En el suelo, por todo el planeta, la arena está constituida fundamentalmente de sílica u óxido de silicio (IV). También conocido como cuarzo, en su forma cristalina. Por supuesto, el proceso para pasar de esta arena:
a tener una oblea de silicio:
hay un interesante proceso químico por medio que no es del todo trivial. Pero primero, pongámonos un poco en antecedentes.
¿Qué es el silicio y por qué es importante en electrónica?
Un tercio del peso de la corteza terrestre es debido al silicio. Es el segundo elemento más abundante en ella después del oxígeno.
En la naturaleza, el silicio se compone en un 92.2% de Silicio 28, 4.7% de Silicio 29 y 3.1% de Silicio 30, todos ellos estables. El silicio puro es un semi-metal y sus propiedades son similares a las del germanio, siendo su característica de semiconductor la que más interesante lo hace para la fabricación de circuitos electrónicos. Pero de eso hablaremos más adelante. En la corteza terrestre, el silicio representa un 27.7% del total de elementos, solo por detrás del oxígeno (que es un 46.6%) y por delante del aluminio (un 8.13%).
Por sus características químicas el silicio es capaz de formar compuestos con 64 de los 96 elementos estables aunque los más frecuentes son con el oxígeno, hidrógeno y carbono.
En esta forma, el dióxido de silicio, presenta propiedades muy interesantes. El cuarzo es piezoeléctrico, es decir, produce una diferencia de potencial eléctrica al aplicarle una tensión mecánica y viceversa. Además, se da la circunstancia de que si la tensión que se le aplica es alterna el cristal de cuarzo es capaz de resonar con el campo eléctrico y oscila de acuerdo a la frecuencia de éste con una precisión extraordinaria. Esto fue lo que permitió desarrollar el reloj de cuarzo que siendo más sencillo era más preciso que los demás contemporáneos a su desarrollo en los años 60 cuando se consiguió fabricar el primer reloj de cuarzo de pulsera, 40 años más tarde de la fabricación del primero.
La estructura atómica del silicio es lo que lo hace tan interesante por poder combinarse con multitud de otros elementos para formar compuestos. De acuerdo con el modelo de capas, el silicio posee 4 electrones en su última capa. Los elementos tienden, según la regla empírica conocida como “regla del octeto” a tener 8 electrones en su última capa a fin de alcanzar la mayor estabilidad posible.
Como tiene 4 electrones en su última capa puede tanto ganarlos como perderlos en enlaces químicos con otros elementos, de ahí que pueda combinarse con tantos de ellos.
Aunque tiene muchas otras aplicaciones, como por ejemplo formando parte del vidrio, cerámica y también de polímeros más complejos como la silicona aquí vamos a hablar de su comportamiento como semiconductor.
Un semiconductor es un material que se comporta como dieléctrico a la temperatura del cero absoluto, es decir, no tiene electrones libres que puedan hacer que circule la corriente eléctrica pero que sin embargo a temperaturas más elevadas la agitación térmica permite que algunos electrones se liberen y circulen con libertad entre la red cristalina. No hay tantos electrones libres, ni mucho menos, como hay en un metal y por tratarse de un caso intermedio se le llama semiconductor.
Los semiconductores se pueden “dopar” con sustancias químicas que añadan electrones libres o los quiten, dependiendo de la aplicación en particular. Esto permite fabricar multitud de dispositivos electrónicos.
El silicio es un semiconductor intrínseco. Es decir, no necesita impurezas para ser semiconductor. históricamente fue utilizado después del germanio, que era mucho más caro de obtener.
¿Cómo se produce el cristal de silicio?
Pues bien, para poder obtener el silicio apropiado para fabricar materiales electrónicos hace falta un proceso químico que permita obtener a partir de la arena de silicio un silicio muy purificado y hacerlo crecer en la forma apropiada para trabajar con él.
El inventor del proceso que se utiliza para hacer crecer monocristales de silicio fue el químico polaco Jan Czochralski en 1916. Lo descubrió, según cuentan, por accidente. Supuestamente se equivocó al dejar su pluma en un crisol de estaño fundido en vez de en el tintero y al sacarla observó que de la punta de la pluma colgaba un hilo de metal solidificado. Con este método primitivo era capaz de generar filamentos de un milímetro de grosor y de más de un metro de longitud.
El proceso se perfeccionó cuando en los años 50 los Laboratorios Bell lo emplearon para hacer crecer monocristales de germanio. Era cuestión de tiempo que se empleara con otros semiconductores, como el silicio.
El esquema es el siguiente:
- Se dispone un contenedor con silicio altamente purificado (más de un 99.9999%) en polvo, con las impurezas.
- Se introduce una “semilla” en el silicio fundido, lo cual sucede a unos 1500ºC.
- Se genera el monocristal a partir de la semilla, que rota, creando un lingote cilíndrico.
El esquema, en imagen es así:
La semilla es una pequeña muestra de monocristal de silicio que se coloca sobre una sonda, que va a rotar. Esta parte es clave puesto que tal como sea la semilla así será el monocristal que crezca a partir de ella. Una vez se introduce en el crisol de silicio fundido se va elevando muy lentamente mientras rota, a la vez que se va formando el monocristal a partir de la punta.
Después de este proceso perfeccionado en la actualidad se habrá obtenido un monocristal cilíndrico de entre 200-300 mm de diámetro (aunque se espera alcanzar los 400 mm en el futuro) y hasta dos metros de longitud.
Finalmente con el monocristal enfriado se puede proceder a su laminado en obleas de 100 a 300 micras de grosor si son, por ejemplo, para fabricar paneles solares. Si se emplean en circuitería una vez fabricada la oblea, sobre ésta se puede imprimir el circuito deseado. La impresión de los circuitos puede hacerse por deposición química.
Y finalmente os dejo con un video sobre el proceso de Czochralski,
y este otro extraído de un documental de Discovery Channel sobre cómo se hacen los paneles solares. ¿Podéis adivinarlo? 
Referencias:
- Silicon, en Chemical Elements.
- Silicio, en Lenntech.
- Czochralski process, en Wikipedia.org.
- Czochralski Process, en The Image.
- Czochralski Process, en Top Alternative Energy Sources.
- Single Crystal Growing for Wafer Production, en Siliconfareast.
- Semiconductors – Materials Processing, en Harvard.
- Wafer (electronics), en Wikipedia.org.
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