Oblea (electrónica)

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Corte fina de semiconductor utilizado para la fabricación de circuitos integrados

Parte superior: wafers de silicio de 12" y 6" pulidos. Su orientación cristalográfica está marcada por muescas y cortes planos (izquierda). Microcircuitos VLSI fabricados en una olla de silicio de 12 pulgadas (300 mm), antes del dicing y el embalaje (derecho).
Fondo: ondas solares sobre el transportador (izquierda) y wafer solar (derecha)

En electrónica, una oblea (también llamada rebanada o sustrato) es una delgada rebanada de semiconductor, como un silicio cristalino (c-Si), utilizado para la fabricación de circuitos integrados y, en fotovoltaica, para la fabricación de células solares. La oblea sirve como sustrato para dispositivos microelectrónicos incorporados y sobre la oblea. Se somete a muchos procesos de microfabricación, como dopaje, implantación de iones, grabado, deposición de película delgada de varios materiales y patrones fotolitográficos. Finalmente, los microcircuitos individuales se separan cortando obleas y se empaquetan como un circuito integrado.

Historia

En la industria de los semiconductores o de las obleas de silicio, el término oblea apareció en la década de 1950 para describir una rebanada delgada y redonda de material semiconductor, generalmente germanio o silicio. La forma redonda proviene de lingotes monocristalinos generalmente producidos utilizando el método Czochralski. Las obleas de silicio se introdujeron por primera vez en la década de 1940.

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

Las obleas de silicio las fabrican empresas como Sumco, Shin-Etsu Chemical, Hemlock Semiconductor Corporation y Siltronic.

Producción

Formación

El método Czochralski

Las obleas están formadas por alta pureza, material monocristalino casi libre de defectos, con una pureza del 99,9999999 % (9N) o superior. 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, al extraer un cristal semilla de una masa fundida. Los átomos de impurezas donantes, como el boro o el 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, el boule se rebana 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 de los pasos de mecanizado y finalmente se pule para formar obleas. El tamaño de las obleas para energía fotovoltaica es de 100 a 200 mm cuadrados y el grosor es de 100 a 500 μm. La electrónica utiliza tamaños de oblea de 100 a 450 mm de diámetro. Las obleas más grandes fabricadas tienen un diámetro de 450 mm, pero aún no son de uso general.

Limpieza, texturizado y grabado

Las obleas se limpian con ácidos débiles para eliminar las 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 efectivos es la limpieza de RCA. Cuando se utilizan para células solares, las obleas se texturizan para crear una superficie rugosa para aumentar el área superficial y, por lo tanto, su eficiencia. El PSG generado (vidrio de fosfosilicato) se elimina del borde de la oblea en el grabado.

Propiedades de la oblea

Tamaños de oblea estándar

Silicio

Las obleas de silicio están disponibles en una variedad de diámetros desde 25,4 mm (1 pulgada) hasta 300 mm (11,8 pulgadas). Las plantas de fabricación de semiconductores, conocidas coloquialmente como fabs, se definen por el diámetro de las obleas para las que están diseñadas. El diámetro ha aumentado gradualmente para mejorar el rendimiento y reducir los costos con la fábrica actual de última generación que usa 300 mm, con una propuesta para adoptar 450 mm. Intel, TSMC y Samsung estaban investigando por separado la llegada del 450 mm "prototipo" (investigación) fabulosas, aunque quedan serios obstáculos.

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

Tamaño de la ola	Espesor típico	Año	Peso por wafer	100 mm2 (10 mm) Muere por onda
1 pulgada (25 mm)		1960
2 pulgadas (51 mm)	275 μm	1969		9
3 pulgadas (76 mm)	375 μm	1972		29
4 pulgadas (100 mm)	525 μm	1976	10 gramos	56
4,9 pulgadas (125 mm)	625 μm	1981		95
150 mm (5,9 pulgadas, generalmente denominado "6 pulgadas")	675 μm	1983		144
200 mm (7.9 pulgadas, generalmente denominado "8 pulgadas")	725 μm.	1992	53 gramos	269
300 mm (11,8 pulgadas, generalmente denominado "12 pulgadas")	775 μm	2002	125 gramos	640
450 mm (17,7 pulgadas) (propuesta)	925 μm	–	342 gramos	1490
675 milímetros (26,6 en) (teórica)	desconocida	–	desconocida	3427

Las obleas cultivadas con materiales distintos al silicio tendrán grosores diferentes a los de una oblea de silicio del mismo diámetro. El grosor 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 grosores 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 obleas de 8 pulgadas, pero estas tienen solo 200 μm de grosor. El peso de la oblea aumenta junto con su grosor y diámetro.

