En electrónica , una oblea (también llamada rebanada o sustrato ) [1] es una fina rebanada de semiconductor , como el silicio cristalino (c-Si), utilizada para la fabricación de circuitos integrados y, en energía fotovoltaica , para fabricar células solares. .
La oblea sirve como sustrato para dispositivos microelectrónicos integrados dentro 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 y se empaquetan como un circuito integrado.
En la industria de los semiconductores, el término oblea apareció en la década de 1950 para describir una fina rebanada redonda de material semiconductor, normalmente germanio o silicio. La forma redonda característica de estas obleas proviene de lingotes monocristalinos producidos habitualmente 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 un material monocristalino de gran 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 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 bola , extrayendo un cristal semilla de una masa fundida . [7] [8] Los átomos de impureza donante, como boro o fósforo en el caso del silicio, se pueden agregar 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 del cristal debido a los pasos de mecanizado y finalmente se pule para formar obleas. [9] El tamaño de las obleas para energía fotovoltaica es de 100 a 200 mm cuadrados y el espesor es de 100 a 500 μm. [10] La electrónica utiliza tamaños de oblea 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 garantizar 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 tienen textura para crear una superficie rugosa para aumentar la superficie y, por tanto, su eficiencia. El PSG ( vidrio fosfosilicato ) generado se elimina del borde de la oblea durante 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 los costos con la actual fábrica de última generación que utiliza 300 mm , con una propuesta para adoptar 450 mm . [15] [16] Intel , TSMC y Samsung estaban realizando investigaciones por separado sobre la llegada de las fábricas " prototipos " (de investigación) de 450 mm , aunque persisten serios obstáculos. [17]
Las obleas cultivadas con materiales distintos al silicio tendrán espesores diferentes a los de 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 como 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 en la actualidad; por ejemplo, el proceso IBM BiCMOS7WL se realiza en obleas de 8 pulgadas, pero estas tienen solo 200 μm de espesor. El peso de la oblea aumenta junto con su espesor y diámetro. [ cita necesaria ]
Una unidad de paso de fabricación de oblea , tal como un paso de grabado, puede producir más chips proporcionalmente al aumento del área de oblea, mientras que el costo de la etapa de fabricación unitaria aumenta más lentamente que el área de oblea. Esta fue la base de costes para aumentar el tamaño de las obleas. La conversión a obleas de 300 mm a partir de obleas de 200 mm comenzó a principios de 2000 y redujo el precio por matriz entre un 30% y un 40%. [21] Las obleas de mayor diámetro permiten más matrices por oblea.
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 completamente 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 necesaria ]
Las obleas se cultivan a partir de cristal que tiene una estructura cristalina regular , y el silicio tiene una estructura cúbica de diamante con una separación de red 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 del cristal. La orientación se define mediante 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 del cristal de la oblea, ya que cada dirección ofrece caminos distintos para el transporte. [23]
La escisión de las obleas normalmente ocurre sólo 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 puedan separar en muchos circuitos individuales. [ cita necesaria ]
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 (normalmente una cara {110}. En las obleas de la generación anterior, un par de superficies planas en diferentes ángulos también transmitían la forma de dopaje (consulte la ilustración para conocer las convenciones). Las obleas de 200 mm de diámetro y superiores utilizan una única muesca pequeña para transmitir 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 su orientación. [24]
Las obleas de silicio generalmente no son silicio 100% puro, sino que se forman con una concentración inicial de impurezas dopadas 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 de tipo n a granel 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 todavía da una pureza superior al 99,9999%. Las obleas también pueden dotarse inicialmente de cierta concentración de oxígeno intersticial . La contaminación por carbono y metales se mantiene al mínimo. [26] Los metales de transición , en particular, deben mantenerse por debajo de concentraciones de partes por mil millones para aplicaciones electrónicas. [27]
Existe 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. [21] También hay problemas relacionados con una mayor variación de la oblea entre matrices/borde a borde y defectos adicionales en los bordes. 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 (instalaciones o fábricas de fabricación de semiconductores) de 450 mm. El litógrafo Chris Mack afirmó 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 matriz sólo para operaciones de proceso como el grabado, donde el costo está relacionado con el número de obleas, no con el área de las mismas. [ cita necesaria ] 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 troquel. [29]
Nikon planeó entregar equipos de litografía de 450 mm en 2015, con una producción en volumen en 2017. [30] [31] En noviembre de 2013, ASML detuvo el desarrollo de equipos de litografía de 450 mm, citando un momento incierto de la demanda de los fabricantes de chips. [32]
