Metodo de Las Cuatro Puntas 3

8/17/2019 Metodo de Las Cuatro Puntas 3

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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERIA (ICAI)Grado en Ingeniería Electromecánica

(Especialidad mecánica).

Síntesis de estructuras grafeno/metal/grafeno

mediante la técnica CVD y caracterización para

su posible aplicación como interconectores decircuitos integrados.

Autor: María Millán Hernández.

Director: Dr. Joaquín Darío Tutor Sánchez

Madrid

Junio 2015


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AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN ACCESO ABIERTO ( RESTRINGIDO) DE DOCUMENTACIÓN

1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.

El autor D. MARÍA MILLÁN HERNÁNDEZ, como ALUMNA de la UNIVERSIDAD PONTIFICIA

COMILLAS (COMILLAS), DECLARA

que es el titular de los derechos de propiedad intelectual, objeto de la presente cesión, en

relación con la obra de trabajo final de grado

SÍNTESIS DE ESTRUCTURASGRAFENO/MEAL/GRAFENO MEDIANTE LA TÉCNICA CVD Y CARACTERIZACIÓN PARA SU POSIBLE

APLICACIÓN COMO INTERCONECTORES DE CIRCUITOS INTEGRADOS1, que ésta es una obra

original, y que ostenta la condición de autor en el sentido que otorga la Ley de Propiedad

Intelectual como titular único o cotitular de la obra.

En caso de ser cotitular, el autor (firmante) declara asimismo que cuenta con el

consentimiento de los restantes titulares para hacer la presente cesión. En caso de previa

cesión a terceros de derechos de explotación de la obra, el autor declara que tiene la oportuna

autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta cesión o bien que retiene la

facultad de ceder estos derechos en la forma prevista en la presente cesión y así lo acredita.

2º. Objeto y fines de la cesión.

Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la

Universidad y hacer posible su utilización de forma libre y gratuita ( con las limitaciones que

más adelante se detallan) por todos los usuarios del repositorio y del portal e-ciencia, el autor

CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo

legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de

distribución, de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica,

tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación secede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente.

3º. Condiciones de la cesión.

Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de

derechos contemplada en esta licencia, el repositorio institucional podrá:

1

Especificar si es una tesis doctoral, proyecto fin de carrera, proyecto fin de Máster o cualquier otrotrabajo que deba ser objeto de evaluación académica


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(a) Transformarla para adaptarla a cualquier tecnología susceptible de incorporarla a internet;realizar adaptaciones para hacer posible la utilización de la obra en formatos electrónicos, así

como incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e incorporar “marcas de agua”

o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.

(b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica,

incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de

garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato. .

(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo abierto institucional,

accesible de modo libre y gratuito a través de internet.

2

(d) Distribuir copias electrónicas de la obra a los usuarios en un soporte digital. 3

4º. Derechos del autor.

El autor, en tanto que titular de una obra que cede con carácter no exclusivo a la Universidad

por medio de su registro en el Repositorio Institucional tiene derecho a:

a) A que la Universidad identifique claramente su nombre como el autor o propietario de los

derechos del documento.

b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través

de cualquier medio.

c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada. A tal fin deberá ponerse

en contacto con el vicerrector/a de investigación ([email protected]).

d) Autorizar expresamente a COMILLAS para, en su caso, realizar los trámites necesarios para

la obtención del ISBN.

2 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría redactado en los

siguientes términos:

(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo institucional, accesible de

modo restringido, en los términos previstos en el Reglamento del Repositorio Institucional

3 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría eliminado.


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d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceraspersonas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de

propiedad intelectual sobre ella.

5º. Deberes del autor.

El autor se compromete a:

a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún

derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.

b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a laintimidad y a la imagen de terceros.

c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que

pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e

intereses a causa de la cesión.

d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por

infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.

6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.

La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y

respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con

fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad

asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades:

a)

Deberes del repositorio Institucional:

- La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no garantiza

ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un uso posterior

de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá de la copia

privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se obtenga beneficio

comercial, y que no se realicen obras derivadas.

- La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo la

responsabilidad exclusiva del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre

del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del

depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la

Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los usuarios hagan uso

de las obras.

- La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un

futuro.


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b) Derechos que se reserva el Repositorio institucional respecto de las obras en él registradas:

- retirar la obra, previa notificación al autor, en supuestos suficientemente justificados, o en

caso de reclamaciones de terceros.

Madrid, a 12 de Junio de 2015.

ACEPTA

Fdo.: MARÍA MILLÁN HERNÁNDEZ


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Proyecto realizado por el alumno/a:

MARÍA MILLÁN HERNÁNDEZ

Fdo.: Fecha: 17 / Junio / 2015

Autorizada la entrega del proyecto cuya información no es de carácter

confidencial

EL DIRECTOR DEL PROYECTO

JOAQUÍN DARÍO TUTOR SÁNCHEZ

Fdo.: Fecha: 17 / Junio / 2015

Vº Bº del Coordinador de Proyectos

JESÚS JIMÉNEZ OCTAVIO

Fdo.: …………………… Fecha: 17 / Junio / 2015


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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERIA (ICAI)Grado en Ingeniería Electromecánica

(Especialidad mecánica). Síntesis de estructuras grafeno/metal/grafeno

mediante la técnica CVD y caracterización para

su posible aplicación como interconectores de

circuitos integrados.

Autor: María Millán Hernández.

Director: Dr. Joaquín Darío Tutor Sánchez

Madrid

Junio 2015


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SÍNTESIS DE ESTRUCTURAS GRAFENO/METAL/GRAFENOMEDIANTE LA TÉCNICA CVD Y CARACTERIZACIÓN PARA SUPOSIBLE APLICACIÓN COMO INTERCONECTORES DE CIRCUITOSINTEGRADOS.

Autor: Millán Hernández, María.

Director: Tutor Sánchez, Joaquín Darío.

Entidad colaboradora: ICAI- Universidad Pontificia de Comillas.

RESUMEN PROYECTO.

Con el descubrimiento de los materiales semiconductores en la década de 1940, comenzóel proceso de miniaturización de los dispositivos electrónicos. Este fenómeno consiste enla reducción del tamaño de estos dispositivos y fue descrita en 1965 por Gordon Moore,quien aseguró que el número de transistores en los circuitos integrados se duplica cadados años.

Esta afirmación se conoce como la Ley de Moore y sigue cumpliéndose hoy en día, sinembargo, a medida que los circuitos integrados disminuyen sus tamaños, losinterconectores aumentan su resistencia eléctrica, empeorando su rendimiento yconvirtiendo su tamaño en el factor limitante en el proceso de miniaturización.

