Cuestión de impurezas

Por Wis_Alien, el 13 diciembre, 2011. Categoría(s): Física • Ingeniería

Estoy seguro que muchos de vosotros cuando utilizáis un ordenador o cualquier dispositivo electrónico no os ponéis a pensar en la laboriosa transformación que ha sufrido el silicio desde su extracción en una mina hasta llegar a convertirse en parte de un microprocesador que usamos todos los días.

Después de todo, esto es lo normal, pues lo que nos interesa como usuarios es que nuestros ordenadores, móviles y demás dispositivos funcionen correctamente, sin importarnos cómo lo hace.

Sin embargo, los lectores de Amazings sois más que un usuario normal y seguro que queréis conocer las curiosidades de una transformación tan impresionante.

Si es así, vamos allá.

El silicio, escrito químicamente Si, se extrae de las minas como un compuesto de oxígeno y silicio llamado silicato. Estos conforman más del 90% de la corteza de nuestro planeta, lo que convierte al silicio en el segundo elemento químico más abundante en la Tierra, pues se encuentra en prácticamente cualquier roca o mineral. Ejemplos básicos pueden ser el cuarzo o la arena de nuestras playas.

A pesar de ser tan abundante, el silicio no se encuentra de forma aislada en la naturaleza, si no que lo hace como compuestos de varios elementos. En el caso de los silicatos debemos extraer el oxígeno de los mismo para quedarnos solo con lo que nos interesa, el silicio. Para ello se llevan a cabo diferentes reacciones químicas.

Por ejemplo, se puede generar silicio con una pureza de al menos el 98% fundiendo sílice  (SiO2) con madera o carbón de modo que se produzca, mediante electrodos de carbono, una reacción química en la que el carbono absorbe el oxígeno para dar lugar a monóxido de carbono y silicio puro. Escrito químicamente: SiO2 + 2C → Si + 2CO. Este silicio recibe el nombre de silicio metalúrgico. A pesar de que tiene ciertas aplicaciones en la industria del automóvil en aleaciones con aluminio, no nos sirve para fabricar procesadores pues es muy poco puro: tiene dos átomos de impurezas por cada 100 de silicio.

Para aumentar la pureza del silicio metalúrgico debemos realizar un proceso llamado fusión por zonas. Tal como se ve en la imagen inferior, mediante las corrientes inducidas en la barra de silicio se aumenta su temperatura hasta que se funde localmente. Las impurezas se agrupan en la zona fundida, de modo que al ir moviendo la bobina a lo largo del material nos estamos llevando las impurezas con nosotros hacia el extremo del lingote de silicio. Las zonas sobre las que no está actuando la bobina se solidifican tras su paso sin las impurezas. Repitiendo este procedimiento varias veces se logran reducir de forma notable las impurezas del silicio, pues casi todas se han amontonado en un extremo del cilindro que es cortado y desechado. Así se llegan a purezas del orden del 99,9%, e incluso más elevadas.


Ahora que vamos a pasar a trabajar con purezas más grandes, vamos a simplificar la notación. Definiremos una pureza del 99,9% simplemente como 3N. La N hace referencia a que nueve empieza por la letra ene en los principales idiomas, así que se adoptó esta notación para indicar el número de nueves de pureza de un compuesto. Así, 99,9% es 3N pues son “tres nueves” de pureza.

Volviendo a nuestro tema, 3N de pureza no es suficiente para fabricar un procesador pues implica que en un pequeño cubo de 10x10x10 átomos de silicio tenemos un átomo de oxígeno u otro elemento que se haya perdido por ahí. Destacar que este cubo realmente no existe como tal ya que el silicio tiene estructura cristalina de diamante (ver como es), pero para entenderlo cualitativamente nos vale. Esto llevado a la totalidad del bloque de silicio implica una cantidad de impurezas muy grande. Por tanto, es necesario purificar todavía más el silicio.

