top of page
Indústria dels semiconductors
Els processos utilitzats en la indústria dels dispositius semiconductors engloben un conjunt d’activitats especialitzades, i millorades al llarg dels anys, per assolir aparells miniaturitzats de gran velocitat i capacitat. A mesura que els anys passaven, i tal i com s’ha mostrat en l’estudi històric dels semiconductors, les tècniques emprades han estat refinades, així com creades de noves i més precises.
La principal motivació d’aquesta indústria és suplir, a la societat i a la mateixa ciència, amb els sistemes necessaris per a que aquestes puguin continuar amb el seu creixement i desenvolupament.
Aquestes tècniques, actualment, són dutes a terme amb grans millores respecte a les primeres indústries en la puresa de l’ambient i refinació dels materials, en la precisió en els talls i patrons, i en els nous processos que asseguren la protecció dels diferents elements, entre molts altres.
És per això, que encara que els semiconductors i els conceptes físics relacionats amb aquests hagin estat definits i treballats, es requereix d’un cert anàlisi en la seva producció, la qual consta de diferents activitats que es poden agrupar en 6 parts.
Abans de començar, s’han de tenir en compte les condicions de les instal·lacions en sí, ja que han de presentar certes característiques. Aquestes, per tal d’evitar tot tipus de contaminació amb impureses dels elements, els quals són ara més que mai sensibles a qualsevol substància aliena als seus components, alterant-ne les propietats, han de seguir una estricta normativa, ubicada en una sala blanca[1].
Entrant, ara sí, en matèria:
1 Preparació
En primer lloc, tenim els processos que, mitjançant els quals, permeten aconseguir el semiconductor en qüestió en forma d’una fina làmina circular de 300mm de diàmetre i 0.75mm de gruix (valor referencial, el qual pot variar segons la indústria i els interessos d’aquesta), anomenada oblia.
Dins d’aquest grup hi trobem, primerament, els varis processos a partir dels quals s’aconsegueix l’extracció o formació del semiconductor en unes condicions de puresa necessària per a que puguin ser introduïts a l’inici de la cadena de producció i començar amb la seva manufactura. Aquests processos són únicament esmentats de la seva existència donat que no prenen un paper essencial en l’objectiu del treball i donada la seva extensió.
A continuació, tenim el procés de Czochralski. Aquest té com a objectiu la creació d’un sòlid lingot monocristal·lí del semiconductor.
El procés consisteix a introduir el semiconductor en un gresol a una temperatura just per sobre del punt de fusió. Seguidament s’introdueix una vareta acabada amb un cristall del semiconductor. Aquesta, es troba girant i, gràcies a aquest moviment i al fet que la temperatura no sigui extremadament elevada per sobre del punt de fusió, el lingot monocristal·lí començarà a formar-se a formar-se a partir d’aquest punt.
La mida del cristall resultant és calculada amb precisió a partir de la temperatura i la velocitat de rotació, aquest és un element a tenir en compte en els següents passos de la producció.
Un altre efecte d’aquest procés és que els àtoms units del conjunt final es troben en la mateixa orientació.
A més a més, en el gresol hi trobem la presència d’oxigen, un element que potencialment pot deteriorar les capacitats del semiconductor. No obstant, sota certes condicions, aquest pot tenir els seus efectes bons, ja que, per una banda, ajuda a inhibir possibles impureses i, per l’altra, pot millorar la resistència del material.
Després d’aquest pas, tenim el procediment mitjançant el qual el lingot monocristal·lí és dividit en oblies.
Aquestes són de 0.75mm de gruix i 300mm de diàmetre. A continuació, són polides i tractades amb varis processos tan físics com químics per aconseguir-ne unes millors condicions i un millor rendiment.
2 Processament
A continuació tenim tots aquells passos referents al processament de les làmines semiconductors. El conjunt d’aquests passos, en un processament real, engloba més de 300 accions diferents aplicades una rere l’altra, en qüestió de 24h-36h depenent de la mida de l’oblia i la seva complexitat.
Aquest àmbit, però, es pot dividir en 4 apartats depenent de quines són les tècniques i els objectius de les quals, de manera que, totes juntes, conformen tot el processament.
