Corte de lingotes semiconductores

Corte de obleas semiconductoras

Giovanni Marín                             Publicado el 26/09/2019

Saludos estimados amigos de las comunidades STEM-Espanol y steemSTEM. En esta ocasión quiero compartir con ustedes un tema muy relevante para la caracterización de materiales, pues se trata de la etapa inicial de tratamiento de los lingotes obtenidos del proceso de síntesis o crecimiento de semiconductores.

Me refiero al corte del lingote en obleas o discos de diferentes espesores según el tipo de caracterización óptica, eléctrica o estructural, ya que cada una de ellas requiere de una forma geométrica en específico.

Para el estudio de semiconductores y la producción de dispositivos electrónicos, el corte de los materiales semiconductores se realiza en dos etapas:  

1) El lingote se corta en placas u obleas

2) Las obleas se cortan en piezas de forma cuadrada o rectangular.

Nuestro Laboratorio cuenta con una cortadora  de disco de diamante marca Buehler, modelo IsoMet® Low Speed Saw, como se observa en la figura anterior.  Otros fabricantes disponen de cortadoras de hilo de diamante y se refiere en ambos casos a pequeñas partículas de diamante adheridas al disco o alambre.

Índice de contenidos

Accesorios y piezas para el corte

Procedimiento para el corte del lingote

Tipos de cortes

Accesorios y piezas para el corte

Antes de proceder al corte de cualquier material semiconductor, asegúrese de tener disponible las siguientes piezas y accesorios:

Discos de diamante: Constituye la pieza de corte con incrustaciones de pequeños trozos de diamante que facilitan el corte de materiales según su dureza, tamaño espesor de la muestra a estudiar. Según los requerimientos para la caracterización del semiconductor se puede seleccionar el disco de la siguiente lista:

 Diámetro                         Espesor            N° catálogo

53" (127mm)              0.0203" (0.5mm)      11-4215

33" (76mm)                0.0063" (0.15mm)    11-4243

53" (127mm)              0.0153" (0.4mm)      11-4245

Fluido refrigerante: Su viscosidad permite la fluidez del disco de corte a través del material. Si la velocidad de corte es alta y la dureza del material también, entonces serviría como refrigerante y disminuir el calentamiento por fricción. El fluido más adecuado y ampliamente usado en el corte es: IsoCut® Fluid (0.95 litros) 11-1193-032.

Accesorios para sujetar al material: Pesas, bases y piezas para sujetar cualquier configuración de la muestra, también cera de abeja que se usa para fijar la muestra sobre el vidrio portaobjeto, como se observa en la siguiente imagen:

Implementos para la limpieza: Después del corte se debe trabajar con una muestra libre de impurezas, tales como la cera de abeja y otras sustancias orgánicas. Las soluciones químicas ideales para la limpieza son el Cloroformo y la acetona que eliminan estas impurezas.

Implementos de seguridad: No está demás cuidar nuestra integridad física, por lo que es recomendable el uso de los siguientes implementos: bata de laboratorio, lentes de seguridad, guantes de látex, máscara para gases, pinzas metálicas y campana de extracción de gases.

¿Es importante mostrar este procedimiento tan simple?

Si deseamos conocer de primera mano la metodología para la caracterización de materiales semiconductores resultaría muy apropiado comenzar a familiarizarnos con los métodos de síntesis y con el lingote obtenido. El primer contacto es la realización de los diferentes cortes en formas de discos, obleas, paralelepípedos o cualquier estructura geométrica que permitiría la fabricación de un dispositivo optoelectrónico.

Procedimiento para el corte del lingote

Anteriormente se realizaba una separación de los planos de crecimiento del semiconductor mediante el proceso de clivaje, donde se producía una fisura del semiconductor. Posteriormente se fabricaron equipos de corte de lingotes para facilitar la caracterización óptica y eléctrica, ya que el seccionado del semiconductor se realizaba en los diferentes planos cristalográficos según el estudio a realizar.

Verificamos que la cortadora tenga instalados todos sus accesorios para que cumplan las funciones:

a) Disco de corte: Montar el disco de 76 mm de diámetro y 0.15 mm de espesor para un corte muy fino y ahorro del material a cortar. Si se trata de un material de alta dureza (ferroso o cerámica) se debe utilizar otro disco de corte (Buehler 11-4245).

b) Fluido refrigerante: Llenar el depósito con el fluido hasta un nivel que moje la zona del disco que contiene las inclusiones de diamante.

c) Pesas: Colocar la de menor peso. Se pueden agregar más pesas según la dureza del material.

d) Contrapeso: Para facilitar el corte, se debe montar el contrapeso suministrado por el fabricante.