Para aumentar el número de nueves debemos acudir a otras reacciones químicas. Hay diferentes métodos de actuación aunque quizá el más común es el conocido como proceso Siemens. Sea cual sea el proceso se utilizan siempre compuestos de silicio, como por ejemplo el gas triclorosilano (HSiCl3) que a altas temperaturas se descompone fácilmente dando lugar a más silicio y otros compuestos gaseosos que se desechan. Esto provoca la purificación de nuestra muestra cuando se funde junto a estos gases. El resultado cuando se vuelve a solidificar es un silicio policristalino con una pureza que puede llegar a los 8N, es decir 99,999999%, o incluso más. Volviendo a nuestro cubo imaginario, esto equivaldría a una única impureza en un cubo de 1000x1000x1000 átomos de silicio.

Ahora bien, ¿qué es el silicio policristalino? ¿Nos sirve ya para hacer los procesadores? Desgraciadamente la respuesta a esta última pregunta es negativa. Aún no tenemos un silicio que nos sirva. El silicio policristalino es un silicio que, aunque en nuestro caso no posea casi impurezas, tiene muchas fases cristalinas distintas (de ahí su nombre). En la imagen inferior tenéis un ejemplo de silicio crecido mediante proceso Siemens.

Como veis, presenta muchas irregularidades, hay muchos granos. Cada grano indica una cristalización diferente. Esto es que la red cristalina que aparece en cada grano se solidifica con una orientación en el espacio distinta a las que tiene alrededor, generando una visión rugosa y granulada pues algunas propiedades físicas son distintas en cada grano. Además, las uniones entre los distintos granos, que reciben el nombre de juntas de grano, son zonas débiles ya que los átomos tienen que reorganizarse de una forma un poco forzada para que la estructura sea estable.

Imaginaos que queréis agrupar muchos cubos para hacer una montaña, pero en vez de tenerlos todos bien ordenados todos están girados un ángulo al azar. Os costaría mucho esfuerzo que una montaña hecha de cubos orientados así fuera estable, ¿verdad? Y si lo lograrais, seguro que sería algo poco estable ante cualquier toque que le dierais.

Pues bien, algo parecido es lo que le pasa al silicio policristalino. Esto da lugar a defectos en el material como desplazamientos de planos atómicos (dislocaciones) y otros fenómenos que llevan implícita la debilitación del material y su posible rotura. Y por si esto fuera poco, las propiedades eléctricas no son homogéneas lo que dificulta el movimiento de los electrones por el material, por lo que un procesador hecho de este silicio no serviría para nada.

Ahora bien, ya que las juntas de grano nos dan tantos problemas lo mejor será entonces eliminarlas directametne. ¿Y esto como se consigue? Pues a lo grande. Haciendo que todo el bloque de silicio sea un único grano, que tenga una única fase cristalina. Es lo que se conoce como silicio monocristalino.

El silicio monocristalino es el paso final antes de tener un silicio apto para la fabricación de un procesador. El proceso para formarlo es sencillo conceptualmente hablando y recibe el nombre de proceso Czochralski. Comenzamos fundiendo de nuevo en un crisol el silicio policristalino de alta pureza que teníamos antes y lo mantenemos a una temperatura ligeramente superior a su temperatura de fusión. Si no mantuviéramos esta temperatura se nos volvería a solidificar con estructura policristalina y no habríamos hecho nada.

Una vez que lo tenemos así se introduce una varilla con un pequeño trozo de silicio monocristalino que va girando lentamente, y que recibe el nombre de semilla. El silicio fundido se comienza a solidificar a su alrededor adquiriendo la misma fase cristalina que la semilla, y al ir elevando poco a poco la varilla se va creando un cilindro de silicio monocristalino que queda colgando de la misma. La imagen que acompaña a estas líneas es un ejemplo de silicio crecido así.

Este silicio monocristalino se corta posteriormente en obleas de alrededor de medio milímetro de grosor, donde se fabricarán los circuitos integrados. Mediante diferentes procesos químicos y físicos como la fotolitografía, o las deposiciones físicas o químicas de vapor se van creando por pasos los diferentes elementos de los circuitos integrados.

No vamos a hablar de ellos aquí, si no que nos vamos a centrar en un paso conocido como implantación de iones. Este proceso consiste básicamente en acelerar iones de un material e introducirlos en otro mediante un acelerador. De esta forma se logra que el silicio monocristalino de 8N de pureza sea dopado.