2.1 Deposició
La deposició engloba totes aquelles tècniques en les quals es recobreixi el semiconductor o s’apliqui sobre aquest algun material. En ella hi trobem varis mètodes:
2.1.1 Deposició física de vapor
PVD (sigles en anglès: physical vapor deposition) és el grup de tècniques que permeten aplicar una fina capa d’un material en fase condensada, el qual partia d’haver estat passat a fase gas, a la làmina del semiconductor en qüestió ja preparat en el punt anterior. Respecte a altres mètodes, aquest en particular presenta una considerable varietat de tècniques diferents però amb el mateix objectiu, així com també mostra avantatges en la resistència a l’abrasió, en les substàncies emprades (ja que pot ser quasi qualsevol tipus) i en el menor impacte ambiental.
No obstant, aquesta tècnica en particular requereix d’instal·lacions que puguin oferir ambients de buit d’alta qualitat i a altes temperatures i un sistema de refredat per a dissipar les altes temperatures.
2.1.2 Deposició química de vapor
En aquest procés (CVD: chemical vapor deposition) l’oblia és exposada a precursors volàtils en forma gas, els quals reaccionen amb la superfície del semiconductor tot dipositant la substància que es buscava. De la mateixa manera que amb la PVD, la CVD consta de varis processos que la formen, essent la seva complexitat molt major.
Aquest tipus de deposició presenta un avantatge econòmic clar respecte PVD i una major flexibilitat del procés en sí per adaptar-se tant a les instal·lacions que es disposin i als resultats que es busquin. Per l’altra banda, però, el procés suposa un cert risc donat la toxicitat de les substàncies que poden tenir, ja que han de complir algunes condicions que comunament també impliquen toxicitat.
Tanmateix, i com que aquest punt busca el reconeixement i el tractar, per sobre, els diferents processos industrials, no es profunditzarà com s’hauria de fer, ja que, durant la recerca per a completar els diferents àmbits esmentats, han aparegut tesis doctorals completes tractant, únicament, de la CVD.
2.1.3 Deposició electroquímica
Electrochemical deposition(ECD) pren com a base científica l’electròlisi. En termes generals, ECD consisteix a que, al material al qual es vulgui afegir la fina capa, se li aplica corrent, essent ell un dels dos elèctrodes amb una substància, ions de la qual ens interessin, que els connecta. Finalment, de la mateixa manera com es faria l’electròlisi, es recobrirà l’elèctrode.
Aquest mètode millora en gran mesura i varietat les condicions del material que actuï com a substrat, tot i així el recobriment no resulta uniforme ni el cost ni el temps òptim.
2.1.4 Creixement epitaxial per feixos moleculars
Molecular-beam epitaxy (MBE) es duu a terme en una càmera d’ultrabuit (<10-7Pa), on les substàncies a aplicar són escalfades fins que aquestes sublimen. Seguidament, mitjançant feixos moleculars, aquestes són depositades a l’oblia, on sublimen inversament i hi queden adherides.
Aquest sistema implica un alt cost en les instal·lacions per a que aquestes ofereixin les condicions requerides. No obstant, permet fabricar estructures complexes amb alta precisió sense requerir de molt altes temperatures.
2.1.5 Deposició de capes atòmiques
Atòmic layer deposition (ALD) és una nova tècnica recentment desenvolupada que presenta un major control sobre la distribució i el gruix de les capes. El procés podria introduir-se, per a fer-se una idea, com un conjunt de semi-deposicions químiques de vapor controlades. Aquest semi fa referència a com, el procés, és deturat intencionalment, quan aquest continuaria.
En primer lloc, aquestes semi-reaccions amb els gasos és duta a terme en una càmera de buit durant una quantitat concreta de temps, la qual permet als precursors reaccionar plenament amb el substrat.
A continuació, quan el temps és exhaurit, la càmera s’omple amb un gas, el qual acostuma a ser N2 o Ar, que inhibeix els precursors que no han reaccionat o productes secundaris.
Seguidament, el procés és repetit amb una altra substància, tot creant una nova capa igualment fina.
L’avantatge principal del mètode és la capacitat de control sobre les diferents capes creades sobre l’oblia, tenint una precisió d’amstrongs. Tot i la seva emergent popularitat, aquest mètode presenta l’inconvenient de la seva lenta formació, la qual és l’efecte directe del seu control sobre el gruix.
