¿Qué es una oblea de silicio? ¿Para qué se utiliza?

Es probable que muchas personas hayan entrado en contacto con una oblea de silicio o incluso la hayan utilizado en su vida cotidiana, aunque quizás sin darse cuenta. Quienes han utilizado dispositivos como computadoras y teléfonos inteligentes, ciertamente han interactuado con esta tecnología. Como proveedor destacado de obleas de silicio, a menudo nos hacen preguntas como: "¿Qué es exactamente una oblea de silicio?" y "¿Cuáles son sus usos?" En este artículo, nuestro objetivo es proporcionar una introducción completa a las obleas de silicio.

Para la producción de dispositivos semiconductores, MEMS y más, en WaferPro ofrecemos una amplia gama de productos de obleas de silicio. Esto incluye obleas de silicio de grado primario, de prueba y recuperado en diversas orientaciones, resistividades, espesores y diámetros.

¿Qué es una oblea de silicio?

Las obleas de silicio son materiales esenciales para la producción de semiconductores, que se encuentran en casi todos los tipos de dispositivos electrónicos que mejoran la vida de las personas. El silicio es el segundo elemento más abundante en el universo y se utiliza principalmente como semiconductor en los campos de la tecnología y la electrónica.

Es probable que muchas personas se hayan topado con una oblea de silicio real en algún momento de sus vidas. Este disco ultra-plano está cuidadosamente pulido hasta obtener un acabado- similar al de un espejo. Además, presenta pequeñas irregularidades en su superficie, lo que lo convierte en el objeto más plano de la Tierra. También es extremadamente limpio, libre de impurezas y micro-partículas, cualidades críticas que lo convierten en el material de sustrato ideal para los semiconductores modernos.

Existen varios métodos para fabricar silicio, incluido el método Bridgeman horizontal, el método de congelación de gradiente horizontal, el método de congelación de gradiente vertical, el método Bridgeman vertical y el método de extracción de Czochralski.

A lo largo del proceso de crecimiento, se pueden introducir dopantes para alterar la pureza de la oblea de silicio según su uso previsto. Estas impurezas pueden modificar las propiedades electrónicas del silicio, que son cruciales para su propósito de producción específico.

Los dopantes comunes que se agregan durante el proceso de crecimiento incluyen aluminio, boro, nitrógeno, indio y galio. Dependiendo de cuándo se introducen los dopantes, un semiconductor puede clasificarse como degenerado o extrínseco.

¿Para qué se utiliza la oblea de silicio?

1. Semiconductores

Aunque se utilizan otros conductores en aplicaciones más especializadas, el silicio sigue siendo el semiconductor más utilizado debido a su excepcional movilidad, tanto a altas temperaturas como a temperatura ambiente.

Lo que hace que el silicio sea una excelente opción para los dispositivos electrónicos es su capacidad para permitir que las corrientes eléctricas fluyan a través de sus conductores de manera mucho más eficiente que otros materiales.

2. Obleas de silicio en dispositivos electrónicos

Los semiconductores, como las obleas de silicio, son esenciales en la producción de chips y microchips utilizados en dispositivos electrónicos.

Debido a las propiedades únicas de las corrientes eléctricas que fluyen a través de obleas de silicio, estos semiconductores son parte integral de la creación de circuitos integrados (CI). Los circuitos integrados sirven como unidades de control para diversas acciones en dispositivos electrónicos.

La oblea de silicio es el componente central de los circuitos integrados. En términos simples, los circuitos integrados son una combinación de diferentes componentes electrónicos ensamblados para realizar una tarea específica.

El silicio es la base de las tecnologías de semiconductores. Una oblea es esencialmente una fina rebanada de material semiconductor que actúa como sustrato para los dispositivos microelectrónicos que se colocan sobre o dentro de la oblea.

Aunque las obleas de silicio pueden parecer estrechamente asociadas con dispositivos tecnológicos avanzados que sólo existen en los sueños, ¡están mucho más cerca de nosotros de lo que la mayoría de la gente cree! Las obleas de silicio se encuentran en computadoras, teléfonos inteligentes, dispositivos móviles e incluso en sistemas de sensores de presión de neumáticos.

