Materiales Ceramicos

1. ¿Qué proceso y de que material cerámico se fabrican los circuitos integrados?

La fabricación de circuitos integrados es el proceso mediante el cual se crean los circuitos integrados presentes hoy día en todos los dispositivos electrónicos. Es un proceso complejo y en el que intervienen numerosas etapas de fotolitografía y procesado químico, durante las cuales los circuitos se generan sobre una oblea hecha de materiales puramente semiconductores. Para ello se emplea mayoritariamente el SILICIO, aunque también se usan semiconductores compuestos para aplicaciones específicas, como el arseniuro de galio.

Fabricación de un Circuito Integrado formado por Silicio como componente activo

Preparación de la oblea

El material inicial para los circuitos integrados modernos es el Silicio de muy alta pureza, donde adquiere la forma de un cilindro sólido de color gris acero de 10 a 30 cm de diámetro y puede ser de 1m a 2m de longitud. Este cristal se rebana para producir obleas circulares de 400um a 600um de espesor, (1um es igual a 1x10^-6 metros). Después, se alisa la pieza hasta obtener un acabado de espejo, a partir de técnicas de pulimento químicas y mecánicas. Las propiedades eléctricas y mecánicas de la oblea dependen de la orientación de los planos cristalinos, concentración e impurezas existentes. Para aumentar la resistividad eléctrica del semiconductor, se necesita alterar las propiedades eléctricas del Silicio a partir de un proceso conocido como dopaje. Una oblea de silicio tipo n excesivamente impurificado (baja resistividad) sería designada como material n+, mientras que una región levemente impurificada se designaría n-.

Oxidación

Se refiere al proceso químico de reacción del silicio con el oxígeno para formar Dióxido de Silicio (SiO2). Para acelerar dicha reacción se necesitan de hornos ultra-limpios especiales de alta temperatura. El oxígeno que se utiliza en la reacción se introduce como un gas de alta pureza (proceso de “oxidación seca”) o como vapor (“oxidación húmeda”). La oxidación húmeda tiene una mayor tasa de crecimiento, aunque la oxidación seca produce mejores características eléctricas. Su constante dieléctrica es 3.9 y se le puede utilizar para fabricar excelentes condensadores. El Dióxido de Silicio es una película delgada, transparente y su superficie es altamente reflejante. Si se ilumina con luz blanca una oblea oxidada la interferencia constructiva y destructiva hará que ciertos colores se reflejen y con base en el color de la superficie de la oblea se puede deducir el espesor de la capa de óxido.

Difusión

Es el proceso mediante el cual los átomos se mueven de una región de alta concentración a una de baja a través del cristal semiconductor. En el proceso de manufactura la difusión es un método mediante el cual se introducen átomos de impurezas en el Silicio para cambiar su resistividad; por lo tanto, para acelerar el proceso de difusión de impurezas se realiza a altas temperaturas (1000 a 1200 °C), esto para obtener el perfil de dopaje deseado. Las impurezas más comunes utilizadas como contaminantes son el Boro (tipo p), el Fósforo (tipo n) y el Arsénico (tipo n). Si la concentración de la impureza es excesivamente fuerte, la capa difundida también puede utilizarse como conductor.

Implantación de iones

Es otro método que se utiliza para introducir átomos de impurezas en el cristal semiconductor. Un implantador de iones produce iones del contaminante deseado, los acelera mediante un campo eléctrico y les permite chocar contra la superficie del semiconductor. La cantidad de iones que se implantan puede controlarse al variar la corriente del haz (flujo de iones). Este proceso se utiliza normalmente cuando el control preciso del perfil del dopaje es esencial para la operación del dispositivo.

Deposición por medio de vapor químico

Es un proceso mediante el cual gases o vapores se hacen reaccionar químicamente, lo cual conduce a la formación de sólidos en un sustrato. Las propiedades de la capa de óxido que se deposita por medio de vapor químico no son tan buenas como las de un óxido térmicamente formado, pero es suficiente para que actúe como aislante térmico. La ventaja de una capa depositada por vapor químico es que el óxido se deposita con rapidez y a una baja temperatura (menos de 500°C).

Metalización

Su propósito es interconectar los diversos componentes (transistores, condensadores, etc.) para formar el circuito integrado que se desea, implica la deposición inicial de un metal sobre la superficie del Silicio. El espesor de la película del metal puede ser controlado por la duración de la deposición electrónica, que normalmente es de 1 a 2 minutos.

Fotolitografía

Esta técnica es utilizada para definir la geometría de la superficie de los diversos componentes de un circuito integrado. Para lograr la fotolitografía, primeramente se debe recubrir la oblea con una capa fotosensible llamada sustancia fotoendurecible que utiliza una técnica llamada “de giro”; después de esto se utilizará una placa fotográfica con patrones dibujados para exponer de forma selectiva la capa fotosensible a la iluminación ultravioleta. Las áreas opuestas se ablandarán y podrán ser removidas con un químico, y de esta manera, producir con precisión geometrías de superficies muy finas. La capa fotosensible puede utilizarse para proteger por debajo los materiales contra el ataque químico en húmedo o contra el ataque químico de iones reactivos. Este requerimiento impone restricciones mecánicas y ópticas muy críticas en el equipo de fotolitografía.

Empacado

Una oblea de Silicio puede contener varios cientos de circuitos o chips terminados, cada chip puede contener de 10 a 108 o más transistores en un área rectangular, típicamente entre 1 mm y 10 mm por lado. Después de haber probado los circuitos eléctricamente se separan unos de otros (rebanándolos) y los buenos (“pastillas”) se montan en cápsulas (“soportes”). Normalmente se utilizan alambres de oro para conectar las terminales del paquete al patrón de metalización en la pastilla; por último, se sella el paquete con plástico o resina epóxica al vacío o en una atmósfera inerte.

2. Explique el proceso de obtención de los materiales cerámicos.

1. Extracción

Las canteras de arcillas, también llamadas barreros, suelen estar cercas de fábricas, son explotaciones a cielo abierto y la extracción se realiza por medios mecánicos. Es necesario quitar una capa de material no apto para la fabricación de ladrillos.

2. Preparación de la Pasta

La arcilla extraída en las canteras hay que convertirlas en una masa adecuada para la operación

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