2.2 Eliminació dels materials
Aquest àmbit fa referència a tot aquella tècnica que permeti l’eliminació de les capes afegides. Encara que a primera vista pot semblar contraproduent i sense sentit, com es veurà en l’exemple a continuació aquest aspecte és de vital importància, ja que no es tracta d’eliminar totes les capes, sinó la capa superior i del material concret, no pas la totalitat.
En aquest apartat existeixen dos processos a tenir en consideració:
2.2.1 Poliment químic-mecànic (Chemical-mechanical polishing (CMP))
Aquest mètode en qüestió permet allisar i suavitzar superfícies mitjançant agents químics abrasius. Deixant de banda el seu obvi ús en el poliment de les oblies descrit en el punt anterior per a deixar-les llestes per al processament, aquesta tècnica també pot ser concebuda com un mètode per a eliminar capes, tot depenent del tipus d’agent usat, les quantitats, i les condicions en general. El procés es duu a terme en un sistema on l’oblia es fa rotar i on un capçal polidor ajuda a distribuir el químic i fer que l’erosió i l’eliminació d’elements no desitjats sigui homogènia tot descrivint una sèrie de moviments tan rotatoris com de translació. Cal destacar que només s’ha anomenat i explicat de manera superficial en què es basa el procediment, sense entrar en detalls dels seus fonaments ni els materials específics emprats a les indústries.
Tanmateix, el segon mètode és el més estandarditzat i el que s’atribueix en major mesura a l’eliminació de material:
2.2.2 Decapatge
Aquest procés, tal i com s’afegien capes de materials amb l’ús de químics que reaccionen, es basa justament en el contrari. En aquest cas, un agent químic és aplicat sobre la superfície de l’oblia, de manera que reacciona amb els materials superiors i aquests deixen d’estar enllaçats amb el semiconductor, sense necessitat de tants i tan complexos mecanismes, donat que el seu objectiu és únic i precís i no afecta a altres substàncies.
La importància d’aquest procés, és complementària amb la del pas següent per a poder dibuixar-hi tot tipus de patrons.
Dintre d’aquest procés, hi trobem una gran varietat i complexitat en els passos a seguir i els càlculs per a que pugui ser dut a terme correctament.
Sense entrar en més detall, hi ha dos tipus de decapatge, decapatge en mullat (traducció aproximada de wet etching), en el qual se submergeix l’oblia en l’agent químic, i l’actual decapatge amb plasma (plasma etching), on en una càmera de buit la superfície de l’oblia reacciona amb els radicals químics alliberats pel plasma.
2.3 Patterning (aplicació d’un patró)
Aquest mètode, en termes generals, consisteix a modelar els materials depositats. En aquest pas es duu a terme un la formació d’un dels elements més importants en el processament de l’oblia de material semiconductor: la màscara. Aquesta permet que, quan es procedeixi a l’eliminació de material, tot sigui eliminat a excepció d’aquesta, ja que haurà estat formada d’un material amb el qual els agents químics no reaccionaran.
El procés emprat per a tal objectiu és la fotolitografia, la qual consisteix a l’estampació fotoquímica d’un model geomètric a un material fotosensible, de manera que es s’aconsegueixi un decapatge selectiu, en forma del patró escollit.
D’aquesta manera, podem crear patrons tan complexos com vulguem, a escales tan petites com puguem, i podrem aconseguir aquesta màscara tan valuosa que, al cap i a la fi, és qui permet tot disseny i patró.
De nou, cal repetir que la profunditat d’aquest àmbit és molt elevada i que un anàlisi complet d’aquest apartat únic, com dels altres esmentats fins ara, requeririen de tot un treball de doctorat, o si més no, d’un nou treball de recerca.
2.4 Modificació de les propietats elèctriques
En últim lloc tenim el sistema que permet proporcionar a l’oblia o les parts seleccionades d’aquesta (gràcies a que s’hagi aplicat una màscara) de diferents propietats elèctriques segons convingui.
Aquest procés no només fa referència al dopatge, el qual ja s’ha introduït i analitzat a nivell teòric, sinó també a la constant dielèctrica. Aquest últim concepte pot ser fàcilment executat exposant el material a llum ultraviolada.
