Oblea (electrónica)

En electrónica , una oblea (también llamada rebanada o sustrato ) ^[1] es una lámina delgada de semiconductor , como un silicio cristalino (c-Si, silicio), utilizado para la fabricación de circuitos integrados y, en energía fotovoltaica , para fabricar células solares .

La oblea sirve como sustrato para los dispositivos microelectrónicos integrados en ella y sobre ella. Se somete a numerosos procesos de microfabricación , como dopaje , implantación de iones , grabado , deposición de película fina de diversos materiales y modelado fotolitográfico . Por último, los microcircuitos individuales se separan mediante troceado de obleas y se empaquetan como un circuito integrado.

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En la industria de semiconductores, el término oblea apareció en la década de 1950 para describir una fina lámina redonda de material semiconductor, normalmente germanio o silicio. La forma redonda característica de estas obleas proviene de lingotes de un solo cristal producidos normalmente mediante el método Czochralski . Las obleas de silicio se introdujeron por primera vez en la década de 1940. ^{[2] [3]}

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 ^{[4] para el primer aparato} epitaxial de alta capacidad .

Las obleas de silicio son fabricadas por empresas como Sumco , Shin-Etsu Chemical , ^[5] Hemlock Semiconductor Corporation y Siltronic .

Las obleas están formadas por material monocristalino de alta pureza, [6] casi libre de defectos, con una pureza del 99,9999999 % ( 9N ⁾ o superior . ^[6] 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 masa fundida . ^{[7] [8]} Se pueden añadir átomos de impurezas donantes, 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 .

Luego, la bola se corta con una sierra para obleas (un tipo de sierra de alambre ), se mecaniza para mejorar la planitud, se graba químicamente para eliminar el daño al cristal de los pasos de mecanizado y, finalmente, se pule para formar obleas. ^[9] El tamaño de las obleas para la energía fotovoltaica es de 100 a 200 mm cuadrados y el espesor es de 100 a 500 μm. ^[10] La electrónica utiliza tamaños de obleas de 100 a 450 mm de diámetro. Las obleas más grandes fabricadas tienen un diámetro de 450 mm, ^[11] 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 asegurarse de que la superficie de una oblea de silicio no contenga contaminación. Uno de los métodos más eficaces es la limpieza RCA . Cuando se utilizan para células solares , las obleas se texturizan para crear una superficie rugosa para aumentar el área de superficie y, por lo tanto, su eficiencia. El PSG ( vidrio de fosfosilicato ) generado se elimina del borde de la oblea en el grabado . ^[12]

Las obleas de silicio están disponibles en una variedad de diámetros desde 25,4 mm (1 pulgada) hasta 300 mm (11,8 pulgadas). ^{[13] [14]} Las plantas de fabricación de semiconductores , conocidas coloquialmente como fabs , se definen por el diámetro de las obleas que están diseñadas para producir. El diámetro ha aumentado gradualmente para mejorar el rendimiento y reducir el costo con la fab de última generación actual que utiliza 300 mm , con una propuesta para adoptar 450 mm . ^{[15] [16]} Intel , TSMC y Samsung estaban realizando investigaciones por separado para el advenimiento de fabs " prototipo " (investigación) de 450 mm , aunque siguen existiendo serios obstáculos. ^[17]

Las obleas fabricadas con materiales distintos del silicio tendrán un grosor diferente al de una oblea de silicio del mismo diámetro. El grosor de la oblea se determina por la resistencia mecánica del material utilizado; la oblea debe ser lo suficientemente gruesa como para soportar su propio peso sin agrietarse durante la manipulación. Los grosores tabulados se refieren a la fecha en que se introdujo ese proceso y no son necesariamente correctos en la actualidad; por ejemplo, el proceso IBM BiCMOS7WL se realiza en obleas de 8 pulgadas, pero estas tienen solo 200 μm de grosor. El peso de la oblea aumenta junto con su grosor y diámetro. ^{[ cita requerida ]} La fecha de introducción no indica que las fábricas convertirán sus equipos inmediatamente; de ​​hecho, muchas fábricas no se molestan en actualizarlos. En cambio, las empresas tienden a expandirse y construir líneas completamente nuevas con tecnologías más nuevas, dejando un amplio espectro de tecnologías en uso al mismo tiempo.

Las obleas de sustrato de GaN suelen tener sus propios plazos independientes, en paralelo pero muy por detrás del sustrato de silicio, pero por delante de otros sustratos. La primera oblea de 300 mm del mundo fabricada con GaN fue anunciada en septiembre de 2024 por Infineon, lo que sugiere que en un futuro próximo podrían poner en funcionamiento la primera fábrica con una producción comercial de GaN de 300 mm.