En 2012, un grupo formado por las empresas del 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 ), quien hizo un plan de 5 años (que expira en 2016) para desarrollar una "infraestructura de fabricación de obleas rentable, prototipos de equipos y herramientas para permitir la transición industrial coordinada al nivel de obleas de 450 mm". [33] [34] A mediados de 2014, CNSE anunció que revelará las primeras obleas de 450 mm completamente estampadas en SEMICON West. [35] A principios de 2017, el G450C comenzó a desmantelar sus actividades de investigación de obleas de 450 mm por razones no reveladas. [36] [37] [38] Varias fuentes han especulado que la desaparición del grupo se produjo después de que se presentaran acusaciones de manipulación de licitaciones contra Alain E. Kaloyeros , quien en ese momento era director ejecutivo del 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 de 450 mm también puede haber influido. [38]
El cronograma para 450 mm no se ha 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 de 450 mm se retrase indefinidamente o se suspenda. "No estoy convencido de que los 450 mm lleguen alguna vez 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, gaste un mucho dinero en 450 mm." [42]
"Es necesario realizar muchas inversiones en la comunidad de equipos para que eso suceda. Y creo que el valor al final del día (para que los clientes compren esos equipos) es dudoso". [43] En marzo de 2014, Intel Corporation esperaba un despliegue de 450 mm para 2020 (para 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 "en el futuro previsible". Según este informe, algunos observadores esperaban entre 2018 y 2020, mientras que G. Dan Hutcheson, director ejecutivo de VLSI Research, no vio que las fábricas de 450 mm entraran en producción hasta entre 2020 y 2025. [45]
El paso a 300 mm requirió cambios importantes, con fábricas totalmente automatizadas que utilizan obleas de 300 mm frente a fábricas apenas automatizadas para 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. donde 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 por parte de los trabajadores de la fábrica y aumenta la fatiga. Los FOUP de 300 mm tienen asas para poder moverlos 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 los FOUP ya no tienen asas. Los FOUP se mueven utilizando 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 de las puntocom , lo que generó una enorme resistencia a actualizar a 450 mm en el plazo original. En la rampa hasta 450 mm, los lingotes de cristal serán 3 veces más pesados (el peso total es una tonelada métrica) y tardarán entre 2 y 4 veces más en enfriarse, y el tiempo de proceso será el doble. [51] En total, el desarrollo de obleas de 450 mm requiere ingeniería, tiempo y costos importantes para superarlo.
Para minimizar el costo por matriz , los fabricantes desean maximizar la cantidad de matrices que se pueden fabricar a partir de una sola oblea; Los troqueles siempre tienen forma cuadrada o rectangular debido a la restricción del corte en cubitos de obleas . En general, este es un problema computacionalmente complejo sin solución analítica, que depende tanto del área de los troqueles como de su relación de aspecto (cuadrada o rectangular) y otras consideraciones como el ancho de la línea de trazado o carril de sierra y el espacio adicional. ocupado por estructuras de alineación y prueba . Tenga en cuenta que las fórmulas de troquel bruto por oblea ( DPW ) solo tienen en cuenta el área de oblea que se pierde porque no se puede utilizar para fabricar troqueles físicamente completos; Los cálculos brutos de DPW no tienen en cuenta la pérdida de rendimiento debido a defectos o problemas paramétricos. [ cita necesaria ]
Sin embargo, el número de DPW bruto se puede estimar a partir de la aproximación de primer orden o función mínima de la relación entre el área de la oblea y la matriz.
dónde
Esta fórmula simplemente establece que el número de troqueles que caben en la oblea no puede exceder el área de la oblea dividida por el área de cada troquel individual. Siempre sobreestimará el verdadero DPW bruto en el mejor de los casos, ya que incluye el área de matrices parcialmente estampadas 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 se pueden vender como piezas funcionales. [ cita necesaria ]
Los refinamientos de esta fórmula simple generalmente agregan una corrección de borde, para tener en cuenta los troqueles parciales en el borde, que en general será más significativo cuando el área del troquel es grande en comparación con el área total de la oblea. En el otro caso límite (matriz infinitamente pequeña u oblea infinitamente grande), la corrección de los bordes es insignificante. [ cita necesaria ]
El factor de corrección o término de corrección adopta generalmente una de las formas citadas por De Vries: [52]
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 matriz y relaciones de aspecto, ajustando los coeficientes de las correcciones a valores superiores o inferiores a la unidad, y reemplazando las fórmulas lineales. dimensión del troquel con (longitud lateral promedio) en el caso de troqueles con relación de aspecto grande: [52]
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 de oblea comunes; el GaN y el zafiro se utilizan ampliamente en la fabricación de LED . [8] Las finas películas de carbono duro elevan la durabilidad del silicio frente a aplicaciones de carga de alto contacto. [53]
prototipos de
fábricas de 450 mm
para 2012.
Nikon planea introducir sistemas de litografía de oblea de 450 mm para producción en volumen en 2017.
Nikon planeaba enviar "herramientas de aprendizaje temprano" para 2015. "Como hemos dicho, realizaremos envíos para satisfacer los pedidos de los clientes en 2015", dijo Hamid Zarringhalam, vicepresidente ejecutivo de Nikon Precision.
En noviembre de 2013, tras la decisión de nuestros clientes, ASML decidió pausar el desarrollo de sistemas de litografía de 450 mm hasta que la demanda de los clientes y el momento relacionado con dicha demanda sean claros.
Intel y el resto de la industria han retrasado el cambio a las fábricas de 450 mm en el futuro previsible, lo que ha dejado a muchos reflexionando sobre la siguiente pregunta: ¿Está muerta la tecnología de 450 mm? La respuesta: 450 mm están actualmente flotando en el agua.