Per altra banda, el dopatge de certes zones, de manera que també puguem aconseguir les juncions p-n descrites anteriorment, pot executar-se mitjançant dos processos:
2.4.1 Difusió molecular
Aquest procés busca dotar el semiconductor d’impureses introduint-les des de la fase gas. Sigui qui sigui l’estat en el que el material acceptor o donant, l’objectiu consisteix a transformar-lo a fase gas i, un cop aquest entri en contacte amb l’oblia, els diferents àtoms, en una concentració molt més baixa en comparació a la del semiconductor, siguin dispersats per tal de homogeneïtzar les concentracions. Aquest desplaçament d’àtoms d’impureses dins de la xarxa atòmica de l’oblia es pot donar per substitució d’àtoms d’aquesta, tot intercanviant els llocs, o bé per un moviment entre els diferents àtoms d’aquesta o bé omplint-ne les posicions vacants.
Aquest mètode proporciona certs avantatges donat que varies oblies poden ser processades alhora i donat que presenta un control raonable de les zones dopades i de la profunditat d’aquestes.
2.4.2 Implantació de ions
Aquest mètode permet inserta mitjançant un feix de ions de la substància dopant en l’oblia. En aquest concepte rau la principal diferència entre ambdós sistemes: en la difusió molecular els àtoms dopants penetren gràcies al seu propi moviment, mentre que amb la implantació de ions aquest procés és ajudat.
En la implantació de ions, el feix d’aquests és seleccionat i accelerat tot utilitzant un conjunt de sistemes.
En primer lloc, el sistema consta d’una font del material desitjat. Aquesta, després d’ésser ionitzada gràcies a l’aplicació d’un camp elèctric, tendeix a ser propulsada cap a l’extrem negatiu. A continuació, i després de passar per dos filtres alineadors hem de seleccionar aquells isòtops velocitat dels quals sigui la desitjada. Aquest fi pot ser fàcilment assolit amb l’aplicació simultània d’un camp elèctric i un de magnètic[2] alhora tal i com es mostra l’esquema. Això ens permet que aquells isòtops més lents siguin afectats més dèbilment pel camp magnètic i per tant l’elèctric els desviï del següent alineador. Si, per contra, els isòtops són més ràpids, es veuran afectats en una major mesura pel camp magnètic i, per tant, desviats de nou.
A continuació, i amb un feix d’isòtops amb velocitats similars en un rang a decidir, podem procedir a seleccionar-los per masses.
De nou, amb l’aplicació d’un camp magnètic i un alineador podem aconseguir l’objectiu. En aquest cas, prenem una altra variable que condiciona el moviment en presència d’un camp magnètic, la massa de l’isòtop. D’aquesta manera, i calculant la posició de l’obertura de l’alineador, podem aconseguir un feix de llum precís, de velocitats i masses similars en un petit rang d’error.
Cal destacar que, entre procés i procés, les partícules són accelerades gràcies a l’aplicació d’un camp elèctric constant, augmentant l’eficiència del feix de ions.
Finalment, quan el feix està preparat i és projectat, els ions penetren la superfície i, seguidament, ocupen els seus llocs, tot aconseguint una distribució uniforme de la zona i proporcionant al semiconductor millores en la seva conductivitat.
2.5 Exemple
A continuació, pot observar un esquema simplificat dels principals processos, el seu ordre i com permeten a l’oblia esdevenir un veritable element electrònic a tenir en compte i no pas un semiconductor pur.
En primer lloc, s’ha de remarcar que, enlloc de procedir en l’exemple a partir d’un semiconductor pur i afegir-hi el tipus concret de dopant, el procediment parteix d’una oblia de material semiconductor dopada positivament. Aquesta acció, al ésser completament deslocalitzada, ha estat duta a terme mitjançant la difusió molecular prèviament explicada.
A continuació, i partint d’aquesta base, se li deposita a la superfície una capa d’òxid (1) que actua, alhora, d’aïllant i protector de l’oblia, mitjançant qualsevol dels processos anteriors.
Seguidament, podem observar com la capa d’òxid és decapada amb precisió (2). Aquest és el resultat del procés de pattering, on gràcies a la fotolitografia i l’aplicació prèvia d’un material fotosensible i a la seva immediata extracció, en resulta una capa d’òxid com la mostrada.
En el pas següent trobem com la petita part superficial no coberta amb òxid és modificada i les seves condicions alterades, canviant a ser un semiconductor de tipus n (3). S’ha de tenir en compte que ara, en canvi, el procés s’ha executat amb la implantació de ions, que atorga una major precisió i permet un major control, doncs no la totalitat de l’oblia ha estat modificada.
