ciencia e industria una relación compleja, difícil y...
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Ciencia e Industria una relación compleja, difícil y necesaria: El caso de un
físico en la industria de los Semiconductores Dr. Carlos Beitia, Ingeniero de aplicaciones, División de capas finas y superficies (FAST), KLA-Tencor
Corp. 38240 Meylan, FRANCE
En el contexto actual de post-industrialización y de globalización de la economía. ¿Cual es
el papel de la física en la industria? ¿Qué áreas y temas de trabajo puede tener un físico en el mundo industrial?
Esta ponencia trata de dar algunos elementos de repuestas a estas preguntas a partir de mi experiencia en la industria de los semiconductores.
Primero que nada es indispensable discutir de una manera general la relación industria-ciencia. Esto con el propósito de recordar las relaciones complejas que ligan los dos por intermedio de la tecnología. Tal que escribía Abraham Feodorovich Yoffe, físico ruso en 1931 en el II congreso internacional de Historia de la Ciencia: “Entre la física y la industria existe una relación muy estrecha. De hecho, todas las formas de industria no son sino diversas secciones de la física o de la química aplicadas y explotadas a gran escala. Pero también es cierto que muchos de los conceptos de la física han sido descubiertos como resultado de la consideración de problemas técnicos.” [1]. Así veremos que la esta relación del trinomio ciencia, tecnología e industria puede crear y crea oportunidades de trabajo para un físico.
Un ejemplo palpable de esta relación simbiótica mutualista lo representa en las últimas décadas las tecnologías de la industria de la microelectrónica y la física. Tratare de ilustrar con ejemplos las interacciones entre ellas. También veremos que el contexto económico en que ellas evolucionan es conducido por la explosión de las tecnologías de la información y de la comunicación en los últimos años [2].
En este sentido, es adecuado preguntarse ¿Qué diferencia un físico que trabaja en la industria con respecto a uno que trabaja en el área académica y/o de investigación pura?
En primer lugar está la finalidad de su trabajo en el contexto económico-industrial. En la industria de semiconductores un físico es pagado para desarrollar, sostener y controlar los procesos o equipos de fabricación de dispositivos electrónicos para la venta.
En segundo lugar el grado de estudio de un problema o un fenómeno dado depende directamente del grado de utilización de los resultados para realizar beneficios o mantener la competitividad de la industria en el contexto económico del momento.
Las diferencias anteriores marcan dos puntos importantes en el trabajo de un físico en la industria, su área de trabajo y la extensión de sus proyectos.
Áreas como la investigación y desarrollo de proceso, la caracterización y evaluación de nuevos materiales así como su integración en el proceso y finalmente el control de calidad son posibles espacios de trabajo para un físico.
La programación y las fechas de los proyectos deben estar alineadas con las fechas y necesidades de la producción. Las cuales a su turno dependen del contexto económico mundial de la industria y su mercado.
Al final veremos que el mundo industrial representa un ambiente de trabajo excitante y lleno de desafíos en el cual un físico puede muy bien ocupar un puesto privilegiado para ejercer su profesión. Todo es una cuestión de selección ya que al final Física es Física sea esta aplicada o pura. [1] Física y tecnología, Abraham Feodorovich Yoffe, 1931 Londres. [2] 90 nm & 65 nm CMOS Technology Workshop, Arun Chatterjee, Junio 2005 France KLA-Tencor Corporation.
II Congreso Nacional de Física 30 de julio al 3 de agosto de 2007
Universidad de Panamá
La FLa Fíísica para el desarrollo cientsica para el desarrollo cientíífico y tecnolfico y tecnolóógico de la gico de la Sociedad panameSociedad panameññaa
Física e IndustriaCarlos Beitia
AgendaCiencia – Tecnología – Industria – en la historia y en el contexto económico
La Industria un lugar de trabajo para un físico ?
La Industria del Semiconductor: Economía
Tecnología plana de Circuitos Integrados (CI) de transistores micro y nano CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor)
Metrología en la industria del semiconductor, hoy en día y tendencias futuras
Metrología un sector en el que un físico puede contribuir !!
