Lección 13.1Micro y nanoCapítulo 13 · Micro y nanofabricación

Crecimiento de cristales por el método Czochralski (obleas de silicio)

Extrae lentamente de un baño fundido un cristal único gigante de silicio

El crecimiento Czochralski (se dice «cho-JRAL-ski») produce un cristal único gigante de silicio: una pieza sólida en la que cada átomo está en la misma red perfecta. Se sumerge una pequeña semilla en silicio fundido y se tira de ella hacia arriba muy despacio, y el silicio se solidifica sobre ella. Cortados en discos finos llamados obleas, estos cristales son la base de casi todos los chips de ordenador y de muchas células solares.

Foto: ArticCynda, CC0, vía Wikimedia Commons

Extractor de cristales Czochralski en sección · 6 pasosLos números en círculo corresponden a los pasos de abajo. El panel superior es un corte del horno (el extractor); el panel inferior muestra el cristal terminado.

Cómo funciona

Funde el silicio. Trozos de silicio ultrapuro se funden en un crisol de cuarzo (un recipiente resistente al calor) a unos 1.420 °C. También se añade una pizca medida de boro o fósforo (un dopante, que determina cómo conduce la electricidad el silicio), y gas argón mantiene el aire lejos del baño.
Sumerge la semilla. Un pequeño cristal semilla, cortado para que su red atómica apunte en una dirección elegida, se baja hasta que justo toca el baño. Los átomos de silicio se solidifican sobre él y copian su red.
Estira un cuello fino. Primero se tira de la semilla rápidamente, formando un cuello de solo unos milímetros de ancho. Los defectos (dislocaciones, fallos en la red atómica) salen por el cuello en lugar de propagarse al cristal.
Crece el hombro y el cuerpo. El tiro se ralentiza, así que el cristal se ensancha en un cono (el hombro) y luego crece a diámetro completo, normalmente de 200 o 300 mm. La semilla y el crisol giran en sentidos opuestos para mantener uniforme el baño, y el cristal sube a aproximadamente un milímetro por minuto.
Estrecha la cola y enfría. Al final, el diámetro se reduce en un cono para que el cristal salga del baño sin un choque térmico (un cambio brusco de temperatura que dañaría su red). El cristal terminado, llamado lingote, se saca y se enfría despacio.
Rectifica y corta. El lingote se rectifica hasta un cilindro exacto y se le hace una muesca que marca la dirección del cristal. Un hilo recubierto de diamante lo corta en obleas de menos de 1 mm de espesor, que luego se pulen hasta un acabado de espejo.

Datos clave

Materiales: Sobre todo silicio; también germanio y algunos cristales de óxido para láseres y óptica
Piezas típicas: Lingotes cilíndricos (también llamados boules), cortados en obleas
Tamaño de pieza: Normalmente de 200–300 mm de diámetro, de hasta unos 2 m de largo y varios cientos de kg
Precisión: Una única red atómica continua sin dislocaciones; diámetro mantenido en torno a un milímetro antes de rectificar; obleas terminadas planas hasta aproximadamente un micrómetro (una milésima de milímetro)
Acabado superficial: Tal como crece: gris metálico brillante con ligeras crestas a lo largo; las obleas terminadas se pulen como un espejo
Tamaño de lote adecuado: Producción en masa: cada extractor hace crecer un lingote cada vez, día y noche
Coste de utillaje y máquina: Un extractor cuesta del orden de un millón de dólares; el crisol de cuarzo es un consumible, que se cambia tras uno o unos pocos lingotes
Velocidad: Aproximadamente 1 mm de cristal por minuto, así que un lingote tarda un día o más

Ventajas y límites

Ventajas

Cristales únicos enormes y casi perfectos
El dopado exacto fija el comportamiento eléctrico
Maduro y muy automatizado, hasta obleas de 300 mm
El punto de partida estándar para los chips y muchas células solares

Límites

El oxígeno del crisol de cuarzo se disuelve en el silicio
Lento: un lingote puede tardar días
Consume mucha energía y gasta crisoles
El nivel de dopante varía de un extremo del lingote al otro

Dónde se usa

ElectrónicaProcesadores y chips de memoria, fabricados en obleas de 300 mm
Energía solarCélulas solares monocristalinas
Electrónica de potenciaTransistores de potencia y diodos en cargadores, coches y trenes
Sensores y MEMS (máquinas diminutas grabadas en silicio)Sensores de imagen de cámaras de móvil, sensores de movimiento (acelerómetros)
Óptica y láseresGermanio para óptica infrarroja, cristales láser como el Nd:YAG

Cómo reconocerlo

En su mayor parte, no se puede. El cristal acaba invisible dentro de cada chip: un pequeño cuadrado cortado de una oblea, sellado en un encapsulado negro en la placa de circuito de tu móvil o portátil.
Paneles solares. Las células monocristalinas se ven de un color oscuro uniforme, sin dibujo de escamas, y a menudo tienen las esquinas ligeramente cortadas: se cuadraron a partir de un lingote redondo.
Obleas sin procesar. Un disco gris como un espejo, normalmente con una pequeña muesca o plano en el borde que marca la dirección del cristal.
Los lingotes enteros, en fotos de fábricas o en museos, parecen balas grises gigantes con ligeras crestas rectas a lo largo que revelan la red interna del cristal.

Compáralo con

Colada de monocristales1.8también hace crecer un cristal a partir de una semilla, pero solidifica una pieza metálica con forma dentro de un molde en vez de extraer un cilindro libre.Epitaxia de haces moleculares13.3añade nuevas capas de cristal sobre una oblea terminada, unos pocos átomos cada vez, en lugar de hacer crecer el cristal masivo.Fotolitografía13.2el paso siguiente para la mayoría de las obleas: imprimirles los dibujos del circuito.

Míralo

Linton Crystal Technologies · Sembrado, estrechamiento y extracción, animados dentro de un extractor

Intel · Dónde encaja el lingote en el camino de la arena al chip terminado

Linton Crystal Technologies · Extractores de cristal reales y lingotes terminados en una fábrica

Linton Crystal Technologies · Cómo se corta un lingote en obleas

Ver fotos reales

Wikipedia: Método Czochralski — ilustraciones del proceso y fotos de lingotes de silicio
Búsqueda de fotos en Wikimedia Commons

Recuerda

Una semilla extraída lentamente del silicio fundido se convierte en un cristal impecable de hasta unos 2 m de largo.
Un cuello fino, una extracción lenta, giros opuestos y gas argón mantienen ese cristal perfecto y limpio.
Casi todos los chips y muchas células solares empiezan como una rebanada de uno de esos lingotes.