3. Otros usos de las obleas de silicio

Las obleas de silicio ultra-puras proporcionan una plataforma ideal para crear circuitos integrados que son esenciales para todos los dispositivos electrónicos. Estas obleas se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, que incluyen:

Microprocesadores: los chips centrales que impulsan las computadoras y los teléfonos inteligentes

Memoria DRAM y flash: miles de millones de celdas de memoria basadas en silicio-en chips

Sensores CMOS: sensores de imagen que capturan la luz en cámaras de teléfonos inteligentes y otros dispositivos

Dispositivos de energía: diseños especializados que regulan la electricidad en sistemas electrónicos.

MEMS: pequeños sistemas mecánicos y electromecánicos hechos de silicio

Circuitos Ópticos – Guías de Ondas y dispositivos fotónicos que integran óptica.

Cómo se fabrican las obleas de silicio - paso a paso

Las obleas de silicio se producen mediante un proceso complejo que implica varios pasos críticos. La mayoría de las obleas de silicio estándar y personalizadas de WaferPro se fabrican utilizando estos mismos procesos estrictos bajo estrictos controles de calidad.

1. Hacer crecer el lingote

El polisilicio de alta-pureza se funde y cristaliza en un lingote monocristalino mediante el proceso Czochralski. Los lingotes pueden medir más de 2 metros de largo y pesar cientos de kilogramos. El lingote debe tener una estructura cristalina excepcionalmente pura para un rendimiento óptimo en electrónica, ya que cualquier impureza puede afectar significativamente la funcionalidad.

2. Rectificado plano o con muescas

Una vez que el lingote de silicio está casi impecable, el siguiente paso consiste en pulir superficies planas o hacer muescas a lo largo de sus bordes. Esto ayuda a alinear el lingote correctamente para procesos posteriores. La orientación del cristal de silicio es fundamental para un corte preciso.

3. rebanar

Luego, los lingotes se cortan en discos, que generalmente tienen un grosor de entre 0,2 mm y 1,5 mm, utilizando una sierra de diámetro interior o una sierra de alambre. De un lingote se pueden cortar cientos de obleas.

4. Pulido de bordes

Antes de que las obleas estén listas para la fabricación, los bordes se pulen para eliminar las grietas y fisuras microscópicas que se forman durante el corte. Esto suaviza la periferia y fortalece los bordes.

5. Lapeado

Las obleas se colocan entre dos almohadillas giratorias recubiertas con partículas abrasivas y una mezcla química, alisando ambos lados de la oblea.

6. Grabado

El grabado elimina cualquier resto de arena y partículas microscópicas, purificando aún más la superficie a escala atómica.

7. Pulido

Las obleas se pulen para lograr una-superficie lisa como un espejo con defectos mínimos.

8. Limpieza

Finalmente, las obleas se someten a baños de limpieza química húmeda para eliminar cualquier contaminante restante.

Resumen rápido de la fabricación de obleas de silicio

Paso	Descripción
1. Lingote de silicio Si	Cultivar un lingote de silicio monocristalino mediante el proceso Czochralski
2. Rectificado plano o con muescas	Muele las partes planas o las muescas a lo largo de los bordes del lingote para alinearlos correctamente para cortarlos.
3. rebanar	Cortar el lingote de silicio en discos para producir obleas de silicio en bruto.
4. Pulido de bordes	Muele los bordes de las obleas cortadas para eliminar posibles grietas o fisuras.
5. Lapeado	Utilice almohadillas abrasivas y lechada para aplanar y alisar las superficies de las obleas.
6. Grabado	Utilice baños químicos para eliminar restos de desniveles y partículas superficiales.
7. Pulido	Aplique pulido final para obtener superficies de oblea extremadamente lisas y planas.
8. Limpieza	Limpiar a fondo las obleas para eliminar los residuos restantes.

Especificaciones clave de las obleas de silicio

Diámetro - de 1 pulgada a más de 12 pulgadas, los tamaños más comunes son 150 mm, 200 mm y 300 mm

Grosor - normalmente entre 0,2 y 1,5 mm

Tolerancia de planitud - inferior a 1 μm

Acabado superficial - bajo variación de 1 nm

Orientación del cristal - átomos alineados para exponer el plano de superficie deseado

Dopaje - intrínseco o con trazas de boro/fósforo añadido

Densidad de defectos - minimizada mediante procesos estrictamente controlados

Breve historia del silicio en electrónica

El desarrollo del transistor en 1947 marcó un cambio radical en la electrónica, reemplazando los voluminosos tubos de vacío. El silicio se convirtió en el material dominante para los semiconductores debido a su abundancia y propiedades superiores.