Los interconectores son líneas que conectan los distintos componentes de un circuitointegrado y se encargan de la distribución de las señales eléctricas. Los principales

problemas y limitaciones de los interconectores son el retraso en el envío de señales, las pérdidas de energía por efecto Joule y la acumulación de calor.

Al tratarse de los elementos más abundantes en los circuitos integrados y debido a lasfunciones que desempeñan, son indispensables y su rendimiento influyesignificativamente en el rendimiento final de los circuitos integrados. Por ello, paramejorar la eficiencia de los aparatos electrónicos y poder continuar el proceso deminiaturización, es necesario solucionar los problemas y limitaciones de los

interconectores.

Las principales características deseadas en los interconectores son baja resistenciaeléctrica y alta conductividad térmica y eléctrica, ya que son los conductores de loscircuitos integrados. Por ello, cuando en la década de 1960 aparecieron los primeroscircuitos integrados, el material utilizado en los interconectores era el aluminio, y en1997 IBM introdujo la transición del aluminio al cobre, desarrollando la técnica que

permitió integrar este elemento en el proceso de fabricación de los circuitos integrados.Tan sólo la plata es mejor conductor que el cobre, pero debido a su elevado precio, su usoen electrónica está limitado, por lo que la elección de materiales para los interconectores

está realmente limitada y solucionar los problemas y mejorar la eficiencia de estoselementos pasa por mejorar las propiedades de los metales utilizados.


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En la actualidad, se están estudiando diversas posibilidades para poder continuar con el proceso de miniaturización, como la sustitución del cobre por nanotubos de carbononanohilos metálicos o estructuras grafeno/metal/grafeno obtenidas mediante la técnicaCVD, objeto de estudio de este trabajo.

Por tanto, en este proyecto, se han sintetizado estructuras grafeno/metal/grafeno mediantela técnica deposición química de vapor (CVD). Para ello, los metales elegidos fueron elcobre, que es el material que se utiliza en la actualidad en las interconexiones y el níquel,que aunque en la actualidad no es un material muy común en estos elementos, fue elegido

por tratarse de un metal magnético.

Estos metales se utilizaron como sustratos en el proceso de crecimiento de grafenomediante CVD, ya que lo que mejora las propiedades de los interconectores no es laacción propia del grafeno, si no el cambio morfológico del metal durante el proceso delcrecimiento. Al calentar el metal para llevar a cabo la deposición del grafeno mediante latécnica CVD, las paredes de la estructura cristalina se separan permitiendo que el calor

se mueva y fluya más fácilmente.

La técnica CVD es una de las más utilizadas en la producción de grafeno debido a surelación calidad/precio, a la versatilidad de los reactores utilizados y que es una técnicaque no depende de una fuente mineral para la producción del grafeno. En general, es un

proceso de síntesis en el que precursores químicos en estado gaseoso reaccionan,descomponiéndose o recombinándose, sobre o alrededor de un sustrato calentado paraformar una deposición sólida. El material sólido se obtiene como un recubrimiento ocomo polvo, mediante la deposición de átomos, moléculas o una combinación de ambos.

Una vez obtenidas las estructuras grafeno/metal/grafeno se procedió a su caracterizaciónóptica, térmica y eléctrica. También se incluyeron en esta caracterización muestrasgrafeno/plata/grafeno disponibles en el laboratorio de proyectos anteriores. En primerlugar, se realizó un análisis óptico mediante un microscopio óptico metalográfico paraevaluar cualitativamente la calidad y uniformidad del grafeno obtenido. En el cobre no seconsiguió un crecimiento de grafeno homogéneo, ya que presentaba zonas sin grafeno yzonas con grafito. Por el contrario, en la plata y el níquel se consiguió un crecimientohomogéneo. En la Figura 1 se muestran imágenes de las superficies obtenidas con elmicroscopio óptico de algunas de las muestras grafeno/metal/grafeno sintetizadas.

Figura 1: a) G+Cu+G crecido con etanol a 600ºC. b) G+Ni+G crecido con metanol a 980ºC. C) G+Ag+Gcrecido con metanol a 800ºC.

Posteriormente, se caracterizaron eléctricamente las estructuras mediante el método de

las cuatro puntas con un nanovoltímetro y una fuente de corriente. Los resultados


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mostraron una mejora de hasta un 20%, un 80% y un 90% sobre la resistividad del metalsin el grafeno del cobre, níquel y plata respectivamente en las mejores muestras.

Por otro lado, se procedió a la caracterización térmica de las muestras para determinar suconductividad térmica. Se intentó determinar mediante la técnica DSC (Calorimetría

Diferencial de Barrido) y mediante transmisión de calor por conducción en régimenestacionario, pero debido al pequeño espesor de las muestras, los resultados obtenidoscon los equipos empleados fueron erróneos, pues dichos equipos no son apropiados parala caracterización térmica de estructuras de tan poco espesor. Por ello, se recurrió a la Leyde Wiedemann-Franz, para estimar la conductividad térmica mediante la conductividadeléctrica medida, los resultados de la conductividad térmica obtenidos mediante esta ley,no están bien relacionados con los reales, pero nos pueden dar una idea del orden demagnitud de la conductividad térmica de nuestras estructuras. Con esta estimación, laconductividad térmica del níquel y de la plata aumenta en un orden de magnitud trascrecer grafeno en sus superficies.

Con estos resultados, quedan demostradas las mejoras en las propiedades de los metales,lo que justificaría el uso del grafeno en interconectores de los circuitos integrados,ofreciendo la posibilidad de reducir el tamaño en los dispositivos electrónicos. Por elloes muy importante conocer las propiedades de estas estructuras, especialmente sus

propiedades térmicas, ya que el calor ha aumentado enormemente a medida que losdispositivos electrónicos han disminuido su tamaño.

Una vez demostradas las mejoras de las propiedades físicas de los metales, lo que justificaría el uso de estas estructuras como interconectores en circuitos integrados, serealizó un pequeño estudio de viabilidad económica. Para ello, se realizó un presupuestode los ensayos de crecimiento de CVD a nivel laboratorio. Como en la actualidad no es

posible integrar el crecimiento de grafeno de CVD al proceso de fabricación de loscircuitos integrados debido a que las altas temperaturas estropearían los transistores, seconsideró el presupuesto calculado como un presupuesto parcial dentro del total de uncircuito integrado. Como resultado de este análisis, podemos concluir que el integrar latécnica CVD en el proceso de fabricación de los circuitos integrados, incrementaría su

precio, pero parece una medida necesaria para poder continuar con la miniaturización delos dispositivos electrónicos. Además, según la tendencia del precio del grafeno parece

que en un futuro el grafeno superará su principal obstáculo, el precio de producción.