Mientras tanto, ST Microelectronics anunció en julio de 2021 las primeras obleas de carburo de silicio (SiC) de 200 mm del mundo. No se sabe si el SiC de 200 mm ha entrado en producción en serie a partir de 2024, ya que normalmente las fábricas más grandes de SiC en producción comercial siguen siendo de 150 mm.

El silicio sobre zafiro es diferente del sustrato de silicio, ya que el sustrato es zafiro, mientras que el superestrato es silicio, mientras que las capas epitaxiales y el dopaje pueden ser cualquier cosa. El SOS en la producción comercial normalmente tiene un tamaño máximo de obleas de 150 mm a partir de 2024.

Las obleas de GaAs tienden a tener un tamaño máximo de 150 mm y se producirán comercialmente a partir de 2024.

El AlN suele fabricarse en obleas de 50 mm o 2 pulgadas en producción comercial, mientras que proveedores de obleas como Asahi Kasei están desarrollando obleas de 100 mm o 4 pulgadas a partir de 2024. Sin embargo, el mero hecho de que exista una oblea comercial no implica de ninguna manera que exista un equipo de procesamiento para producir chips en esa oblea; de hecho, ese equipo tiende a retrasarse en su desarrollo hasta que se materializa la demanda de pago del cliente final. Incluso después de que se desarrolle el equipo (años), las fábricas pueden tardar más años en descubrir cómo utilizar las máquinas de forma productiva.

Una unidad de paso de fabricación de obleas , como un paso de grabado, puede producir más chips proporcionalmente al aumento del área de la oblea, mientras que el costo de la unidad de paso de fabricación aumenta más lentamente que el área de la oblea. Esta fue la base de costos para aumentar el tamaño de las obleas. La conversión de obleas de 200 mm a 300 mm comenzó a principios de 2000 y redujo el precio por matriz en aproximadamente un 30-40%. ^[21] Las obleas de mayor diámetro permiten más matriz por oblea.

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El tamaño de oblea M1 (156,75 mm) está en proceso de eliminación gradual en China a partir de 2020. Han surgido varios tamaños de oblea no estándar, por lo que se están realizando esfuerzos para adoptar por completo el estándar M10 (182 mm). Al igual que otros procesos de fabricación de semiconductores, la reducción de costos ha sido el principal factor impulsor de este intento de aumento de tamaño, a pesar de las diferencias en los procesos de fabricación de los diferentes tipos de dispositivos. ^{[ cita requerida ]}

Las obleas se cultivan a partir de cristales que tienen una estructura cristalina regular , y el silicio tiene una estructura cúbica de diamante con un espaciado reticular de 5,430710 Å (0,5430710 nm). ^[22] Cuando se corta en obleas, la superficie se alinea en una de varias direcciones relativas conocidas como orientaciones cristalinas. La orientación se define por el índice de Miller, siendo las caras (100) o (111) las más comunes para el silicio. ^[22] 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 cristalina de la oblea, ya que cada dirección ofrece rutas distintas para el transporte. ^[23]

La división de las obleas ocurre típicamente solo en unas pocas direcciones bien definidas. El corte de la oblea a lo largo de los planos de división permite dividirla 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. ^{[ cita requerida ]}

Las obleas de menos de 200 mm de diámetro tienen planos cortados en uno o más lados que indican los planos cristalográficos de la oblea (normalmente una cara {110}). En las obleas de generaciones anteriores, un par de planos en diferentes ángulos indicaban además el tipo de dopaje (véase la ilustración para conocer las convenciones). Las obleas de 200 mm de diámetro y más utilizan una única muesca pequeña para indicar la orientación de la oblea, sin indicación visual del tipo de dopaje. Las obleas de 450 mm no tienen muescas y se basan en una estructura grabada con láser en la superficie de la oblea para la orientación. ^[24]

Las obleas de silicio generalmente no son 100% 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 de tipo n o de tipo p. ^[25] Sin embargo, en comparación con la densidad atómica del silicio monocristalino de 5×10 ²² átomos por cm ³ , esto aún da una pureza mayor al 99,9999%. Las obleas también se pueden proporcionar inicialmente con cierta concentración de oxígeno intersticial . La contaminación de carbono y metálica se mantiene al mínimo. ^[26] Los metales de transición , en particular, deben mantenerse por debajo de las concentraciones de partes por mil millones para aplicaciones electrónicas. ^[27]