De nou, es procedeix amb la decapatge de la capa d’òxid segons un patró molt específic, deixant ara al descobert una altra zona (4).
De la mateixa manera que anteriorment, una nova capa d’òxid és depositada sobre tot el semiconductor (5), tot cobrint els forats, els quals, encara que hagin crescut uniformement respecte la totalitat de l’oblia, segueixen trobant-se en un nivell inferior.
En aquest cas, el següent procés es troba detallat a diferència del decapat per patró anterior. En primer lloc, trobem l’aplicació d’una capa fotosensible (6), irradiada i eliminada i, a continuació, eliminant la capa d’òxid inferior d’aquelles parts afectades segons algun dels processos de decapatge, a triar (7). El resultat és una oblia recoberta d’òxid i la substància en quasi tot el conjunt, a excepció d’uns patrons molt concrets.
A aquests petits espais, seguidament, se’ls és aplicat un implantació de ions característica a cada zona (8), ja que trobem com unes resten dopades positivament mentre que les altres, dopades negativament. Per a que aquesta no tingui cap tipus d’error, s’ha procedit, encara que no es mostra en els passos, amb una deposició d’una capa sobre les zones que no interessa que siguin recobertes amb aquell dopatge i, seguidament, eliminada i el procés repetit a la inversa.
És necessari notar que l’entorn particular de les zones dopades és, deliberadament, contrària a aquestes. És per aquest motiu que, al voltant d’aquestes zones, s’hi forma una junció p-n, la qual no permet el pas del corrent sinó es forma un gran voltatge i en una sola direcció.
Més enllà d’aquest punt, els diferents processos ja no interessen en l’objectiu d’aquest estudi, i difereixen del processament del semiconductor, ja centrant-se en aspectes propis de l’electrònica.
Únicament cal remarcar que, finalitzat tots els processos, o si més no aquells que afectin al semiconductor en qüestió, es procedeix a la protecció immediata d’aquest gràcies a diferents materials, com ho és l’òxid.
3 Testat
En últim lloc, després d’un gran nombre d’accions i tècniques emprades durant el processament, l’oblia de material semiconductor finalment es troba en les condicions òptimes a nivell teòric. No obstant, el producte ha d’ésser avaluat, i per a això se sotmet l’oblia a un considerable nombre de controls al llarg de tots els processos, per assegurar-ne el funcionament i que en cap moment s’està cometent cap tipus d’error.
A més a més, els exàmens per al producte també continuen després de la seva sortida de la fàbrica, donat que, seguidament, formaran part d’un sistema major i més complex, el qual serà, de nou, examinat.
Ara sí, havent passat per processos minuciosos i d’escales pròpies fins i tot de l’Armstrong, i havent estat examinats exhaustivament, els semiconductors, en forma del producte que hagin esdevingut, pot ser finalment comercialitzat.
Finalment, i d’una manera recopilatòria, s’ha de realçar la varietat de processos duts a terme. A primera vista, i després d’una lectura d’aquest punt, hom pot pensar que els processos acaben aquí. I encara que aquesta afirmació és certa, només des d’un punt de vista simplificat. Molts dels processos consten de grans varietats segons els materials i les condicions, així com mostren una gran complexitat que en aquest estudi no ha estat suficientment profunditzada, ja que es necessitaria centrar l’estudi en cadascun dels apartats per a assolir resultats notables. La quantitat de processos diferents en una sola oblia no baixa dels 200, cadascun amb el seu propi historial de millores i descobriment científic en el seu àmbit, concloent amb grans precisions i complexitat. I és per la impossibilitat d’anomenar-los i explicar-los tots, que s’ha procedit buscant l’essència.
Tanmateix, s’ha de tenir en compte que l’objecte d’estudi d’aquest treball és un àmbit concret de la física, i com a tal està molt estretament relacionada amb tot el seu entorn, de manera que un anàlisi particular d’aquest no seria possible sense, almenys, la menció d’aquells aspectes més pròxims. Per a un estudi complet s’hauria de tenir en compte la totalitat de la física, i no assumir el coneixement de cert material acadèmic ni ometre cap tipus de material.
bottom of page