Oblea (electrónica)

Las obleas están formadas de material monocristalino de alta pureza, [ ^{5 ] casi} libre de defectos , con una pureza del 99,9999999% ( 9N ) o superior. ^{[ 5 ]} Un proceso para formar obleas cristalinas se conoce como el método Czochralski , inventado por el químico polaco Jan Czochralski . En este proceso, se forma un lingote cilíndrico de semiconductor monocristalino de alta pureza, como silicio o germanio , llamado boule , extrayendo un cristal semilla de una fusión . ^{[ 6 ] [ 7 ]} Se pueden agregar átomos de impurezas donadoras, como boro o fósforo en el caso del silicio, al material intrínseco fundido en cantidades precisas para dopar el cristal, transformándolo así en un semiconductor extrínseco de tipo n o tipo p .

El lingote se corta con una sierra de obleas (un tipo de sierra de alambre ), se mecaniza para mejorar la planitud, se graba químicamente para eliminar el daño cristalino de los pasos de mecanizado y, finalmente, se pule para formar obleas. ^{[ 8 ]} El tamaño de las obleas para fotovoltaica es de 100 a 200  mm cuadrados y el espesor es de 100 a 500  μm. ^{[ 9 ]} La electrónica utiliza tamaños de obleas de 100 a 450  mm de diámetro. Las obleas más grandes fabricadas tienen un diámetro de 450  mm, ^{[ 10 ]} pero aún no se utilizan de forma generalizada.

Las obleas se limpian con ácidos débiles para eliminar partículas no deseadas. Existen varios procedimientos de limpieza estándar para asegurar que la superficie de una oblea de silicio no contenga contaminación. Uno de los métodos más efectivos es la limpieza RCA . Cuando se utilizan para células solares , las obleas se texturizan para crear una superficie rugosa que aumente el área superficial y, por lo tanto, su eficiencia. El vidrio de fosfosilicato (PSG) generado se elimina del borde de la oblea durante el grabado . ^{[ 11 ]}

Las obleas se cultivan a partir de cristales con una estructura cristalina regular , siendo el silicio una estructura cúbica de diamante con un espaciado reticular de 5,430710 Å (0,5430710  nm). ^{[ 25 ]} Al cortarlas en obleas, la superficie se alinea en una de varias direcciones relativas conocidas como orientaciones cristalinas. La orientación se define mediante el índice de Miller , siendo las caras (100) o (111) las más comunes para el silicio. ^{[ 25 ]} La orientación es importante ya que muchas de las propiedades estructurales y electrónicas de un monocristal son altamente anisotrópicas . Las profundidades de implantación iónica dependen de la orientación cristalina de la oblea, ya que cada dirección ofrece distintas vías de transporte. ^{[ 26 ]}

La división de la oblea generalmente ocurre solo en unas pocas direcciones bien definidas. Marcar la oblea a lo largo de los planos de división permite cortarla fácilmente en chips individuales (" matrices "), de modo que los miles de millones de elementos de circuito individuales en una oblea promedio se pueden separar en muchos circuitos individuales.

Las obleas de menos de 200  mm de diámetro tienen cortes planos en uno o más lados que indican los planos cristalográficos de la oblea (generalmente una cara {110}). En las obleas de generaciones anteriores, un par de cortes planos en diferentes ángulos también indicaban el tipo de dopaje (véase la ilustración para conocer las convenciones). Las obleas de 200  mm de diámetro o más utilizan una única muesca pequeña para indicar la orientación de la oblea, sin ninguna indicación visual del tipo de dopaje. Las obleas de 450 mm no tienen muescas, y su orientación se basa en una estructura grabada con láser en la superficie de la oblea. ^{[ 27 ]}

Las obleas de silicio generalmente no son de silicio 100% puro, sino que se forman con una concentración inicial de dopaje de impurezas de entre ^10¹³ y 10¹⁶ ^átomos por cm³ ^de boro , fósforo , arsénico o antimonio , que se añade a la masa fundida y define la oblea como de tipo n o de tipo p. ^{[ 28 ]} Sin embargo, en comparación con la densidad atómica del silicio monocristalino de 5 × 10²² ^átomos por cm³ ^, esto aún proporciona una pureza superior al 99,9999%. Las obleas también pueden contener inicialmente cierta concentración de oxígeno intersticial . La contaminación por carbono y metales se mantiene al mínimo. ^{[ 29 ]} Los metales de transición , en particular, deben mantenerse por debajo de concentraciones de partes por mil millones para aplicaciones electrónicas. ^{[ 30 ]}

