleas . En general, este es un problema computacionalmente complejo sin solución analítica, que depende tanto del área de las matrices como de su relación de aspecto (cuadrada o rectangular) y otras consideraciones como el ancho de la línea de trazo o línea de sierra, y espacio adicional. ocupado por estructuras de alineación y prueba. Tenga en cuenta que las fórmulas de DPW brutas solo tienen en cuenta el área de la oblea que se pierde porque no se puede usar para hacer matrices físicamente completas; los cálculos de DPW bruto notener en cuenta la pérdida de rendimiento debido a defectos o problemas paramétricos. [ cita requerida ]

Mapa de obleas que muestra matrices completamente estampadas y matrices parcialmente estampadas que no se encuentran completamente dentro de la oblea.

Sin embargo, el número de troquel bruto por oblea ( DPW ) se puede estimar comenzando con la aproximación de primer orden o la relación de área de oblea a troquel,

,

donde está el diámetro de la oblea (típicamente en mm) y el tamaño de cada troquel (mm 2 ) incluyendo el ancho de la línea de trazo (o en el caso de un carril de sierra, la ranura más una tolerancia). Esta fórmula simplemente establece que el número de troqueles que pueden caber en la oblea no puede exceder el área de la oblea dividida por el área de cada dado individual. Siempre sobrestimará el verdadero DPW bruto en el mejor de los casos, ya que incluye el área de matrices parcialmente modeladas que no se encuentran completamente en la superficie de la oblea (ver figura). Estos troqueles parcialmente estampados no representan circuitos integrados completos , por lo que no pueden venderse como piezas funcionales. [ cita requerida ]

Los refinamientos de esta fórmula simple generalmente agregan una corrección de borde, para tener en cuenta las matrices parciales en el borde, que en general serán más significativas cuando el área de la matriz es grande en comparación con el área total de la oblea. En el otro caso límite (troqueles infinitesimalmente pequeños o obleas infinitamente grandes), la corrección del borde es insignificante. [ cita requerida ]

El factor de corrección o término de corrección generalmente adopta una de las formas citadas por De Vries: [42]

(relación de área - circunferencia / (longitud diagonal del troquel))
o (relación de área escalada por un factor exponencial)
o (relación de área escalada por un factor polinomial).

Los estudios que comparan estas fórmulas analíticas con los resultados computacionales de fuerza bruta muestran que las fórmulas se pueden hacer más precisas, en rangos prácticos de tamaños de troquel y relaciones de aspecto, ajustando los coeficientes de las correcciones a valores por encima o por debajo de la unidad, y reemplazando el lineal. dimensión del troquel con (longitud lateral media) en el caso de troqueles con una relación de aspecto grande: [42]

o
o .

Orientación cristalina [ editar ]

Estructura de cristal cúbico de diamante de una celda unitaria de silicio
Los planos se pueden utilizar para indicar el dopaje y la orientación cristalográfica . El rojo representa el material que se ha eliminado.

Las obleas se cultivan a partir de un cristal que tiene una estructura cristalina regular , con silicio que tiene una estructura cúbica de diamante con un espaciado reticular de 5,430710 Å (0,5430710 nm). [43] Cuando se corta en obleas, la superficie se alinea en una de varias direcciones relativas conocidas como orientaciones de cristal. La orientación está definida por el índice de Miller, siendo las caras (100) o (111) las más comunes para el silicio. [43] La orientación es importante ya que muchas de las propiedades estructurales y electrónicas de un solo cristal son altamente anisotrópicas . Las profundidades de implantación de iones dependen de la orientación del cristal de la oblea, ya que cada dirección ofrece distintas rutas de transporte.[44]

La escisión de la oblea ocurre típicamente solo en unas pocas direcciones bien definidas. La puntuación de la oblea a lo largo de los planos de escisión permite cortarla fácilmente en trozos individuales (" troqueles ") de modo que los miles de millones de elementos de circuito individuales en una oblea promedio se pueden separar en muchos circuitos individuales. [ cita requerida ]

Muescas de orientación cristalográfica [ editar ]

Las obleas de menos de 200 mm de diámetro tienen partes planas cortadas en uno o más lados que indican los planos cristalográficos de la oblea (generalmente una cara {110}). En las obleas de la generación anterior, un par de planos en diferentes ángulos transmitían adicionalmente el tipo de dopaje (consulte la ilustración para conocer las convenciones). Las obleas de 200 mm de diámetro o más utilizan una sola muesca pequeña para transmitir la orientación de la oblea, sin indicación visual del tipo de dopaje. [45]

Dopaje por impurezas [ editar ]

Las obleas de silicio generalmente no son 100% de silicio puro, sino que se forman con una concentración inicial de dopaje de impurezas entre 10 13 y 10 16 átomos por cm 3 de boro , fósforo , arsénico o antimonio que se agrega a la masa fundida y define la oblea como ya sea a granel tipo n o tipo p. [46] Sin embargo, en comparación con la densidad atómica del silicio monocristalino de 5 × 10 22 átomos por cm 3 , esto todavía da una pureza superior al 99,9999%. Las obleas también se pueden proporcionar inicialmente con algunos intersticiales.concentración de oxígeno. La contaminación por carbono y metal se mantiene al mínimo. [47] Los metales de transición , en particular, deben mantenerse por debajo de las concentraciones de partes por mil millones para aplicaciones electrónicas. [48]

Semiconductores compuestos [ editar ]

Si bien el silicio es el material predominante para las obleas utilizadas en la industria electrónica, también se han empleado otros materiales compuestos III-V o II-VI . El arseniuro de galio (GaAs), un semiconductor III-V producido mediante el proceso de Czochralski , el nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC), también son materiales de obleas comunes, y el GaN y el zafiro se utilizan ampliamente en la fabricación de LED . [13]

Ver también [ editar ]

  • Preparación de matrices
  • Oblea epitaxial
  • Epitaxia
  • Ley de Klaiber
  • Silicio monocristalino
  • Silicio policristalino
  • Procesamiento térmico rápido
  • RCA limpio
  • Fuente SEMI
  • Obleas de silicio sobre aislante (SOI)
  • Célula solar
  • Panel solar
  • Unión de obleas

Referencias [ editar ]

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Enlaces externos [ editar ]

  • Evolución de la oblea de silicio por F450C -Una infografía sobre la historia de la oblea de silicio.