Por ello, parece necesario desarrollar nuevas técnicas para poder modificar el proceso de producción de los circuitos integrados y así integrar el crecimiento de grafeno mediantela técnica CVD en este proceso para poder implementar las mejoras producidas por dicho

proceso en los metales de los interconectores. Con ello, disminuirían las pérdidas porefecto Joule, aumentando la eficiencia de los circuitos integrados, al mismo tiempo quedisminuiría el calor producido y se facilitaría la evacuación de éste hacia el exterior.

En el caso de que se consiga integrar el grafeno en los circuitos integrados, sería necesario

llevar a cabo un estudio del impacto ambiental que supondría este material. En lo referentea su proceso de producción, parece que es un proceso que no tiene impacto sobre el medio


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ambiente, sin embargo, el problema aparecería cuando los aparatos electrónicosfinalizaran su vida útil y se convirtieran en residuos, con lo que el grafeno entraría encontacto con el medio ambiente. Por ello, antes de integrar este material en cualquierdispositivo, es necesario llevar a cabo estudios para obtener datos fiables sobre los efectosde su bioacumulación y su movilidad en el medio natural.

Las estructuras sintetizadas junto con sus caracterizaciones físico-estructuralesrealizadas, nos indican que al crecer grafeno en las superficies de los metales utilizadosen los interconectores mediante la técnica CVD, los principales problemas de estoselementos, como la producción excesiva de calor y su ineficiente evacuación hacia elexterior, podrían verse reducidos. Sin embargo, para que esta medida pueda llevarse acabo y poder continuar con el proceso de miniaturización, es necesario modificar el

proceso de producción de los chips y esperar a que la tecnología CVD evolucione paraque el precio de producción de grafeno disminuya y esta medida pueda ser viableeconómicamente.


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SYNTHESIS OF GRAPHENE/METAL/GRAPHENE STRUCTURES BYCVD TECHNIQUE AND CHARACTERIZATION FOR POSSIBLEAPPLICATION AS INTERCONNECTORS OF INTEGRATEDCIRCUITS.

ABSTRACT.

With the discovery of semiconductor materials in the 1940s, the miniaturization ofelectronic devices began. This phenomenon consists in reducing the size of these devicesand was described in 1965 by Gordon Moore, who said that the number of transistors onintegrated circuits doubles every two years.

This statement is known as Moore's Law and nowadays it is still true. However, asintegrated circuits has reduced their size, interconnects have increased their electricalresistance, worsening its performance, and so their size has become in the limiting factor

of the miniaturization process.

Interconnects are the wiring in an integrated circuit that connects the transistors to oneanother and to external connections and they distribute electrical signals. The main

problems and limitations of interconnects are delayed sending signals, energy loss andheat production and buildup.

Being the most abundant elements in integrated circuits and due to its functions,interconnects are indispensable and its performance influences significantly the final

performance of integrated circuits. Therefore, to improve electronic devices’ efficiency and to continue with the miniaturization process, it is necessary to solve problems andlimitations of interconnects.

Main features desired in interconnects are low electrical resistance and high thermal andelectrical conductivity, as they are the wires of an integrated crcuit. So when in 1960appeared the first integrated circuits, the material used in interconnects was aluminum,and in 1997 IBM introduced the transition from aluminum to copper, developing thetechnique that allowed integrating this element in the manufacturing process of integratedcircuits. Only silver is a better conductor than copper, but because of its high price, itsuse in electronics is limited, so the choice of materials for interconnects is really limitedand to solve its problems and improve the efficiency of these elements is necessary to

improve the properties of the metals used.

Currently, various possibilities are being studied to continue the process ofminiaturization, as the replacement of copper by carbon nanotubes, metal nanowires orgraphene / metal / graphene structures obtained by the CVD technique, subject matter ofthis work.

Therefore, in this project, graphene/metal /graphene structures have been synthesizedthrough Chemical Vapor Deposition technique (CVD). To do this, the chosen metals werecopper, which is the material currently used in interconnections and nickel, although at

present it is not a very common material in these elements, it was chosen because it is a

magnetic metal.


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These metals were used as substrates in the process of graphene growth by CVD, sincewhat improves the properties of the interconnects is not directly linked to the graphene,otherwise metal morphological change during growth. From heating the metal to depositgraphene over the metal area, the crystal structure’s walls are separated allowing heat tomove and flow more easily.

The CVD technique is one of the most used in the production of graphene because of its price / quality ratio, the versatility of the reactors used and because it is a technique thatdoes not depend on mineral source for graphene production. In general, it is a synthesis

process in which the chemical constituents react in the vapor phase near or on a heatedsubstrate to form a solid deposit. The solid material is obtained as a powder or as acoating, by the deposition of atoms, molecules or a combination of both.

Once graphene / metal / graphene structures were obtained, these structures wereoptically, electrically and thermally characterized. Also graphene / silver / graphenestructures were included in this characterization, these samples were available in thelaboratory of previous projects. First, an optical analysis was performed using an opticalmicroscope metallographic to qualitatively assess the quality and uniformity of grapheneobtained. In copper homogeneous graphene growth was not achieved, as it presented nographene areas and areas with graphite. By contrast, in silver and nickel homogeneousgrowth was achieved. In Figure 1 surfaces obtained of some of thegraphene/metal/graphene samples synthesized are shown.

Figura 2: a) G+Cu+G gorwn with ethanol at 600ºC. b) G+Ni+G grown with methanol at 980ºC. C)G+Ag+G grown with metanol at 800ºC.

Subsequently, the structures were characterized electrically by the four corners method,with a Nanovoltmeter and a current source. Results showed an improvement of up to20%, 80% and 90% of the electrical resistivity of metal without graphene of copper,nickel and silver respectively in the best samples.

Furthermore, we proceeded to the thermal characterization of the samples to determinetheir thermal conductivity. Initially, it was attempted to determine thermal conductivity

by DSC (Differential Scanning Calorimetry) technique and by heat transfer by conductionin steady state, but due to the small thickness of the samples, the results obtained with theequipment used were wrong, because these teams are not appropriate for thermalcharacterization of such thin structures. Therefore, the Wiedemann-Franz lw was used toestimate the thermal conductivity by electrical conductivity measured. The results of thethermal conductivity obtained by this law are not well related to the actual, bu they informus of the order of magnitude of the thermal conductivity of the structures. With this


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estimate, the thermal conductivity of nickel and silver increases by an order of magnitudeafter growing graphene on their surfaces.

With these results, improvements on the metals properties are demonstrated, which would justify the use of graphene in the interconnects of integrated circuits, making it possible

to reduce the size of electronic devices. Therefore, it is very important to know the properties of these structures, especially their thermal properties, as the heat has greatlyincreased as electronic devices have decreased in size.

