Bienvenidos al mundo de la tecnología: Nuevos materiales III- El silicio

El silicio es uno de los materiales mas abundantes en la naturaleza, lo encontramos haciendo parte de la arena, con la cual desde la antigüedad fue usado para hacer vidrio, cerámicas y otros usos, La moderna industria lo usa hoy por sus propiedades semiconductoras por la cual es muy apreciado en electrónica y como base para hacer microprocesadores. Es desde esta ultima utilidad en donde intentaremos enfocarnos para ver todas las propiedades y usos que tiene este metal y de qué manera ha revolucionado la generación de nuevos dispositivos.

Qué es el silicio?

El silicio forma parte de los elementos denominados metaloides o semimetales. Este tipo de elementos tienen propiedades intermedias entre metales y no metales. En cuanto a su conductividad eléctrica, este tipo de materiales al que pertenece el silicio, son semiconductores.

El estado del silicio en su forma natural es sólido (no magnético). El silicio es un elemento químico de aspecto gris oscuro azulado y pertenece al grupo de los metaloides. El número atómico del silicio es 14. El símbolo químico del silicio es Si. El punto de fusión del silicio es de 16,7 grados Kelvin o de 1413,85 grados celsius o grados centígrados. El punto de ebullición del silicio es de 31,3 grados Kelvin o de 2899,85 grados celsius o grados centígrados. [1]

El nombre Silicio deriva del latín silex (pedernal). Los compuestos del silíceo fueron ya de gran importancia en la prehistoria Las herramientas y las armas hechas de pedernal; una de las variedades del dióxido de silicio fueron los primeros utensilios del hombre Aunque Davy creyó que la sílice no era un elemento, no pudo descomponerlo. En 1823 Berzelius obtuvo silicio amorfo al hacer reaccionar tetrafluoruro de silicio sobre potasio fundido. Al lavar el producto con agua, obtuvo un polvo pardo que era silicio amorfo.

El silicio, a diferencia del carbono, no existe libre en la naturaleza. Como dióxido se encuentra en varias formas de cuarzo: Cristal de roca, Amatista, Cuarzo ahumado, Cuarzo rosa, y cuarzo lechoso. La arena es en gran parte dióxido de silicio (sílice). El ópalo es una variedad hidratada de cuarzo. La mayoría de las rocas corrientes, salvo calizas o dolomitas, contiene silicio: por ejemplo, el feldespato Si₃O₈KAl; el asbesto (SiO₃)₄Mg₃Ca; la mica (SiO₄)3H₂KAl₃; etc.

El silicio amorfo es un polvo pardo, mas activo químicamente que la variedad cristalina. Se une con el flúor a temperaturas ordinarias, y con oxigeno, cloro, bromo, azufre, nitrógeno, carbono y boro a temperaturas progresivamente mas altas.

Con ciertos metales, el silicio se combina formando siliciuros, por ejemplo Mg₂Si.

El silicio cristalino puede obtenerse en masas aciculares cristalizando el elemento de su disolución en Aluminio fundido. Los cristales son bastante duros para rayar el vidrio. Ambas clases de Silicio funden a unos 1500ºC. [2]

Características del silicio

Sus propiedades son intermedias entre las del carbono y el germanio. En forma cristalina es muy duro y poco soluble y presenta un brillo metálico y color grisáceo. Aunque es un elemento relativamente inerte y resiste la acción de la mayoría de los ácidos, reacciona con los halógenos y álcalis diluidos. El silicio transmite más del 95% de las longitudes de onda de la radiación infrarroja.

Se prepara en forma de polvo amarillo pardo o de cristales negros-grisáceos. Se obtiene calentando sílice, o dióxido de silicio (SiO₂), con un agente reductor, como carbono o magnesio, en un horno eléctrico. El silicio cristalino tiene una dureza de 7, suficiente para rayar el vidrio, de dureza de 5 a 7. El silicio tiene un punto de fusión de 1.411 °C, un punto de ebullición de 2.355 °C y una densidad relativa de 2,33(g/ml). Su masa atómica es 28,086 u(unidad de masa atómica).

Se disuelve en ácido fluorhídrico formando el gas tetrafluoruro de silicio, SiF₄ (ver flúor), y es atacado por los ácidos nítrico, clorhídrico y sulfúrico, aunque el dióxido de silicio formado inhibe la reacción. También se disuelve en hidróxido de sodio, formando silicato de sodio y gas hidrógeno. A temperaturas ordinarias el silicio no es atacado por el aire, pero a temperaturas elevadas reacciona con el oxígeno formando una capa de sílice que impide que continúe la reacción. A altas temperaturas reacciona también con nitrógeno y cloro formando nitruro de silicio y cloruro de silicio, respectivamente.