Hay una resistencia considerable a la  transición a 450 mm a pesar de la posible mejora de la productividad, debido a la preocupación por un retorno de la inversión insuficiente. También hay problemas relacionados con el aumento de la variación de la oblea entre chips/de borde a borde y defectos de borde adicionales. Se espera que las obleas de 450 mm cuesten 4 veces más que las de 300 mm, y se espera que los costos de los equipos aumenten entre un 20 y un 50 %. ^{[ 31 ]} El equipo de fabricación de semiconductores más caro para obleas más grandes aumenta el costo de las fábricas de 450 mm (instalaciones o fábricas de fabricación de semiconductores). El litógrafo Chris Mack afirmó en 2012 que el precio total por chip para 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 costos totales de procesamiento de la oblea están relacionados con la litografía. La conversión a obleas más grandes de 450 mm reduciría el precio por chip solo para operaciones de proceso como el grabado donde el costo está relacionado con el número de obleas, no con el área de la oblea. 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 del chip. ^{[ 32 ]}    

Nikon planeaba entregar equipos de litografía de 450 mm en 2015, con producción en volumen en 2017. ^{[ 33 ] [ 34 ]} En noviembre de 2013, ASML detuvo el desarrollo de equipos de litografía de 450 mm, citando la incertidumbre sobre el momento de la demanda de los fabricantes de chips. ^{[ 35 ]}

En 2012, un grupo formado por el Estado de Nueva York ( SUNY Poly / Facultad de Ciencia e Ingeniería a Nanoescala (CNSE)), Intel, TSMC, Samsung, IBM, Globalfoundries y Nikon, formó una asociación público-privada llamada Global 450mm Consortium (G450C, similar a SEMATECH ) que creó un plan de 5 años (que expiraba en 2016) para desarrollar una "infraestructura de fabricación de obleas rentable, prototipos de equipos y herramientas para permitir una transición coordinada de la industria al nivel de oblea de 450 mm". ^{[ 36 ] [ 37 ]} A mediados de 2014, CNSE anunció que revelaría las primeras obleas de 450 mm completamente modeladas en SEMICON West. ^{[ 38 ]} A principios de 2017, el G450C comenzó a desmantelar sus actividades sobre la investigación de obleas de 450 mm debido a razones no reveladas. ^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]} Varias fuentes han especulado que la desaparición del grupo se produjo tras las acusaciones de manipulación de licitaciones contra Alain E. Kaloyeros , quien en ese momento era director ejecutivo de SUNY Poly. ^{[ 41 ] [ 40 ] [ 42 ]} La constatación por parte de la industria de que la optimización de la fabricación de 300 mm es más barata que la costosa transición a 450 mm también puede haber influido. ^{[ 41 ]}

El cronograma para el 450  mm no se ha fijado. En 2012, se esperaba que la producción de 450 mm comenzara en 2017, lo cual nunca se concretó. ^{[ 43 ] [ 44 ]} Mark Durcan, entonces director ejecutivo de Micron Technology , dijo en febrero de 2014 que esperaba que  la adopción del 450 mm se retrasara indefinidamente o se descontinuara. "No estoy convencido de que el 450 mm llegue a existir, pero, en la medida en que lo haga, está muy lejos en el futuro. No hay mucha necesidad de que Micron, al menos durante los próximos cinco años, gaste mucho dinero en el 450 mm." ^{[ 45 ]}

"Se necesita mucha inversión en la comunidad de equipos para que eso suceda. Y el valor al final del día, de modo que los clientes compren ese equipo, creo que es dudoso." ^{[ 46 ]} En marzo de 2014, Intel Corporation esperaba  el despliegue de 450 mm para 2020 (para finales de esta década). ^{[ 47 ]} 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 de 2018 a 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. ^{[ 48 ]}

El salto a 300  mm requirió cambios importantes, con fábricas totalmente automatizadas  que usaban obleas de 300 mm en comparación con fábricas apenas automatizadas para  obleas de 200 mm, en parte porque un FOUP para  obleas de 300 mm pesa alrededor de 7,5 kilogramos ^{[ 49 ]} cuando se carga con 25  obleas de 300 mm mientras que un SMIF pesa alrededor de 4,8 kilogramos ^{[ 50 ] [ 51 ] [ 17 ]} cuando se carga con 25  obleas de 200 mm, por 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 puedan moverse a mano. Los FOUP de 450 mm pesan 45 kilogramos ^{[ 52 ]} cuando se cargan con 25  obleas de 450 mm, por lo que se necesitan grúas para manipular manualmente los FOUP ^{[ 53 ]} y ya no hay asas en el FOUP. Los FOUP se trasladan mediante sistemas de manipulación de materiales de Muratec o Daifuku . Estas importantes inversiones se realizaron durante la recesión económica posterior a la burbuja de las puntocom , lo que generó una gran resistencia a la actualización a 450  mm en el plazo previsto. En la fase de aumento de producción a 450  mm, los lingotes de cristal serán tres veces más pesados ​​(un peso total de una tonelada métrica) y tardarán entre dos y cuatro veces más en enfriarse, y el tiempo de procesamiento se duplicará. En definitiva, el desarrollo de obleas de 450 mm requiere una importante inversión en ingeniería, tiempo y costes.