Exposición de la oblea durante el proceso litográfico. Fuente: UPC.
Un equipo de investigadores del Centro de Investigación en Nanoingeniería (CRnE) y del Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad Politécnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC) han encontrado la manera de fabricar obleas de silicio cristalino delgadas de una manera más económica y rápida. Los resultados de esta investigación se han publicado recientemente en la versión on line de la revista científica de referencia Applied Physics Letters.
Las obleas de cristal de silicio delgadas —del orden de 10 µm (micras, una millonésima parte de un metro) — son muy caras y buscadas en el ámbito de la microelectrónica, especialmente en la integración tridimensional (3D) de microchips, un mercado en plena expansión.
El material también tiene un potencial de aplicación a medio plazo en el campo fotovoltaico, convirtiendo la luz solar en electricidad y abriendo un nuevo camino a la producción de celulas solares más económicas, flexibles y de menor peso.
Durante los últimos años, señala la nota de prensa de la UPC, se han desarrollado técnicas para obtener obleas cristalinas de silicio cada vez más delgadas a partir de lingotes cilíndricos monocristalinos. A partir de estos lingotes, se cortan las obleas y para ello se utiliza habitualmente una sierra multihilo, impregnada de un material abrasivo.
El grosor mínimo que se obtiene para este procedimiento es de 150 µm. Para obtener obleas más delgadas, la cosa se complica y los métodos existentes sólo permiten obtener una oblea cada vez, siendo necesario repetir todo el proceso para conseguir una segunda oblea. En el proceso se llega a perder hasta el 50% del material.
Ahora, la tecnología desarrollada por los investigadores de la UPC —dirigidos por el profesor Ramón Alcubilla — permite producir un gran número de capas cristalinas con un grosor controlado, a partir de una única oblea de silicio cristalino en un sólo paso, fabricando lo que viene a ser un mil hojas de silicio cristalino.
Esto resulta más eficiente, ya que hace el proceso más rápido y abarata costes. El equipo de investigadores que ha participado en el trabajo lo forman también David Hernández, Trifon Trifonov y Moisés Garín.
La metodología que proponen los científicos del CRnE se basa en realizar pequeños poros dentro del material durante el proceso y someterlo a alta temperatura. Los investigadores han demostrado que controlando cuidadosamente el perfil de estos poros es posible obtener múltiples capas cristalinas de silicio separadas entre ellas.
A través de una precisa modulación del diámetro del poro, se puede controlar tanto el número de capas de silicio como su grosor. De esta manera se consigue un mil hojas de obleas de silicio y las diferentes capas (hojas de milhojas) se separan después por exfoliación.
El número resultante de capas de silicio viene determinado únicamente por el grosor inicial de la oblea y por el grosor de las capas. Los investigadores de la UPC han conseguido crear hasta 10 obleas finas (de 5-7 µm de grosor) a partir de una sola oblea de 300 µm de grosor.
Las obleas de cristal de silicio delgadas —del orden de 10 µm (micras, una millonésima parte de un metro) — son muy caras y buscadas en el ámbito de la microelectrónica, especialmente en la integración tridimensional (3D) de microchips, un mercado en plena expansión.
El material también tiene un potencial de aplicación a medio plazo en el campo fotovoltaico, convirtiendo la luz solar en electricidad y abriendo un nuevo camino a la producción de celulas solares más económicas, flexibles y de menor peso.
Durante los últimos años, señala la nota de prensa de la UPC, se han desarrollado técnicas para obtener obleas cristalinas de silicio cada vez más delgadas a partir de lingotes cilíndricos monocristalinos. A partir de estos lingotes, se cortan las obleas y para ello se utiliza habitualmente una sierra multihilo, impregnada de un material abrasivo.
El grosor mínimo que se obtiene para este procedimiento es de 150 µm. Para obtener obleas más delgadas, la cosa se complica y los métodos existentes sólo permiten obtener una oblea cada vez, siendo necesario repetir todo el proceso para conseguir una segunda oblea. En el proceso se llega a perder hasta el 50% del material.