Once improvements in the physical properties of metals were demonstrated, which would justify the use of these structures as interconnects in integrated circuits, a small economicviability analisys was carried out. For it, a budget of CVD's graphene growth atlaboratory was developed. Since at present it is not possible to integrate graphene by CVDinto the manufacturing process of integrated circuits due to the fact that high temperatureswould spoil the transistors, the budget calculated was considered as a partial estimateinside the total budget of an integrated circuit.

For these reasons, it seems necessary to develop new techniques to modify the integratedcircuits production process and thus integrate graphene growth by CVD technique ion itto implement the improvements produced in the metal interconnects. Thereby decreaseJoule losses, increasing the efficiency of integrated circuits, while decrease heat

production and make easier heat evacuation outwards. As result of this analysis, we canconclude that to integrate the technology CVD in the manufacturing process of theintegrated circuits would increase chip price, but it looks like a necessary measure to beable to continue with the electronic devices miniaturization. In addition, according to thetrend of graphene price, it seems that in a future graphene will overcome his mainobstacle, the price of production.

In case that graphene growth by CVD manages to join in the integrated circuits, it would be necessary to carry out a study of the environmental impact that would suppose thismaterial. What concerns his process of production seems that has not impact on theenvironment, however, the problem would appear when electronics devices finished theiruseful life and become waste, so that graphene would contact with environment.Therefore, before integrating this material in any device, it is necessary to conduct studiesto obtain reliable data on the effects of graphene bioaccumulation and mobility in theenvironment.

The synthesized structures with their physical-structural characterizations, indicate thatto grow graphene through CVD technique on the metals surfaces used in theinterconnects, the main problems of these elements, such as excessive heat and itsineffecctive evacuation outwards, could be reduced. Nevertheless, in order that thismeasure could be carried out and be able to continue with the miniaturization process, itis necessary to modify the integrated circuits production process and hope that thetechnology CVD evolves in order that praphene producion price decrease and thismeasure could be economically viable.


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UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE I NGENIERÍA (ICAI)

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INDICE1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 9

1.1. Motivación del proyecto ............................................................................................. 11

1.2. Objetivos del proyecto ................................................................................................ 12

2. ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................... 13

2.1. INTERCONECTORES ..................................................................................................... 15

2.1.1 Funciones ............................................................................................................ 15

2.1.2 Tipos .................................................................................................................... 16

2.1.3 Materiales. .......................................................................................................... 17

2.1.4 Proceso de fabricación. ....................................................................................... 19

2.1.5 Propiedades y características. ............................................................................. 21

2.1.6 Problemas y limitaciones. ................................................................................... 23

2.2 ESTRUCTURAS GRAFENO-METAL-GRAFENO ............................................................... 27

2.2.1 Grafeno................................................................................................................ 27

2.2.1.1 Definición ........................................................................................................ 27

2.2.1.2 Propiedades ..................................................................................................... 29

2.2.1.3 Aplicaciones electrónicas ................................................................................ 31

2.2.1.4 Procesos de producción .................................................................................. 33

2.2.2 Técnica CVD ......................................................................................................... 38

2.2.2.1 Definición de la técnica CVD ........................................................................... 38

2.2.2.2 Evolución histórica .......................................................................................... 39

2.2.2.3 Ventajas y limitaciones .................................................................................... 40

2.2.2.4 Proceso ............................................................................................................ 41

2.2.2.4.1 Introducción .............................................................................................. 41

2.2.2.4.2 Mecanismo de crecimiento ...................................................................... 41

2.2.2.4.3 Termodinámica ......................................................................................... 42

2.2.2.4.4 Cinética de gases y transporte de masa ................................................... 43

2.2.2.4.5 Reacciones químicas y zonas de reacción ................................................. 45

2.2.2.4.6 Estructura y morfología de la deposición ................................................. 48


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2.2.2.4.7 Tipos de reactores de CVD. ....................................................................... 49

2.2.2.5 Grafeno crecido con CVD ................................................................................ 51

2.2.3 Propiedades y características .............................................................................. 53

3. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL .......................................................................................... 57

3. 1 Metodología de trabajo .............................................................................................. 59

3. 2 Síntesis de estructuras grafeno-metal-grafeno........................................................... 60

3.2.1 Equipo CVD ..................................................................................................................... 60

3.2.2 Descripción del proceso CVD utilizado ....................................................................... 62

3.2.2.1 Precursores utilizados ......................................................................................... 623.2.2.2 Sustratos metálicos utilizados ............................................................................. 63

3.2.2.3 Parámetros del crecimiento ................................................................................ 65

3.2.2.4 Etapas del proceso .............................................................................................. 66

3.3 Caracterización ................................................................................................................ 68

3.3.1 Análisis óptico ............................................................................................................ 68

3.3.2 Caracterización eléctrica ........................................................................................... 69

3.3.3 Caracterización térmica ............................................................................................. 71

3.3.3.1 Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) ........................................................... 71

3.3.3.2 Transmisión de calor por conducción en régimen estacionario. ........................ 73

3.3.3.3 Ley de la conductividad de Wiedemann-Franz ................................................... 74

3.4 Resultados ......................................................................................................................... 76

4. ANÁLISIS ECONÓMICO ............................................................................................................ 81

4.1 Presupuesto producción de grafeno técnica CVD .......................................................... 83

4.1.1 Costes de los materiales .......................................................................................... 83

4.1.3 Mano de obra directa .............................................................................................. 84

4.1.4 Coste total ................................................................................................................ 85

4.2 Valoración económica .................................................................................................... 85

5. IMPACTO AMBIENTAL ............................................................................................................. 87

5.1 Introducción ................................................................................................................... 89

5.2 Impacto ambiental de la fabricación de grafeno mediante la técnica CVD. .................. 89


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5.3 Ventajas e inconvenientes sobre el medio ambiente de interconectores con grafeno. 90

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................................. 93

6.1 Conclusiones ................................................................................................................... 956.2 Recomendaciones .......................................................................................................... 97

7. BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................................... 99

8. ANEXOS ................................................................................................................................. 103

Anexo l: Imágenes obtenidas con el microscopio Olympus ...................................................... 105


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INDICE DE FIGURAS

Figura 1: Gráfica Ley de Moore. Aumento de integración. ......................................................... 11

Figura 2: Estructura de metalización de un circuito integrado. .................................................. 15

Figura 3: Tipos de interconectores. ............................................................................................. 16

Figura 4: Gráfica resistividad eléctrica de los elementos. ........................................................... 17

Figura 5: Gráfica conductividad térmica de los elementos. ........................................................ 18