Ciencia – Tecnología – Industria -Economía
Industria – tecnología - ciencia
� Toda tecnología esta basada sobre un conocimiento � El conocimiento proviene de la ciencia aplicada� La economía exige innovación en el contexto mundial de competencia
en la productividad
ciencia(Física) Industria
Tecnología
Economía
Innovación
Evolución histórica del PIB mundial
0
5 000 000
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0 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500 1650 1800 1950
Año
PIB
(Int
erna
cion
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olla
rs)
1ra Revolución industrial
Economía – Industria – Ciencia y Tecnología
Época Romana Invasiones BárbarasEsplendor OrientalY Árabe
Edad Media
Renacim
iento
A. Maddison, The Contours of the World Economy 1-2030 AD, Oxford University Press, 2007.
Evolución histórica del PIB mundial
0
5 000 000
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1700 1720 1740 1760 1780 1800 1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000
Año
PIB
(Int
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cion
al D
olla
rs)
1ra Revolución industrial:Termodinámica(maquina de vapor - impacto en el transporte, la industria minera y textil)
2da Revolución industrial:Electricidad y magnetismo((Alumbrado eléctrico , motor eléctrico y distribución de energía por CA)
3ra Revolución industria La Era Digital:Física del Estado Solidó-QuánticaTele-comunicación, AeroespacialNano-tecnologías
Importante Salto Tecnológico:Física del Estado Solidó – Física Nuclear(Nace la microelectrónica con el circuito integrado)Primeras centrales nucleares
Economía – Industria – Física y Tecnología
Emergencia de una economía basada en el conocimiento !! “Know why” y “know how”
La Industria un lugar de trabajo para un Físico ?
Economía – Industria – Física y Tecnología
Industrias invierten mas en I&D
Existe un real mercado de trabajo !
OECD Factbook 2007: Economic, Environmental and Social Statistics –ISBN 92-64-02946-X - © OECD 2007Third European Report en Science and Technology indicators 2003
Gastos en I&D en porcentaje del PIB en diferentes paises del Mundo
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
1981
1983
1985
1987
1989
1991
1993
1995
1997
1999
2001
2003
Año
% P
IB
AustriaFranceGermanyIrelandJapanUnited StatesChina
Economía – ciencia y tecnología� Vivimos en una transición de una economía industrial
basada en el trabajo manual, en la posesión de materia primas e inversiones concretas a una economía industrial basada en la creación, difusión y explotación del conocimiento
� La competitividad de una industria pasa por la innovación tecnológica de sus medios de producción así como de sus productos
� La Industria NECESITA invertir en Investigación en desarrollo
� Mercado de trabajo para los Físicos !!
La industria : Un puesto para un físico ?
� Estructura de una industria Moderna y cantidad de oportunidades de empleo de un físico en dicha estructura
Industria o Corporación X
Dirección y Administración
Ventas y Mercadeo
Producción y soporte cliente
Desarrollo de Productos
Investigación
1
2
3
La Industria: Diferencia en el ambiente de trabajode un físico
� Completamente Orientado Cliente
� Interés de Proyectos medido en beneficios económicos (a corto o mediano plazo) directamente para la industria o para sus clientes
� Planificación de proyectos al igual que su ejecución esta influenciada de una manera importante por el contexto económico competitivo
La Industria Del SemiconductorEconomía
La Industria del Semiconductor� Una idea de la escala e integración
90nm&65nm CMOS Technology Workshop, Arun Chatterjee, KLA-Tencor Corp.
La Industria del Semiconductor: Actuales factores motores� La tendencia en la era digital en la industria y por consecuente
de su tecnología será:
Alta densidad de Transistores/ Si Área:-- Bajo Costo/Transistor-- Integración de mas funciones
Integración de mas funciones a bajoCosto Convergencia en los equiposelectrónicos finales
La Industria del Semiconductor� Producción en masa de dispositivos semiconductores
� ActoresFabricantes de Substratos Fabricantes de CIFabricantes de foto-mascaraFabricantes de equipos de proceso y controlCentros de Investigaciones
� Clientes Industria AutomovilísticaIndustria AeroespacialIndustria de equipos y accesorios DigitalIndustria de Instrumentación y “Test”…
� Altamente tecnología orientadaInnovación tecnológica es CRUCIAL para mantener su COMPETIVIDAD !!
� Tecnología “Drivers”Bajo costo/transistor (Miniaturización « Ultra large Scalated Integration »)Convergencia de Productos (integración de funciones)Mercados emergentes (Países en vía de desarrollo y Consumidores de alta tecnología)
Industria de Semiconductores: Actores importantes
Fabricantes CI…
Fabricantes de Wafers…
Fabricantes de Foto-mascaras …
Fabricantes de Equipos deProceso y Control …
Industria del Semiconductor
Todos logos de las compañías aquí presentes son marcas registradas como tal pertenece a dichas compañías. Son utilizadas aquí como ilustración educativas sin ningún propósito de lucro.