Para el montaje del material a cortar, se debe:

Encender el plato caliente “Felisa” en la escala de "15". Aquí se estabiliza a la temperatura de 60 °C en 35 minutos.

Montar el vidrio porta muestra y colocar la cera de abeja. Esta se funde a partir de 40 °C en 5 segundos.

Sujetar el material a cortar con una pinza metálica y colocarla sobre la cera fundida. 

Usar un “cautin” caliente para derretir más cera de abeja sobre el lingote, de manera que debajo de la punta del lingote haya cera para sostener la oblea que se corte en esta zona

  Retirar el vidrio de la plancha para que cristalice la cera y montarlo sobre el accesorio de sujeción de muestras que suministra el fabricante. Esto se instala en la cortadora, teniendo cuidado de no doblar el disco.

Se recomienda colocar la velocidad de corte en “slow” y dependiendo si la dureza es mayor se puede aumentar la velocidad de corte “high”.

 Alinear el lingote con el disco para realizar los cortes paralelos a este.

Se ha convenido realizar los cortes en el lingote del semiconductor comenzando desde la “cola” (zona más gruesa) hacia la “punta” (zona más delgada).  Se etiquetan como primer corte (C1), segundo corte (C2), etc.

Usar el disco de 0.3 mm (Buehler 11-4245) para realizar los cortes del lingote y obtener las obleas.

Usar el disco de 0.15 mm (Buehler 11-4243) para hacer el seccionado de cada oblea

El espesor de cada oblea varía entre 1.0 mm y 1.5 mm. Se debe tomar en cuenta el espesor del disco para sumarlo a cada corte. Para realizar el ajuste en el espesor se utiliza el tornillo micrométrico que dispone la cortadora.

Cada 2 vueltas del tambor del tornillo micrométrico equivalen a 0.05 pulgadas = 1.27 mm

Tipos de cortes del lingote

Al cortar el lingote en varias obleas, cada una de ellas se destinará a las diferentes caracterizaciones del material semiconductor.

El seccionado de cada oblea debe realizarse de tal manera que se pueda usar el cuadrado de área máxima inscrita dentro de cada oblea o circunferencia, cuyo lado estará dado por:

Se ha convenido realizar el seccionado de cada oblea llevando la siguiente relación:

Procedimiento de limpieza de la cortadora

Desmontar el vidrio con la muestra cortada y colocarla en el plato caliente para fundir la cera.

Utilice la pinza y retire una por una cada oblea.  

¡NO MEZCLE LAS OBLEAS CORTADAS!

TRABAJE CON LA CAMPANA EXTRACTORA 

DE GASES ENCENDIDA

Coloque cada oblea dentro de un beaker contentivo de cloroformo para eliminar los restos de la cera de abeja. Se obtienen mejores resultados si se realiza una limpieza ultrasónica de las obleas.

Para eliminar los residuos del disolvente “cloroformo”, cada oblea se lava con agua destilada y finalmente con acetona.

Se debe colocar cada oblea en un envase para muestras por separado, teniendo cuidado en etiquetarlas como se menciona en el manual “Codificación de muestras”.

Se recomienda filtrar el fluido refrigerante periódicamente (cada tres sesiones de corte), usando un embudo, papel de filtro y un beaker.

Estimados amigos de la comunidad STEM-Espanol. espero que este artículo les sirva de guía para la planificación de cortes de materiales y su uso en la caracterización de sus propiedades. Algunos de los tips señalados aquí pueden facilitar la preparación de muestras, pero más importante para mí es dar a conocer todos los detalles de los tópicos relacionados con mi pasión, los Semiconductores.

Todas las imágenes mostradas aquí fueron tomadas en el laboratorio donde llevé a cabo investigación relacionada con los prototipos de celdas solares.

Las referencias que puedo indicar son las relacionadas con la empresa fabricante Buehler, ya que el manejo, aplicaciones y mantenimiento de este tipo de cortadora de disco de diamante serán aprendidas durante el uso de la misma.

No duden en comentar esta publicación si desean conocer o ampliar detalles de la misma.