Figura 6: Pasos del proceso de fabricación interconectores de izquierda a derecha. ................ 19

Figura 7: Pasos del proceso Damasceno Dual. ............................................................................ 20

Figura 8: Gráficas Resistividad-Tamaño interconectores. ........................................................... 24

Figura 9: Formas alotrópicas del carbono. .................................................................................. 27

Figura 10: Estructura de una lámina de grafeno. ........................................................................ 27

Figura 11: Elementos grafíticos. .................................................................................................. 28

Figura 12: Hibridación y enlaces de la estructura del grafeno. ................................................... 29

Figura 13: Representación esquemática de la teoría de bandas. ............................................... 30

Figura 14: Gráfico aplicaciones del grafeno. ............................................................................... 31

Figura 15: Figura clasificación procesos de producción del grafeno. ......................................... 33

Figura 16: Proceso de exfoliación mecánica de grafito. .............................................................. 34

Figura 17: Proceso exfoliación química de grafito. ..................................................................... 35

Figura 18: Descompresión nanotubos de carbono. .................................................................... 35

Figura 19: Reducción química de óxido de grafeno. ................................................................... 36Figura 20: Crecimiento epitaxial de grafeno sobre carburo de silicio......................................... 37

Figura 21: Gráfica calidad-precio procesos de producción de grafeno. ..................................... 37

Figura 22: Esquema de reacción en el reactor de CVD. .............................................................. 38

Figura 23: Esquema etapas proceso CVD. ................................................................................... 41

Figura 24: Patrón de velocidad típico en un conducto. .............................................................. 43

Figura 25: Perfil de temperatura. ................................................................................................ 44

Figura 26: Zonas de reacción. ...................................................................................................... 46

Figura 27: Tipos de estructuras obtenidas con CVD. .................................................................. 49

Figura 28: Esquema instalación técnica CVD. ............................................................................. 49

Figura 29: Esquema borboteador................................................................................................ 50Figura 30: Gráfica difusividad y conductividad térmica de diferentes muestras de cobre de

distintos espesores: recocido y con grafeno [25]. ...................................................................... 54

Figura 31: Imágenes obtenidas con microscopio óptico y microscopio electrónico de barrido de

cobre (a y d), cobre recocido (b y e) y cobre con grafeno crecido con CVD (c y f) [25]. ............. 55

Figura 32: Equipo CVD utilizado. ................................................................................................. 60

Figura 33: Borboteador. .............................................................................................................. 60

Figura 34: Soporte de las muestras [31]. .................................................................................... 61

Figura 35: Software utilizado. ..................................................................................................... 61

Figura 36: Gráfico de tiempos, flujo de gases y temperatura de un proceso [31]. ..................... 67

Figura 37: Microscopio óptico utilizado. ..................................................................................... 68


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5

Figura 38: Esquema método de las cuatro puntas. ..................................................................... 69

Figura 39: Nanovoltímetro y fuente de corriente utilizados. ...................................................... 70

Figura 40: Mesa de cuatro puntas............................................................................................... 70

Figura 41: Pinzas de cocodrilo empleadas. ................................................................................. 71

Figura 42: Esquema técnica DSC. ................................................................................................ 71

Figura 43: Equipo DSC utilizado. ................................................................................................. 72

Figura 44: Sensor del equipo y cápsula utilizada. ....................................................................... 72

Figura 45: Diagrama DSC muestra de galio. ................................................................................ 73

Figura 46: Esquema equipo transferencia de calor por conducción. .......................................... 73

Figura 47: Gráficas de los resultados obtenidos de las muestras de cobre. ............................... 77

Figura 48: Gráficas de los resultados obtenidos de las muestras de níquel. .............................. 78

Figura 49: Gráficas de los resultados obtenidos de las muestras de plata. ................................ 79

Figura 50: Evolución anual del coste de producción del grafeno mediante la técnica CVD,

comparándolo con el precio del oro, plata, nanotubos de carbono, fibra de carbono y cobre. 86

Figura 51: Cobre recocido. ........................................................................................................ 105

Figura 52: G+Cu+G crecido con etanol a 600ºC. ....................................................................... 105

Figura 53: G+Cu+G crecido con etanol a 500ºC. ....................................................................... 105

Figura 54: G+Cu+G crecido con metanol a 900ºC. .................................................................... 105

Figura 55: G+Cu+G crecido con metanol a 400ºC. .................................................................... 105

Figura 56: G+Cu+G crecido con PMMA a 900ºC. ...................................................................... 105

Figura 57: Niquel recocido. ....................................................................................................... 106

Figura 58: G+Ni+G crecido con etanol a 980ºC. ........................................................................ 106

Figura 59: G+Ni+G crecido con metanol a 980ºC. ..................................................................... 106Figura 60: G+Ni+G crecido con PMMA a 980ºC. ....................................................................... 106

Figura 61: G+Ag+G crecida con etanol a 800ºC. ....................................................................... 107

Figura 62: G+Ag+G crecida con metanol a 800ºC. ................................................................... 107

Figura 63: G+Ag+G crecida con 1-propanol a 800ºC. ................................................................ 107


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INDICE DE TABLAS

Tabla 1: Valores de la conductividad térmica y eléctrica a temperatura ambiente del aluminio,

oro, cobre y plata. ....................................................................................................................... 18

Tabla 2: Clasificación métodos de obtención del grafeno más utilizados. ................................. 34

Tabla 3: Difusividad (α) y conductividad (K) térmica muestras de cobre. Investigación

Universidad de California. ........................................................................................................... 54

Tabla 4: Precursores utilizados.................................................................................................... 63

Tabla 5: Características sustratos metálicos utilizados en los crecimientos CVD. ...................... 64

Tabla 6: Características de los materiales empleados como sustratos. ...................................... 64

Tabla 7: Temperaturas de crecimiento del grafeno sobre cobre y níquel. ................................. 65

Tabla 8: Resumen parámetros etapas de crecimiento CVD. ....................................................... 65

Tabla 9: Resumen estructuras a caracterizar, según el sustrato, el precursor y la temperatura

de crecimiento del grafeno. ........................................................................................................ 68

Tabla 10: Resultados obtenidos, donde T es la temperatura de crecimiento del grafeno, R la

resistencia eléctrica de las muestras, ρ la resistividad eléctrica, σ la conductividad eléctrica y Ka

el valor de la conductividad obtenido según la Ley de Wiedemann-Franz. ............................... 76

Tabla 11: Resistividad y conductividad eléctrica y térmica teóricas cobre, níquel y plata. ........ 76

Tabla 12: Cantidad y precios de materias primas utilizadas en los ensayo de crecimiento de

grafeno mediante la técnica CVD. ............................................................................................... 83