Aumentos históricos del tamaño de la oblea

Un paso de fabricación de una unidad de oblea, como un paso de grabado, puede producir más chips proporcionalmente al aumento en el 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 de costos para aumentar el tamaño de la oblea. La conversión a obleas de 300 mm desde obleas de 200 mm comenzó a principios de 2000 y redujo el precio por troquel en aproximadamente un 30-40%. Las obleas de mayor diámetro permiten más dados por oblea.

Fotovoltaica

El tamaño de oblea M1 (156,75 mm) está en proceso de eliminación 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 costes 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.

Orientación cristalina

Estructura de cristal cúbico de diamante de una célula de silicio

Los planos se pueden utilizar para denotar dopaje y orientación cristalográfica. El rojo representa material que ha sido eliminado.

Las obleas se cultivan a partir de cristal que tiene una estructura cristalina regular, con silicio que tiene una estructura cúbica de diamante con un espacio de red de 5,430710 Å (0,5430710 nm). Cuando se corta en obleas, la superficie se alinea en una de varias direcciones relativas conocidas como orientaciones de cristal. La orientación se define por el índice de Miller, siendo las caras (100) o (111) las más comunes para el silicio. 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.

La escisión de la oblea generalmente ocurre solo en unas pocas direcciones bien definidas. La puntuación de la oblea a lo largo de los planos de división permite que se corte fácilmente en chips individuales ('troqueles') para que los miles de millones de elementos de circuito individuales en una oblea promedio se puedan separar en muchos circuitos individuales.

Muescas de orientación cristalográfica

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 (generalmente una cara {110}). En obleas de generaciones anteriores, un par de partes planas en diferentes ángulos también transmitían el tipo de dopaje (consulte la ilustración para conocer las convenciones). Las obleas de 200 mm de diámetro y más 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 dependen de una estructura grabada con láser en la superficie de la oblea para orientarse.

Dopaje de impurezas

Las obleas de silicio generalmente no son 100 % de silicio puro, sino que se forman con una concentración de dopaje de impurezas inicial entre 10¹³ y 10¹⁶ átomos por cm³ de boro, fósforo, arsénico o antimonio que se agrega a la masa fundida y define la oblea como tipo n a granel o tipo p. 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 se pueden proporcionar inicialmente con alguna concentración de oxígeno intersticial. La contaminación por carbono y metales se mantiene al mínimo. Los metales de transición, en particular, deben mantenerse por debajo de las concentraciones de partes por billón para aplicaciones electrónicas.

Obleas de 450 mm

Desafíos

Existe una resistencia considerable a la transición de 450 mm a pesar de la posible mejora de la productividad, debido a la preocupación por el retorno de la inversión insuficiente. También hay problemas relacionados con el aumento de la variación de la oblea entre matrices/de borde a borde 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 %. 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). El litógrafo Chris Mack afirmó en 2012 que el precio total por troquel 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 troquel solo para operaciones de proceso como el grabado, donde el costo está relacionado con el número de obleas, no con el área de las 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 del troquel.

Nikon planeó entregar equipos de litografía de 450 mm en 2015, con producción en volumen en 2017. 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.

En 2012, un grupo formado por 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 Consorcio (G450C, similar a SEMATECH) que elaboró un plan de 5 años (con vencimiento en 2016) para desarrollar una "infraestructura rentable de fabricación de obleas, prototipos de equipos y herramientas para permitir una transición coordinada de la industria a un nivel de obleas de 450 mm". A mediados de 2014, CNSE anunció que revelará las primeras obleas de 450 mm completamente estampadas en SEMICON West. A principios de 2017, el G450C comenzó a desmantelar sus actividades de investigación de obleas de 450 mm por razones no reveladas. Varias fuentes han especulado que la desaparición del grupo se produjo después de los cargos de manipulación de licitaciones presentados contra Alain E. Kaloyeros, quien en ese momento era director ejecutivo de SUNY Poly. 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.