Año	Hito
1958	Primer circuito integrado de silicio con cuatro transistores
1968	Primer chip de memoria DRAM de silicio
1971	Primer microprocesador con 2300 transistores
1981	IBM presenta la primera computadora personal con CPU de 29000 transistores
2012	Procesador Intel Ivy Bridge con 1.400 millones de transistores

Economía de las obleas de silicio

Se espera que el mercado mundial de obleas de silicio alcance los 17.000 millones de dólares en 2027. La demanda de dispositivos más potentes y eficientes sigue impulsando el crecimiento de la producción de obleas.

 

 

Con un fuerte crecimiento de la demanda de chips de silicio que impulsan nuevas aplicaciones...

Se espera que el mercado mundial de obleas de silicio se acerque a los 17 mil millones de dólares para 2027, y que los tamaños de las obleas pasen del formato tradicional de 200 mm a uno más grande de 300 mm, lo que impulsará importantes inversiones en obleas e instalaciones de producción más grandes.

La creciente demanda de pantallas y tecnologías de comunicación avanzadas también está impulsando el crecimiento del exótico mercado de obleas semiconductoras compuestas, incluidos materiales como GaAs e InP, que ahora han superado los 5 mil millones de dólares en ventas anuales. A pesar de todos los avances, la simple pero potente oblea de silicio sigue siendo la columna vertebral de la microelectrónica de silicio, que está profundamente integrada en la vida moderna.

Las obleas de silicio son una base fundamental para la producción de circuitos integrados y microchips que alimentan la electrónica en diversas industrias. A medida que la demanda de dispositivos más rápidos, más asequibles y más potentes crece exponencialmente cada año, la producción de estos vitales sustratos semiconductores también aumenta a un ritmo rápido.

En 2019, se produjeron cada mes más de 12 millones de obleas de silicio. Eso significa que se produjeron más de 150 millones de unidades anualmente a escala global. Apenas cinco años antes, en 2014, la producción anual era de casi 100 millones. Para 2025, las previsiones predicen que se producirán más de 300 millones de obleas cada año y que la producción aumentará constantemente.

El principal impulsor de este crecimiento es la búsqueda incesante de chips más pequeños y rápidos. Cada nueva generación de chips incorpora más potencia informática en un área más pequeña, lo que significa que se pueden producir más chips a partir de cada oblea. Este rápido avance, a menudo denominado Ley de Moore, ha llevado a un aumento de la oferta de obleas para satisfacer la demanda a medida que disminuyen los costos de los transistores.

Los lanzamientos de nuevos productos, como iPhones o consolas de juegos, provocan aumentos repentinos de la demanda, que se satisfacen con continuas inversiones en nuevas instalaciones de salas blancas. Mientras que las primeras obleas tenían sólo una pulgada de diámetro, los modernos discos de silicio de 300 mm permiten enormes economías de escala. Las principales empresas de semiconductores están experimentando incluso con prototipos que miden 450 mm de diámetro.

El espacio de producción dedicado a la fabricación de obleas se ha ampliado a millones de pies cuadrados, con equipos que cuestan hasta 100 millones de dólares cada uno. En la última década, gigantes tecnológicos como TSMC y Samsung han invertido más de medio billón de dólares en instalaciones de fabricación de obleas, compitiendo para lograr los próximos avances en miniaturización.

Hoy en día, TSMC, la fundición-purificada líder en el mundo, produce más de 100 millones de obleas al año. Samsung, con sus divisiones internas, también es un actor importante, ya que produce una amplia gama de chips, desde memorias hasta procesadores móviles. Además, empresas como SUMCO, GlobalFoundries y fabricantes chinos como SMIC contribuyen a la producción de más de 50 millones de obleas adicionales en todo el mundo.

El mercado de ventas de obleas de silicio estándar todavía representa una próspera industria de 10 mil millones de dólares, que suministra diseños especializados para diferentes fábricas. GlobalWafers, un actor líder, envía más de 2 millones de obleas por mes para satisfacer esta creciente demanda.

Esta producción en rápida expansión permite a las empresas de semiconductores, que fabrican circuitos integrados sobre estos impecables sustratos de silicio y carburo de silicio, mantener sus enormes ingresos anuales de más de 500 mil millones de dólares en toda la cadena de suministro global.

Entonces, la próxima vez que disfrutes del poder de tu teléfono inteligente, tómate un momento para apreciar la inmensa capacidad de fabricación y el capital necesarios para hacerlo posible. Nuestro futuro digital depende de los miles de millones de obleas de silicio procesadas anualmente a través de procesos de fabricación globales.