Tabla 13: Coste de los materiales empleados en cada ensayo de CVD. ..................................... 84Tabla 14: Tiempo estimado por cada ensayo de crecimiento de grafeno mediante la técnica

CVD. ............................................................................................................................................. 84

Tabla 15: Determinación del coste de mano de obra directa. .................................................... 85

Tabla 16: Coste total de cada ensayo de CVD realizado. ............................................................ 85


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INDICE DE ECUACIONES

Ecuación 1: Fórmula resistencia eléctrica. .................................................................................. 21

Ecuación 2: Constante de tiempo. .............................................................................................. 23

Ecuación 3: Fórmula energía de Gibbs de una reacción. ............................................................ 42

Ecuación 4: Fórmula velocidad de transferencia de masa a través de la capa límite. ................ 45

Ecuación 5: Fórmula descomposición térmica del metano. ...................................................... 51

Ecuación 6: Ley de Ohm. ............................................................................................................. 69

Ecuación 7: Fórmula conductividad eléctrica. ............................................................................. 69

Ecuación 8: Ley de Fourier. ......................................................................................................... 74

Ecuación 9: Ley de Fourier particularizada a nuestro equipo. .................................................... 74

Ecuación 10: Ley de Wiedemann-Franz. ..................................................................................... 74

Ecuación 11: Costes de frabicación de un producto. .................................................................. 83


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1.

INTRODUCCIÓN


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1.1. Motivación del proyecto

La tendencia actual en electrónica es la miniaturización de los dispositivos para reducirsu tamaño y mejorar la potencia y rendimiento de éstos, integrando un mayor número de

componentes en un espacio menor.

Esta disminución comenzó en la década de 1940 gracias al estudio sobre el

comportamiento de los materiales semiconductores que permitieron el desarrollo de los

transistores y posteriormente de los circuitos integrados. Desde entonces, esta reducción del

tamaño ha continuado hasta llegar incluso a la escala nanométrica.

En 1965 Gordon Earl Moore, cofundador de Intel, basándose en observaciones,

aseguró que el número de transistores contenidos en un circuito integrado se duplica cada año(aunque posteriormente lo modificó a dos años). La tendencia de esta ley, se muestra en la

Figura 1, sigue cumpliéndose en la actualidad y refleja el proceso de miniaturización de los

dispositivos electrónicos Hoy en día un chip contiene miles de millones de transistores y sus

tamaños son inferiores a los 200nm.

Figura 1: Gráfica Ley de Moore. Aumento de integración.

(Fuente: Intel)

En esta carrera por la continua miniaturización, los fabricantes se han centrado en los

transistores que han mejorado su rendimiento a medida que han disminuido su tamaño al

contrario que los interconectores. Por ello, el tamaño de éstos se ha convertido en uno de los

factores limitantes en la miniaturización de los circuitos integrados.


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12

A medida que disminuye el tamaño en los interconectores, su resistencia eléctrica

aumenta enormemente, convirtiendo a estos componentes en los principales causantes del

retraso en el envío de señales, del gasto de energía y de la acumulación de calor.

Este exceso de calor en los dispositivos, causado por el movimiento de electrones que

atraviesan cada uno de los componentes del microchip, es uno de los grandes retos a los que se

enfrenta la tecnología. En el interior de un dispositivo el calor acumulado puede hacer que se

excedan los 100ºC, lo que reduce el rendimiento y la vida útil de los dispositivos. Para disipar

este calor en aparatos electrónicos, es común el uso de sistemas de refrigeración como

ventiladores o simples planchas de cobre; estas medidas no tienen cabida en el proceso de

miniaturización.

Por ello solucionar este problema pasa por mejorar las propiedades térmicas y

eléctricas de los materiales usados en los interconectores. El material más utilizado en las

interconexiones es el cobre, y muy pocos materiales son mejores conductores que éste, las

opciones son muy limitadas. Por ello una de las posibles soluciones puede estar en el grafeno,

un excelente conductor del calor y la electricidad, que permite aumentar sustancialmente la

conductividad térmica y eléctrica colocando una monocapa de grafeno sobre la superficie de un

metal.

1.2. Objetivos del proyecto

El eje principal de este proyecto es el diseño y síntesis de estructuras

grafeno/metal/grafeno que puedan ser utilizadas como interconectores en circuitos integrados.

Para ello se cuantificará la capacidad del grafeno para mejorar propiedades térmicas y eléctricas

de varios sustratos metálicos. Los pasos a seguir en el proceso experimental serán:

1. Se realizará un estudio sobre el estado del arte de los interconectores de los circuitos

integrados, los materiales utilizados y las dificultades de estos elementos.

2. Obtención de grafeno sobre distintos substratos metálicos mediante la técnica CVD

(Deposición Química de Vapor) realizando varios ensayos con distintos parámetros paraobtener grafeno lo más uniformes posibles.

3. Se llevará a cabo su análisis óptico para comprobar visualmente la existencia de grafeno en

las estructuras obtenidas.

4. Se procederá a caracterizar eléctrica y térmicamente las estructuras obtenidas para

cuantificar las mejoras de los sustratos metálicos debido a la deposición del grafeno

mediante la técnica CVD.

5. Se realizará un pequeño análisis económico a partir de los resultados obtenidos de las

estructuras construidas y un análisis del impacto ambiental, para observar las ventajas e

inconvenientes de uso de estas estructuras como interconectores en circuitos integrados.


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2. ESTADO DEL ARTE


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2.1. INTERCONECTORES

2.1.1

Funciones

La estructura de metalización es una parte fundamental para el funcionamiento de los

circuitos integrados. Se trata de una red de comunicación que sirve de cableado en un circuito

integrado conectando los transistores entre sí y con el mundo exterior.

Esta estructura se muestra en la Figura 2 y está formada por contactos, vías e

interconectores [1]:

Contactos: se tratan de los puntos de conexión que están en contacto directo con el

sustrato. Interconectores: son líneas que conectan los distintos componentes, como transistores

o resistencias. Se componen por distintas capas o niveles separados por material

dieléctrico.

Vías: son caminos para conectar dos o más niveles de interconectores. Se trata de

agujeros grabados en el material dieléctrico.

Figura 2: Estructura de metalización de un circuito integrado.

(Fuente: DoITPoMS, Dissemination of IT for the promotion of Materials Science, Universidad

de Cambridge)

Estos elementos, especialmente los interconectores, son determinantes en el

rendimiento final del dispositivo, ya que influyen en la velocidad del circuito debido a su efecto

en el retardo de transmisión de señales y de las pérdidas de consumo de energía debido al valor

de su resistencia eléctrica.