Ahora, la tecnología desarrollada por los investigadores de la UPC —dirigidos por el profesor Ramón Alcubilla — permite producir un gran número de capas cristalinas con un grosor controlado, a partir de una única oblea de silicio cristalino en un sólo paso, fabricando lo que viene a ser un mil hojas de silicio cristalino.
Esto resulta más eficiente, ya que hace el proceso más rápido y abarata costes. El equipo de investigadores que ha participado en el trabajo lo forman también David Hernández, Trifon Trifonov y Moisés Garín.
La metodología que proponen los científicos del CRnE se basa en realizar pequeños poros dentro del material durante el proceso y someterlo a alta temperatura. Los investigadores han demostrado que controlando cuidadosamente el perfil de estos poros es posible obtener múltiples capas cristalinas de silicio separadas entre ellas.
A través de una precisa modulación del diámetro del poro, se puede controlar tanto el número de capas de silicio como su grosor. De esta manera se consigue un mil hojas de obleas de silicio y las diferentes capas (hojas de milhojas) se separan después por exfoliación.
El número resultante de capas de silicio viene determinado únicamente por el grosor inicial de la oblea y por el grosor de las capas. Los investigadores de la UPC han conseguido crear hasta 10 obleas finas (de 5-7 µm de grosor) a partir de una sola oblea de 300 µm de grosor.
Una demanda creciente
La demanda de obleas de silicio cristalino delgado y ultradelgado se está incrementando debido a la integración tridimensional de circuitos, donde se pretende integrar microsistemas electromecánicos (MEMS) con microchips convencionales y también por las posibilidades de aplicación que ofrece en la tecnología fotovoltaica de nueva generación.
En el proceso de obtención de células solares, por ejemplo, los procesos de corte de las obleas se han ido mejorando.
De cara a reducir el coste de fabricación de las células solares se ha ido disminuyendo el grosor de las obleas, manteniendo la eficiencia (se ha pasado de un grosor de 350 µm en los años 90 a 180 µm en la actualidad), pero ya es complicado conseguir reducciones más grandes.
Se ha demostrado que, aún teniendo grosores inferiores, las obleas mantienen una alta capacidad de absorción de la energía solar y de conversión en electricidad. Esta nueva investigación de la UPC abre, pues, un nuevo camino para la industria.
La demanda de obleas de silicio cristalino delgado y ultradelgado se está incrementando debido a la integración tridimensional de circuitos, donde se pretende integrar microsistemas electromecánicos (MEMS) con microchips convencionales y también por las posibilidades de aplicación que ofrece en la tecnología fotovoltaica de nueva generación.
En el proceso de obtención de células solares, por ejemplo, los procesos de corte de las obleas se han ido mejorando.
De cara a reducir el coste de fabricación de las células solares se ha ido disminuyendo el grosor de las obleas, manteniendo la eficiencia (se ha pasado de un grosor de 350 µm en los años 90 a 180 µm en la actualidad), pero ya es complicado conseguir reducciones más grandes.
Se ha demostrado que, aún teniendo grosores inferiores, las obleas mantienen una alta capacidad de absorción de la energía solar y de conversión en electricidad. Esta nueva investigación de la UPC abre, pues, un nuevo camino para la industria.
Referencia bibliográfica:
David Hernández, Trifon Trifonov, Moisés Garín, y Ramón Alcubilla. Silicon millefeuille”: From a silicon wafer to multiple thin crystalline films in a single step. Appl. Phys. Lett. (2013). DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4803009.
David Hernández, Trifon Trifonov, Moisés Garín, y Ramón Alcubilla. Silicon millefeuille”: From a silicon wafer to multiple thin crystalline films in a single step. Appl. Phys. Lett. (2013). DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4803009.