La Ingeniería Química y la microelectrónica

En estos últimos años se ha incrementado la posibilidad de usar grandes sets de datos, ya sea para recolectar y almacenar los datos para su procesamiento posterior (big data), o para procesarlos y obtener información “oculta” entre los datos colectados. Esta posibilidad de procesar data nunca antes almacenada requiere de la producción de hardware cada vez más avanzado. ¿Qué tiene que ver esto con la ingeniería química? Mucho, pues el desarrollo de nuevas generaciones de procesadores, memorias, discos duros, entre otros, requieren de una optimización progresiva de los métodos de fabricación de sus componentes. Estos métodos migraron desde ser meramente físicos hasta ser completamente químicos, como mostraremos a continuación.

Un circuito integrado puede definirse, de manera sencilla, como un arreglo de materiales en dimensiones nanométricas, donde cada material cumple una función específica. Puede ser, por ejemplo, un semiconductor base, un conductor, un dieléctrico, etc. Inicialmente, la manera más sencilla de fabricar un circuito era evaporando un material (en estado sólido originalmente), y los átomos evaporados se impregnaban (adscorbían) sobre el circuito en construcción. Este método es denominado colectivamente deposición física de vapor (PVD, physical vapor deposition) y tiene una limitación: no puede generar capas uniformes en estructuras complejas o de pequeño tamaño. Esto se muestra esquemáticamente en la Figura 1. La solución a este problema fue cambiar un proceso físico (evaporación + adsorción) por un proceso químico, lo que dio origen a la deposición química de vapor (CVD, chemical vapor deposition). Aquí, se usaban moléculas en fase gas que podían adsorberse sobre superficies de alta complejidad. Estas moléculas podían descomponerse térmicamente para originar el material esperado. Por ejemplo, para formar el material dieléctico dióxido de hafnio (HfO2), se pueden usar compuestos metalorgánicos (moléculas de centro metálico y ligandos orgánicos), tal como el Hf[O-C(CH3)3]4. Cuando esta molécula se adsorbe sobre una superficie, puede descomponerse térmicamente y generar capas de HfO2, aunque probablemente con carbón como impurezas. Debido al gran impacto que tienen las impurezas en las propiedades eléctricas de un material, se buscó otro método para crecer materiales, el cual se basa en adición capa por capa de átomos. Este método, llamado deposición atómica de capas (ALD, atomic layer deposition), garantiza un crecimiento homogéneo de un material y con una alta pureza. Estos tres métodos se muestran esquemáticamente en la Figura 1.

Figura 1. Métodos para la deposición de películas delgadas en microelectrónica. 
En la deposición física de vapor (PVD) el crecimiento de los materiales deseados no
es homogéneo, pues depende de la dirección de los átomos que serán depositados. 
En la deposición química de vapor (CVD) se logra mayor uniformidad durante el cre-
cimiento de un material, pero existe una alta probabilidad de introducción de impu-
rezas. En la deposición atómica de capas (ALD) se construye un material a través de 
reacciones secuenciales, donde se van colocando los átomos deseados y eliminando
los indeseados paso a paso. Creación propia. 

El profesional capacitado para desarrollar un proceso químico en escala industrial es, como ya lo sabemos, el ingeniero químico. Para cada nuevo método de fabricación se necesita planear una secuencia de operaciones y procedimientos que funcionen en escala de producción. La reacción química que permite la formación de los materiales depositados poseen una cinética y una termodinámica que debe ser entendida para encontrar los rangos de trabajo adecuados de presión y temperatura. Los procesos de fabricación de dispositivos electrónicos requieren un control en los procesos de transferencia de calor para que se mantengan las temperaturas deseadas durante reacción. Los gases que ingresan a la cámara de fabricación (ya sean los que llevan los componentes deseados o los gases de arrastre de los mismos) deben ser cuidadosamente introducidos y los productos eficientemente eliminados para evitar la formación de impurezas. Estos procesos son, finalmente, evaluados por medio de protocolos de control de calidad y enmarcados en una política de seguridad laboral y ambiental. Es por esto que empresas como Intel, Apple, AMD, IBM y otras contratan regularmente ingenieros químicos. Quizás otras carreras puedan desaparecer en esta llamada era de la información. La ingeniería química se vuelve cada vez más importante en la fabricación de los componentes que permiten el avance digital. En una siguiente entrega, hablaremos del rol del ingeniero químico en la producción de baterías.  

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