Los interconectores son los elementos encargados de la distribución de la señal de reloj

y de otras señales eléctricas que transmiten la información y de proporcionar potencia y tierra

a los distintos componentes [2].


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16

2.1.2 Tipos

Los circuitos integrados parecen estructuras planas a simple vista, sin embargo, se trata

de dispositivos tridimensionales formados por distintos niveles. Por ello, los interconectores

están compuestos por distintas capas de metal. El número de estas capas varía según la

complejidad del dispositivo y va aumentando a medida que la tecnología lo permite; hoy en día

es posible tener hasta 30 capas en un circuito integrado.

Podemos diferenciar tres tipos de interconectores según la función que realice [3]:

Interconectores de alimentación: proporcionan la corriente de consumo a cada

bloque.

Interconectores de señal: transmiten las señales eléctricas que contienen la

información para ser procesada por los distintos bloques.

Según la distancia de los elementos que conecten podemos diferenciar tres

tipos de interconectores de señal, como se muestra en la Figura 3:

Figura 3: Tipos de interconectores.

(Fuente: Krishna Sarasawat. “Scaling of Interconnections”. Universidad de Standford)

o Interconectores locales: son capas muy finas y cortas que

ocupan los primeros niveles. Se encargan de la conexión de

elementos cercanos entre sí, transistores y puertas dentro deun mismo bloque funcional. Al ser las capas de menores

dimensiones son las que mayor resistencia tienen.

o Interconectores globales: se utilizan para interconectar los

distintos bloques que forman el circuito integrado y para

distribuir señales. Ocupan las capas superiores y tienen mayor

longitud que los interconectores locales, por ello para evitar que

tengan una resistencia eléctrica muy elevada también son más

gruesos.


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17

o Cuando la complejidad del circuito implica un gran número de

capas de interconectores, se introducen niveles adicionales de

interconectores llamados intermedios o semiglobales.

Interconectores con el mundo exterior: permiten conectar el circuito integrado

con el exterior, también se denominan entradas y salidas. El número de

transistores del circuito se relaciona empíricamente con estas terminales del

encapsulado mediante la Ley de Rent.

2.1.3 Materiales.

Cuando en la década de 1960 aparecieron los primeros circuitos integrados, el materialutilizado en los interconectores era el aluminio. La elección de materiales para mejorar las

propiedades de los interconectores estaba muy limitada, ya que, como se muestra en las Figuras

4 y 5, muy pocos metales son mejores conductores que el aluminio:

Figura 4: Gráfica resistividad eléctrica de los elementos.

(Fuente: Imagen propia CES Edupack)


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18

Figura 5: Gráfica conductividad térmica de los elementos.

(Fuente: Imagen propia CES Edupack)

Metal Aluminio Oro Cobre Plata

Conductividadeléctrica[1/Ωm]

35×10 41×10 58×10 63 × 10

Conductividadtérmica [W/mK]

209 308 380 410

Tabla 1: Valores de la conductividad térmica y eléctrica a temperatura ambiente del aluminio,oro, cobre y plata.

En 1997 IBM introdujo la transición del aluminio al cobre como material empleado en

los interconectores, uno de los cambios más importantes de la fabricación de dispositivos

semiconductores. Las ventajas del cobre sobre el aluminio eran evidentes, el cobre tiene un 40%

menos resistencia eléctrica que el aluminio, sin embargo la dificultad estaba en el proceso de

fabricación de las interconexiones; el aluminio se depositaba sobre toda la oblea y

posteriormente se moldeaba por ataque con iones reactivos, lo que no funcionaba con el cobre

que difunde rápidamente sobre el silicio cambiando sus propiedades eléctricas [4].

Una vez que éste obstáculo fue superado, se consiguió reducir en un 30% el consumo

de energía, la velocidad de los dispositivos aumentó un 15% [2] y el precio de los chips disminuyo

entre un 10 y un 15%. [5]

Desde entonces el material empleado en las interconexiones de los circuitos integrados

es el cobre, ya que el uso del oro y la plata está muy limitado por su elevado coste. A pesar de

ello estos materiales se utilizan en algunos elementos de la estructura de metalización de un

circuito integrado: el oro se emplea para la conexión eléctrica entre el circuito integrado y su

encapsulado y la plata se utiliza en los contactos.


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En algunos dispositivos también es común el uso de metales refractarios, especialmente

el tungsteno, en la primera capa de los interconectores locales además de emplearse en vías y

contactos. Tienen la ventaja respecto al cobre de tener el punto de fusión muy elevado y

permiten el paso de una corriente elevada [6]. Sin embargo reaccionan con el silicio a altas

temperaturas formando fases de sílice y estropeando el dispositivo, por tanto su uso en

interconectores queda limitado a los interconectores locales.

2.1.4 Proceso de fabricación.

Un circuito integrado actual contiene unos 100km de material de interconexión, los

interconectores son los elementos más abundantes de un circuito integrado, por ello el proceso

de fabricación de los interconectores es uno de los más importantes, costosos e intensivos de lafabricación de circuitos integrados. [7]

La fabricación de un circuito integrado comienza con la obtención de un cilindro de

material semiconductor de alta pureza, el más utilizado es el silicio. Este cilindro se divide en

obleas sobre las que se fabrican varios circuitos de forma simultánea. Los chips son estructuras

en tres dimensiones y están constituidos por muchas capas de distintos materiales diseñadas de

manera detallada. Aunque cada fabricante utiliza procesos diferentes, las técnicas son similares.

La fabricación de contactos, vías e interconectores del chip es el llamado proceso de

metalización y comienza una vez que se han formado los transistores y los distintos

componentes.

Como ya hemos dicho el proceso convencional para la fabricación de interconectores

consistía en la deposición de la capa de metal y posteriormente se moldeaba esa capa para

obtener la forma deseada.

Para poder emplear el cobre como metal de interconexión, IBM desarrolló otra técnica

de fabricación de interconectores conocida como proceso Damasceno. Esta técnica consta del

mismo número de pasos que el proceso empleado hasta el momento pero cambiando el orden

de los pasos [8], como es muestra en la Figura 6:

Figura 6: Pasos del proceso de fabricación interconectores de izquierda a derecha.

(Fuente: Intel)


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Primero se deposita una capa de aislante para evitar la difusión del cobre sobre el silicio

y que cambie sus propiedades eléctricas adquiridas en los procesos anteriores de dopado. La

forma deseada para los interconectores ya está determinada según el molde prefijado en el

aislante por la técnica de fotolitografía. Una vez que se tiene esta capa protectora se deposita

la capa de metal sobre la oblea mediante galvanoplastia, deposición química de vapor (CVD),

deposición física de vapor (PVD) o fotolitografía, dependiendo del material empleado y del

fabricante. A continuación se elimina el exceso de cobre mediante un proceso de pulido.