El dopaje de los semiconductores es un fenómeno que se realiza habitualmente que consiste en añadir elementos químicos ajenos a un material para modificar sus propiedades. La conductividad eléctrica es la principal propiedad que buscamos mejorar, logrando incluso que los semiconductores tengan la misma facilidad para conducir la electricidad que los metales. Esto es especialmente útil para la electrónica y supuso el gran boom de los dispositivos electrónicos a partir de la segunda mitad del siglo XX.

En el caso del silicio se suelen añadir átomos de fósforo o boro según se busque un dopaje tipo N o tipo P, respectivamente. El fósforo posee 5 electrones en su última capa electrónica (electrones de conducción), de modo que al añadirlo en una red de silicio estamos provocando un extra de electrones. Por tanto, el dopaje de tipo N consiste en aumentar el número de electrones de la muestra.

Sin embargo, si el elemento que añadimos es el boro, que solo posee 3 electrones de conducción, lo que estamos haciendo es provocar una falta de electrones, o lo que es igual: un aumento de los huecos. Así pues, el dopaje tipo P consiste en el aumento del número de huecos de la muestra. Puede sonar raro pero no solo se estudia el movimiento de los electrones por el material, si no que también se estudia el los huecos. Electrones y huecos pueden ser vistos de forma intuitiva como una especie de partícula y antipartícula que se aniquilan al juntarse, aunque de forma pacífica, sin provocar violentas explosiones ni liberación de
energía.

Dependiendo del uso que se le vaya a dar al semiconductor se produce un dopaje N o P con una concentración mayor o menor de impurezas. En cualquier caso, la concentración de impurezas de fósforo o boro tiene un valor relativamente pequeño, pues con pocas impurezas se consigue el efecto deseado. Para que os hagáis una idea, un silicio 5N de pureza tiene muchos más átomos ajenos que un silicio monocristalino dopado para trabajar como transistor en un procesador.

Teniendo en cuenta los dopajes adecuados se puede crear cada transistor del procesador y completar de esta forma la fabricación del mismo. Los más puristas nos dirán, no sin razón, que faltan varios pasos más para tener un procesador que pueda salir al mercado, pero solamente nos hemos centrado en los principales pasos donde la física, y en especial la física de materiales, es la protagonista.

En definitiva, el viaje del silicio desde la corteza terrestre hasta convertirse en parte de un procesador es un tortuoso proceso de fusiones, solidificaciones, purificaciones y dopajes donde pasamos de tener arena a una pieza de ingeniería avanzada como es un procesador. En el siguiente vídeo de Intel se resume todo lo que os he contado, aunque pasa bastante por alto todo el proceso de purificación del silicio en sus etapas iniciales.

[youtube]http://www.youtube.com/watch?v=aCOyq4YzBtY[/youtube]

Y para terminar una curiosidad. Hay mucha gente que piensa que los ventiladores de los ordenadores son necesarios para que no se quemen o se fundan por dentro debido al aumento de la temperatura. Pues bien, esto no es del todo cierto. Mucho antes de que se fundan los materiales que componen un ordenador se produce otro fenómeno que hace que los semiconductores como el silicio dopado dejen de funcionar: la difusión. A medida que aumenta la temperatura, y si no actúan las medidas preventivas como los ventiladores o el apagado de emergencia del ordenador, los elementos dopantes de los transistores sufren un proceso de difusión por el cual se mueven con facilidad por el semiconductor haciendo que se pierden las propiedades físicas del material. Esto podría dar lugar, por ejemplo, a que un transistor tipo N se convirtiera en uno tipo P, o viceversa, por lo que todas las operaciones lógicas del procesador dejarían de ser correctas. Es curioso lo débiles y fácilmente destruibles que son estas cosas, ¿verdad?

Si queréis saber más sobre como Intel fabrica sus procesadores, con muchas imágenes y curiosidades podéis visitar la web: http://newsroom.intel.com/docs/DOC-2476.



Por Wis_Alien, publicado el 13 diciembre, 2011
Categoría(s): Física • Ingeniería