Existe una considerable resistencia a la transición a 450 mm a pesar de la posible mejora de la productividad, debido a la preocupación por un retorno insuficiente de la inversión. ^[21] También hay problemas relacionados con el aumento de la variación entre matrices / de borde a borde de las obleas 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%. ^[28] El mayor costo de los equipos de fabricación de semiconductores 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 general por matriz para 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 obleas están relacionados con la litografía. La conversión a obleas más grandes de 450 mm reduciría el precio por matriz solo para operaciones de proceso como el grabado, donde el costo está relacionado con el conteo de obleas, no con el área de las mismas. ^{[ cita requerida ]} El costo de procesos como la litografía es proporcional al área de las obleas, y las obleas más grandes no reducirían la contribución de la litografía al costo de la matriz. ^{[ 29 ]}

Nikon planeó entregar equipos de litografía de 450 mm en 2015, con producción en volumen en 2017. ^{[30] [31]} 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. ^[32]

En 2012, un grupo formado por el estado de Nueva York ( SUNY Poly / College of Nanoscale Science and Engineering (CNSE)), Intel, TSMC, Samsung, IBM, Globalfoundries y Nikon formó una asociación público-privada llamada Global 450mm Consortium (G450C, similar a SEMATECH ) que hizo un plan de 5 años (que vence en 2016) para desarrollar una "infraestructura de fabricación de obleas rentable, prototipos de equipos y herramientas para permitir la transición coordinada de la industria al nivel de obleas de 450 mm". ^{[33] [34]} A mediados de 2014, CNSE anunció que revelaría las primeras obleas de 450 mm completamente estampadas en SEMICON West. ^[35] A principios de 2017, el G450C comenzó a desmantelar sus actividades sobre la investigación de obleas de 450 mm debido a razones no reveladas. ^{[36] [37] [38]} Varias fuentes han especulado que la desaparición del grupo se produjo después de las acusaciones de manipulación de licitaciones presentadas contra Alain E. Kaloyeros , quien en ese momento era director ejecutivo de SUNY Poly. ^{[38] [37] [39]} La comprensión de la industria del hecho de que la optimización de la fabricación de 300 mm es más barata que la costosa transición a 450 mm también puede haber jugado un papel. ^[38]

El cronograma para el 450 mm no ha sido fijado. En 2012, se esperaba que la producción de 450 mm comenzara en 2017, lo que nunca se hizo realidad. ^{[40] [41]} Mark Durcan, entonces director ejecutivo de Micron Technology , dijo en febrero de 2014 que espera que la adopción del 450 mm se retrase indefinidamente o se interrumpa. "No estoy convencido de que el 450 mm suceda alguna vez, pero, en la medida en que lo haga, es un largo camino en el futuro. No hay mucha necesidad de que Micron, al menos durante los próximos cinco años, gaste mucho dinero en 450 mm". ^[42]

"Hay que hacer muchas inversiones 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". ^[43] En marzo de 2014, Intel Corporation esperaba la implementación de 450 mm para 2020 (a finales de esta década). ^[44] Mark LaPedus de semiengineering.com informó a mediados de 2014 que los fabricantes de chips habían retrasado la adopción de 450 mm "por el futuro previsible". Según este informe, algunos observadores esperaban que se implementara entre 2018 y 2020, mientras que G. Dan Hutcheson, director ejecutivo de VLSI Research, no esperaba que las fábricas de 450 mm entraran en producción hasta 2020 o 2025. ^[45]

El paso hasta 300 mm requirió cambios importantes, con fábricas completamente automatizadas que usaban obleas de 300 mm versus 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 ^[46] cuando se carga con 25 obleas de 300 mm, mientras que un SMIF pesa alrededor de 4,8 kilogramos ^{[47] [48] [18]} 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 manijas para que aún se puedan mover con la mano. Los FOUP de 450 mm pesan 45 kilogramos ^[49] cuando se cargan con 25 obleas de 450 mm, por lo que se necesitan grúas para manipular manualmente los FOUP ^[50] y las manijas ya no están presentes en el FOUP. Los FOUP se desplazan mediante sistemas de manipulación de materiales de Muratec o Daifuku . Estas importantes inversiones se llevaron a cabo durante la crisis económica que siguió a la burbuja puntocom , lo que provocó una enorme resistencia a la actualización a 450 mm en el plazo original. En la fase de ampliación a 450 mm, los lingotes de cristal serán tres veces más pesados ​​(peso total de una tonelada métrica) y tardarán entre dos y cuatro veces más en enfriarse, y el tiempo de proceso será el doble. ^[51] En total, el desarrollo de obleas de 450 mm requiere una ingeniería, un tiempo y unos costes significativos para superarlos.

