Las obleas de silicio son el corazón de la electrónica moderna. Cada microprocesador, chip de memoria, sensor y circuito integrado comienza su vida en una oblea de silicio ultrapuro. Este artículo recorre los pasos principales para convertir materias primas en obleas de silicio pulidas y sin defectos, listas para la fabricación de chips.

materia prima y purificación

El viaje comienza con sílice (dióxido de silicio, SiO₂), a menudo derivada de cuarzo o arena de alta pureza. Debido a que incluso las impurezas más pequeñas arruinan el rendimiento del semiconductor, el SiO₂ crudo debe purificarse y reducirse a silicio elemental.

La reducción se realiza generalmente en un horno eléctrico, donde el SiO₂ reacciona con carbono a altas temperaturas (del orden de 1500–2000 °C) para producir silicio de grado metalúrgico (mg).

A continuación, el silicio de grado metalúrgico se convierte en precursores químicos como el triclorosilano (SiHCl₃) mediante una reacción con cloruro de hidrógeno. Durante este proceso se separan las impurezas. El vapor purificado se descompone luego (en un reactor de deposición) para formar silicio policristalino ultrapuro (polisilicio), a menudo con niveles de impurezas inferiores a partes por mil millones.

crecimiento de cristales (formación de lingotes)

Con polisilicio de alta pureza en la mano, el siguiente paso es crear un lingote monocristalino (también llamado bola). El método más común es el proceso Czochralski (CZ):

• Se sumerge una pequeña semilla monocristalina en polisilicio fundido contenido en un crisol de cuarzo.

• La semilla se eleva y gira lentamente mientras tanto el crisol como la semilla giran en direcciones opuestas, lo que hace que la masa fundida se solidifique alrededor de la semilla en un cristal cilíndrico con la misma orientación reticular.

• La velocidad de tracción, el gradiente de temperatura y las velocidades de rotación se controlan cuidadosamente para mantener un diámetro uniforme y una distribución del dopante.

• Se pueden añadir algunos elementos dopantes (como boro o fósforo) a la masa fundida para producir silicio de tipo p o de tipo n, dependiendo de la especificación de la oblea.

Como alternativa, para aplicaciones especiales o de resistividad muy alta, el método de zona de flotación (fz) puede producir silicio con incluso menos impurezas, pero es más difícil en diámetros mayores.

Una vez crecido, el lingote se tapa y se recortan y muescan los extremos para eliminar irregularidades. También se pueden formar planos o muescas de orientación como marcas de referencia.

corte y moldeado de obleas

Luego, el lingote se corta en obleas delgadas utilizando sierras de alambre de diamante o sierras de diámetro interior. En la actualidad, se utilizan a menudo sierras de múltiples alambres para mejorar el rendimiento y reducir la pérdida de silicio (sangría).

Después de cortarlas, las obleas aún no están listas: presentan daños mecánicos, marcas de sierra y defectos superficiales que deben eliminarse.

lapeado, grabado y pulido

Para que las obleas cortadas tengan una calidad utilizable, se aplican los siguientes pasos:

• lapeado / rectificado:Las obleas se muelen con una suspensión abrasiva para mejorar la uniformidad del espesor, la planitud y el paralelismo.

• grabado químico:Las capas superficiales dañadas por el corte y el pulido se eliminan mediante un grabado químico húmedo (utilizando mezclas de hf, hno₃, ácido acético o koh), limpiando el cristal dañado y los residuos.

• pulido químico-mecánico (cmp):este paso de pulido final produce una superficie ultraplana similar a un espejo. cmp utiliza una combinación de abrasión mecánica y suspensión química para eliminar material a escala nanométrica, produciendo las superficies lisas necesarias para los pasos fotolitográficos posteriores.

Después del pulido, la oblea se limpia profundamente para eliminar partículas, residuos orgánicos y contaminantes iónicos. La limpieza puede utilizar limpieza RCA (hidróxido de amonio, peróxido de hidrógeno, ácido clorhídrico), ozono u otros métodos de limpieza avanzados.

inspección, medición y clasificación

El control de calidad es fundamental. Las obleas se someten a una inspección y metrología detalladas que incluyen mediciones de:

• planitud, espesor y paralelismo

• detección de defectos superficiales (arañazos, picaduras, partículas)

• reflectividad superficial

• resistividad eléctrica, vida útil del portador o concentración de dopantes

• Orientación del cristal y alineación de las obleas (mediante planos o muescas)

Sólo se aceptan obleas que cumplen especificaciones estrictas para la fabricación del dispositivo.

Rectificado/adelgazamiento de obleas (opcional)

En muchos dispositivos electrónicos, es conveniente utilizar obleas más delgadas para reducir la altura total del dispositivo o para permitir el apilamiento. El rectificado inverso (o rectificado del lado posterior) se utiliza para adelgazar la oblea desde el lado posterior. Durante este paso, la oblea suele estar protegida con cinta adhesiva para evitar daños o contaminación.

Una vez adelgazadas, las obleas pueden procesarse aún más o proceder a la fotolitografía.

Fabricación de obleas en dispositivos (descripción general)

La oblea de silicio en blanco es solo el sustrato inicial. La verdadera magia surge en el proceso de fabricación de la oblea (o front-end), donde los circuitos se construyen capa por capa. Las técnicas clave incluyen:

• fotolitografía: recubriendo la oblea con fotorresistencia, exponiéndola a través de máscaras y creando patrones con pequeñas características del circuito.

• aguafuerte:eliminación selectiva de material en regiones expuestas utilizando reactivos de ataque húmedos o secos.

• deposición (cvd, ald, pvd):depositar películas aislantes, conductoras o dieléctricas.

• dopaje / implantación de iones:introduciendo impurezas para crear regiones de tipo p o de tipo n.

• oxidación:formación de capas de óxido aislante mediante calentamiento en oxígeno o vapor.

• metalización:depósito de capas de metal (aluminio, cobre, tungsteno) para interconectar dispositivos.

• planarización (cmp):Asegúrese de que cada capa esté plana antes de agregar la siguiente.

Estos pasos se iteran por muchas capas para construir un circuito integrado completo.

Después de la fabricación, la oblea se prueba eléctricamente, luego se corta en chips individuales, se empaqueta y se ensambla en dispositivos finales.

Importancia de la calidad, la pureza y el rendimiento

Debido a que los circuitos integrados modernos son extremadamente sensibles, incluso defectos o impurezas a escala atómica pueden arruinar la funcionalidad, cada paso en la cadena de producción de obleas se realiza en condiciones ultralimpias y rigurosamente controladas. Un alto rendimiento (la fracción de chips funcionales por oblea) es fundamental para la rentabilidad.

Los diámetros de oblea más grandes (200 mm, 300 mm e incluso 450 mm) permiten más chips por oblea, pero también exigen un control más estricto para mantener la uniformidad en toda la oblea.

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