La línea de tiempo de 450 mm no se ha corregido. En 2012, se esperaba que la producción de 450 mm comenzara en 2017, lo que nunca se concretó. 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 sucedan alguna vez, pero, en la medida en que lo hagan, queda un largo camino por recorrer en el futuro. No hay mucha necesidad de que Micron, al menos durante los próximos cinco años, gaste mucho dinero en 450 mm."

"Se necesita mucha inversión 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." En marzo de 2014, Intel Corporation esperaba una implementación de 450 mm para 2020 (a finales de esta década). 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 vio que las fábricas de 450 mm entraran en producción hasta 2020 a 2025.

El paso a 300 mm requirió cambios importantes, con fábricas completamente automatizadas que usaban obleas de 300 mm frente a fábricas apenas automatizadas para las obleas de 200 mm, en parte porque una FOUP para obleas de 300 mm pesa alrededor de 7,5 kilogramos cuando se carga con 25 obleas de 300 mm donde un SMIF pesa alrededor de 4,8 kilogramos 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 puedan moverse con la mano. Las FOUP de 450 mm pesan 45 kilogramos cuando se cargan con 25 obleas de 450 mm, por lo que se necesitan grúas para manipular manualmente las FOUP y las manijas ya no están presentes en las FOUP. Los FOUP se mueven utilizando sistemas de manipulación de materiales de Muratec o Daifuku. Estas importantes inversiones se realizaron en la recesión económica que siguió a la burbuja de las puntocom, lo que resultó en una gran resistencia a la actualización a 450 mm en el plazo original. En el aumento gradual a 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. En total, el desarrollo de obleas de 450 mm requiere ingeniería, tiempo y costos significativos para superar.

Estimación analítica del recuento de troqueles

Para minimizar el costo por troquel, los fabricantes desean maximizar la cantidad de troqueles que se pueden fabricar a partir de una sola oblea; los troqueles siempre tienen una forma cuadrada o rectangular debido a la restricción del corte de obleas. En general, se trata de 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 trazada o la línea de sierra y el espacio adicional. ocupado por estructuras de alineación y ensayo. Tenga en cuenta que las fórmulas de DPW bruto solo representan el área de la oblea que se pierde porque no se puede usar para hacer troqueles físicamente completos; Los cálculos brutos de DPW no tienen en cuenta la pérdida de rendimiento debido a defectos o problemas paramétricos.

Wafermap mostrando mueres completamente estampadas, y mueres parcialmente estampadas que no se encuentran completamente dentro de la ola.

Sin embargo, la cantidad de troqueles brutos por oblea (DPW) se puede estimar a partir de la aproximación de primer orden o función base de la proporción de área de oblea a troquel,

{displaystyle DPW=leftlfloor {frac {pi r^{2}}{S}}rightrfloor =leftlfloor {frac {pi d^{2}}{4S}}rightrfloor }

dónde

$d$ es el diámetro de la ola (típicamente en mm)
$S$ el tamaño de cada muerte (mm²) incluyendo el ancho de la escribana (o en el caso de un carril sierra, el kerf más una tolerancia).

Esta fórmula simplemente establece que la cantidad 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 troqueles parcialmente estampados que no descansan completamente sobre 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.

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 serán más significativos cuando el área del troquel es 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.

El factor de corrección o el término de corrección generalmente toma una de las formas citadas por De Vries:

DPW={frac {displaystyle pi d^{2}}{4S}}-{frac {displaystyle pi d}{{sqrt {2S}}}}

(área ratio – circunferencia/(la longitud diagonal))

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

(ratio de área escalada por un factor exponencial)

DPW={frac {displaystyle pi d^{2}}{4S}}left(1-{frac {displaystyle 2{sqrt {S}}}{d}}right)^{2}

(ratio de área escalada por un factor polinomio).

Estudios que comparan estas fórmulas analíticas con los resultados computacionales de la fuerza bruta muestran que las fórmulas pueden ser más precisas, sobre rangos prácticos de tamaños de la matriz y ratios de aspecto, ajustando los coeficientes de las correcciones a valores superiores o inferiores a la unidad, y reemplazando la dimensión de la muerte lineal ${sqrt {S}}$ con $(H+W)/2$ (longitud lateral promedio) en el caso de las muertes con gran relación de aspecto:

DPW={frac {displaystyle pi d^{2}}{4S}}-0.58^{{*}}{frac {displaystyle pi d}{{sqrt {S}}}}

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

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

Semiconductores compuestos

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 a través del método 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.

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