El Ciclo de vida de un nodo tecnológico :Todos los sectores de la industria están altamente influenciados por este ciclo
La Tecnología plana de fabricación de CI
La Industria del Semiconductor: El transistor de estado sólido el ladrillo de base
Como funciona un transistor de estado sólido
Si dopé P
N N
Puerta
Oxido de puerta
Fuente Drenador
Vg
Canal de conducción
Vdd
OFF
ON
Tecnología plana de Circuitos integrados CMOS ejemplo fabricación de un transistor
Microchip Fabrication, a practical guide to Semiconductor processingPeter Van Zant 4th Edition, McGraw-Hill 2000
Oxidación
Foto-litografía
Deposición
Foto-litografía
Difusión e implantación iónica
Metalización
Foto-litografíaGrabado
Grabado
Oxidación
Introducción a conceptos básicos a la tecnología plana de Circuitos integrados
-Juego de mascaraFotográfica con los diferentes nivelesdel CI
Substrato Silicio cristalino o SOI (Siliconon Insulator)(otros para aplicaciones particulares)
-200 y 300 mmMas Corrientes
Oxidación
Foto-litografía
Grabado
Difusión e implantación iónica
Deposición
Metalización
Pruebas Finales
Empaquetado-Corte y empaquetado de CI en Cerámica o plástico
-Problemas tecnológicos
-1) Medición Caracte-rización de nuevos materiales
-2) Control y clasificación de defectos
3) Integración en los procesos stds
4) Contaminación
5) Litografía UV avanzada
6) Simulación
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Metrología en la industria del semiconductor
KLA-Tencor: Líder mundial en el control y mejora de procesos en la industria del semiconductor
� Sectores de desarrollo y competitividadAnálisis y mejoramiento de rendimientoMedida, Clasificación y análisis de DefectosMetrologia y control de procesos de capas finas e interfacesDesarrollo de software en simulación y análisis de proceso
� La metrologia es un gran desafió en el futuro de la industria del semiconductor en los próximos años, porque:
Interacción sonda-objeto debido a las dimensiones del objeto de medidaNuevas propiedades necesitan ser medidas en el contexto de I&D opeor aun en el contexto mas restringido de producción
Tendencias y necesidades de la industria del semiconductor
� No se puede controlar lo que no se puede: Detectar, medir, analizar, clasificar y correlacionar.� Una gran apertura de expectativas de desarrollo en el que un físico puede jugar un papel importante
!!
Eléctricas
Elementales
Estructurales
Físicas
Capacitancia, Resistividad, Foto-Voltaje de SuperficieCorrientes y voltaje TúnelDensidad de estados de interfacesEspesor Equivalente Eléctrico
Análisis esteqiométrico, % Elemental, perfil de composición(En línea y en tiempo real – In Situ)
Forma y talla de dispositivosDetección y clasificación automática de defectos
Talla y distribución de porosEspesor FísicoStress global y local (micro y nano)
SPV, Corona Charge Oxide Semiconductor, EELSResistometro a 4 puntas
XPS, SIMMS, HRSIMMS
XRF, Auger
Escaterometria
AFM, STM, NSOM
TEM, SEM
Ellipsometria
FTIR, XRR
Raman
CaracterísticasMagnitudes
Físicas Tecnología
Desarrollo, mejoramiento y control de proceso: Que tipo de metrologia
� Metrologia necesaria depende de la finalidad y de la etapa del proceso concernida
� Investigación:Caracterización de nuevos materiales y nuevas propiedades (inicio del ciclo de vida del producto)
� Desarrollo de proceso:Completo desarrollo y calificación de un proceso antes de entrar en la fase de puede requerir caracterización de materiales (Puesta en producción del producto)
� ProducciónPuramente control y monitoreo de la producción(Maduración del producto máxima capacidad productiva)
Conclusiones
� La economía global actual basada en el conocimiento impone a las industrias una real inversión en I&D para innovar
� Las innovaciones tecnológicas son necesarias para mantener la competitividad en el mercado
� En este contexto los físicos pueden contribuir al desarrollo industrial y encontrar posibilidades del trabajo en el mundo industrial
� La metrologia en la Industria del semiconductor llena de retos yproblemas de motivación para un físico ! Excitante !
� El ambiente de trabajo es mas arriesgado en la seguridad del empleo pero vale la pena !