Para minimizar el costo por matriz , los fabricantes desean maximizar la cantidad de matrices que se pueden fabricar a partir de una sola oblea; las matrices siempre tienen una forma cuadrada o rectangular debido a la restricción del corte de la oblea . 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 trazado o el carril de sierra, y el espacio adicional ocupado por las estructuras de alineación y prueba . (Al simplificar el problema de modo que la línea de trazado y el carril de sierra tengan ancho cero, la oblea sea perfectamente circular sin planos y las matrices tengan una relación de aspecto cuadrada, llegamos al Problema del círculo de Gauss , un problema abierto sin resolver en matemáticas).

Tenga en cuenta que las fórmulas que estiman los troqueles brutos por oblea ( DPW ) solo tienen en cuenta la cantidad de troqueles completos que pueden caber en la oblea; los cálculos del DPW bruto no tienen en cuenta la pérdida de rendimiento entre esos troqueles completos debido a defectos o problemas paramétricos. ^{[ cita requerida ]}

Sin embargo, el número de DPW bruto se puede estimar a partir de la aproximación de primer orden o función de piso de la relación de área de oblea a matriz,

${\displaystyle DPW=\left\lfloor {\frac {\pi r^{2}}{S}}\right\rfloor =\left\lfloor {\frac {\pi d^{2}}{4S}}\right\rfloor }$,

dónde

• ${\estilo de visualización d}$es el diámetro de la oblea (normalmente en mm)
• ${\estilo de visualización S}$el tamaño de cada matriz (mm ² ) incluyendo el ancho de la línea de corte (o en el caso de una pista de sierra, la ranura más una tolerancia).

Esta fórmula simplemente establece que la cantidad de matrices que pueden caber en la oblea no puede exceder el área de la oblea dividida por el área de cada matriz individual. Siempre sobrestimará el DPW bruto en el mejor de los casos, ya que incluye el área de matrices parcialmente estampadas que no se encuentran completamente sobre la superficie de la oblea (ver figura). Estas matrices parcialmente estampadas no representan circuitos integrados completos , por lo que generalmente no se pueden vender como partes funcionales. ^{[ cita requerida ]}

Los refinamientos de esta sencilla fórmula suelen añadir una corrección de borde para tener en cuenta los troqueles parciales en el borde, que en general serán más significativos cuando el área del troquel sea grande en comparación con el área total de la oblea. En el otro caso límite (troqueles infinitesimalmente pequeños u obleas infinitamente grandes), la corrección de borde es insignificante. ^{[ cita requerida ]}

El factor de corrección o término de corrección generalmente toma una de las formas citadas por De Vries: ^[52]

${\displaystyle DPW={\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}-{\frac {\displaystyle \pi d}{\sqrt {2S}}}}$(relación área – circunferencia/(longitud diagonal del dado))

o (relación de área escalada por un factor exponencial)${\displaystyle DPW=\left({\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}\right)\exp(-2{\sqrt {S}}/d)}$

o (relación de área escalada por un factor polinomial).${\displaystyle DPW={\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}\left(1-{\frac {\displaystyle 2{\sqrt {S}}}{d}}\right)^{2}}$

Los estudios que comparan estas fórmulas analíticas con resultados computacionales de fuerza bruta muestran que las fórmulas se pueden hacer más precisas, en rangos prácticos de tamaños de matrices y relaciones de aspecto, ajustando los coeficientes de las correcciones a valores superiores o inferiores a la unidad, y reemplazando la dimensión lineal de la matriz con (longitud lateral promedio) en el caso de matrices con una gran relación de aspecto: ^[52]${\displaystyle {\sqrt {S}}}$${\displaystyle (alto+ancho)/2}$

${\displaystyle DPW={\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}-0,58^{*}{\frac {\displaystyle \pi d}{\sqrt {S}}}}$

o${\displaystyle DPW=\left({\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}\right)\exp(-2.32^{*}{\sqrt {S}}/d)}$

o .${\displaystyle DPW={\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}\left(1-{\frac {\displaystyle 1.16^{*}{\sqrt {S}}}{d}}\right)^{2}}$

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 método Czochralski, el nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC) también son materiales comunes para obleas, y el GaN y el zafiro se utilizan ampliamente en la fabricación de LED . ^[8]

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• Evolución de la oblea de silicio según F450C: una infografía sobre la historia de la oblea de silicio.