El silicio constituye un 28% de la corteza terrestre. No existe en estado libre, sino que se encuentra en forma de dióxido de silicio y de silicatos complejos. Los minerales que contienen silicio constituyen cerca del 40% de todos los minerales comunes, incluyendo más del 90% de los minerales que forman rocas volcánicas. El mineral cuarzo, sus variedades (cornalina, crisoprasa, ónice, pedernal y jaspe) y los minerales cristobalita y tridimita son las formas cristalinas del silicio existentes en la naturaleza. El dióxido de silicio es el componente principal de la arena. Los silicatos (en concreto los de aluminio, calcio y magnesio) son los componentes principales de las arcillas, el suelo y las rocas, en forma de feldespatos, anfíboles, piroxenos, micas y ceolitas, y de piedras semipreciosas como el olivino, granate, zircón,topacio y turmalina. [3]

Usos del silicio en la industria

Se utiliza en aleaciones, en la preparación de las siliconas, en la industria de la cerámica técnica y, debido a que es un material semiconductor muy abundante, tiene un interés especial en la industria electrónica y microelectrónica como material básico para la creación de obleas o chips que se pueden implantar en transistores, pilas solares y una gran variedad de circuitos electrónicos. El silicio es un elemento vital en numerosas industrias. El dióxido de silicio (arena y arcilla) es un importante constituyente del hormigón y los ladrillos, y se emplea en la producción de cemento portland. Por sus propiedades semiconductoras se usa en la fabricación de transistores, células solares y todo tipo de dispositivos semiconductores; por esta razón se conoce como Silicon Valley (Valle del Silicio) a la región de California en la que concentran numerosas empresas del sector de la electrónica y la informática. Otros importantes usos del silicio son:
* Como material refractario, se usa en cerámicas, vidriados y esmaltados.
* Como elemento fertilizante en forma de mineral primario rico en silicio, para la agricultura.
* Como elemento de aleación en fundiciones.
* Fabricación de vidrio para ventanas y aislantes.
* El carburo de silicio es uno de los abrasivos más importantes.
* Se usa en láseres para obtener una luz con una longitud de onda de 456 nm.
* La silicona se usa en medicina en implantes de seno y lentes de contacto.
Se utiliza en la industria del acero como componente de las aleaciones de silicio-acero. Para fabricar el acero, se desoxida el acero fundido añadiéndole pequeñas cantidades de silicio; el acero común contiene menos de un 0,30 % de silicio. El acero de silicio, que contiene de 2,5 a 4% de silicio, se usa para fabricar los núcleos de los transformadores eléctricos, pues la aleación presenta baja histéresis (ver Magnetismo). [4]

Cómo se fabrica un microchip?

Los microchips son circuitos integrados, actualmente utilizados como base para equipos electrónicos y ordenadores. Los podemos encontrar en cualquier tipo de aparatos, ya que pueden albergar circuitos eléctricos completos en un espacio bastante reducido. Dichos circuitos se crean mediante la técnica de fotolitografía y son protegidos por una capa de plástico o cerámica.

Una forma de conocer cómo se fabrican estas pequeñas pastillas es recorriendo el camino de elaboración de los microchips de los procesadores Intel. La base sobre la que se construyen es de dióxido de silicio (SiO2), elemento que se encuentra en la arena, la cuarcita o el cuarzo, y componente principal de los semiconductores. El silicio es refinado hasta alcanzar un grado de pureza adecuado para su transformación en productos electrónicos -el silicio de grado electrónico contiene un átomo de impureza por cada mil millones de átomos de silicio- y se funde en lingotes con forma de cilindro, de 30 cm de diámetro y 100 kilos de peso.
Elaboración:
1- Rebanadas: El lingote es cortando en discos individuales de 1mm de espesor llamado wafers (oblea, galleta en inglés), que luego son pulidos hasta que la superficie esté libre de cualquier rayón y sea reflejante.
2- Forrado y marcado: Sobre el wafer se aplica una película de resina y se traza un patrón por medio de la fotolitografía. A continuación, se mejoran sus propiedades conductivas mediante el bombardeo de iones, que se adhieren a la superficie, y se recubre con varias capas de metal dieléctrico para mejorar su desempeño. Luego, se agrega una capa final de fotorresistencia, se cubre con una mascarilla y se expone a la luz ultravioleta. Ésta marcará, a manera de esténcil, las conexiones que deberá tener la arquitectura interna del microchip.
3- Grabado: La superficie de la oblea es lavada con solventes para dejar libres las pistas con dieléctrico. Luego de aplicar una capa de material aislante, se deja espacio para agujeros que serán rellenados con cobre para formar las conexiones (en cada milímetro cuadrado de microchip puede haber hasta un millón de transistores). Para eso las obleas o wafer son bañadas con una solución de sulfato de cobre (SCu): los iones de cobre se adhieren al transistor por medio de galvanoplastia, formando una capa delgada.
4- Conectado: Cuando se completa el "chip en bruto", se hacen las conexiones entre los transistores de acuerdo a la arquitectura paneada.
5- Cortado: Una vez terminadas las conexiones, las obleas son enviadas al centro de pruebas. Después de terminar su nivel funcional, son cortadas en piezas individuales y se extraen una por una. La superficie de un microchip varía de pocos milímetros cuadrados a 350, es decir no mas de 18 milímetros de lado.
6- Armado: El micropocesador de una CPU contiene varios tipos de microchips, de acuerdo a las distintas funciones que deberán desempeñar, ensamblados un una única pieza. [5]