Para reducir el número de pasos se pueden fabricar simultáneamente una capa de

interconectores con las vías adyacentes, lo que se denomina proceso Damasceno dual [2], que

se muestra en la Figura 7.

Figura 7: Pasos del proceso Damasceno Dual.

(Fuente: Advanced Energy Industries,Inc)

Por último se deposita una nueva capa de material dieléctrico y se repiten los mismos

pasos para cada uno de los niveles de interconectores. [9]


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21

2.1.5 Propiedades y características.

Según las funciones y el proceso de fabricación de los interconectores, los materialesutilizados en estos componentes deben tener unos requisitos. Aunque no todas las capas de

interconectores tendrán las mismas características y propiedades, los requerimientos

generalizados utilizados para la elección de los materiales son:

Una de las propiedades más importantes buscada en los materiales para las

interconexiones es una elevada conductividad eléctrica, con lo que se logra una

mejor circulación de la corriente eléctrica.

Los materiales deben tener baja resistencia eléctrica para minimizar el retardo

en el envío de señales y las pérdidas por efecto Joule. También es importantereducir este parámetro para reducir la caída de tensión IxR, como efecto

parásito. La resistencia depende tanto del material empleado como de la

geometría de cada interconector:

R = L

σ × A

Ecuación 1: Fórmula resistencia eléctrica.

Donde es la conductividad eléctrica del metal de interconexión, A el área que

atraviesa la corriente eléctrica y L la longitud del interconector.

El tamaño de grano influye en las dos propiedades anteriores, por ello es

importante controlarlo. A mayor tamaño de grano, mayor conductividad

eléctrica, ya que el movimiento de los electrones se ve limitado por la superficie

de los bordes de grano [10].

Como existen numerosos interconectores, aparece un acoplamiento entre ellos,

que afecta directamente a la velocidad del dispositivo. Por ello, es necesario

procurar capacitancias lo más pequeñas posibles. Como en un condensador, en

dos capas conductoras separadas por un material dieléctrico se acumula cargacuando existe diferencia de potencial entre los dos niveles de interconexión, lo

que tendrá una gran influencia en la velocidad del dispositivo. Los niveles con

mayor capacitancia son los locales ya que son los que se encuentran a menores

distancias, por lo que habrá que tener especial cuidado en el diseño de su

geometría y separación con los interconectores de otras capas y con los del

mismo nivel. Este parámetro depende de la permitividad relativa del material

dieléctrico y de la distancia de separación entre los dos niveles de interconexión

[3].


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Reducir el valor de la inductancia para evitar efectos parásitos. Al igual que la

capacidad y la resistencia, es un parámetro eléctrico que aparece

inevitablemente. Su valor depende de la forma del circuito completo, no de la

forma de cada interconector, a mayor área del circuito mayor será el valor de la

inductancia [3].

Es necesaria una evacuación de calor efectiva para evitar el calentamiento

excesivo de los dispositivos, por ello es necesario que los materiales empleados

en los interconectores tengan una conductividad térmica elevada.

El transporte de calor por conducción se lleva a cabo mediante dos mecanismos

principalmente: vibraciones atómicas y conducción de electrones libres. En los

metales principalmente se transporta el calor por la energía cinética de los

electrones libres, pero al aumentar la temperatura de trabajo de estos,aumentan las vibraciones térmicas de la red cristalina aumentando el número

de defectos puntuales y con ello disminuye la conductividad térmica [10].

Del mismo modo, la conductividad térmica disminuye con la existencia de

impurezas químicas que crean un desorden en la estructura del metal. Por ello

es importante controlar la composición de los metales empleados en los

interconectores.

Tienen que soportar elevadas temperaturas de trabajo, por ello la capacidad

calorífica tiene que ser baja.

Deben ofrecer resistencia a la electromigración.

Debido a la configuración en finas capas de los interconectores, es necesario

que los materiales empleados lo suficientemente maleables para conseguir

finas películas.

Deben ser fuertes, rígidos y resistentes a las deformaciones, tienen que poseer

un coeficiente de dilatación lineal bajo y evitar que las dimensiones de los

interconectores aumenten al aumentar su temperatura.

Los materiales empleados deben soportar los productos químicos y elevadas

temperaturas utilizados en el proceso de fabricación del circuito integrado [11].

Tiene que existir estabilidad con las capas adyacentes y permitir una buena

adhesión a ellas con uniones poco profundas [11].

Materiales de bajo coste y alta disponibilidad.


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2.1.6 Problemas y limitaciones.

El cableado que conecta los millones de transistores de un circuito integrado esimprescindibles para el funcionamiento de los dispositivos, por ello es necesario lograr un alto

rendimiento en estos componentes. Los principales problemas a los que se enfrentan estos

elementos son:

Proceso de fabricación: los interconectores forman complicadas redes de

interconexión diseñadas capa a capa que aumentan su complejidad a medida

que aumenta la complejidad del dispositivo, lo que disminuye las dimensiones,

ya que en un mismo espacio se concentran más elementos haciendo necesaria

la disminución de los interconectores y haciéndolos más propensos a los huecos,

burbujas y poros. Estos defectos son imposibles de detectar hasta que elmicrochip no está totalmente acabado y un solo error en una de las capas

supone deshacerse de ese circuito integrado.

Además debido al proceso de fabricación de los interconectores, a pesar de que

se realice una fase de pulido en cada nivel, las capas de interconexión presentan

una textura granular, lo que aumenta la resistividad del metal.

El cambio en los materiales de interconexión es todo un reto no sólo por las

exigencias de estos materiales, también por el complejo proceso de fabricación,

ya que cambiar los materiales supondría cambiar el método de fabricación

empleado.

Retraso en el envío de señales: en la actualidad los interconectores se han

convertido en la principal causa del retraso en el envío de señales, debido

principalmente al acoplamiento capacitivo de los circuitos integrados como

consecuencia de la reducción del espacio de separación entre los distintos

interconectores y a que las frecuencias de las señales utilizadas son mayores en

la actualidad [12]. Este retardo, se determina por la constante de tiempo del

modelo RC, que es el producto de la resistencia de la línea y la capacitancia entre

todos los elementos adyacentes:

= ×

Ecuación 2: Constante de tiempo.

Ambos parámetros dependen de las dimensiones de los interconectores y de los

materiales empleados (resistividad y la permitividad relativa), por lo que es

posible tener cierto control sobre estos parámetros, pero es un problema

inevitable.

Aunque el modelo RC es el más importante debido a que el acoplamiento

capacitivo es el efecto parásito que más influye, existen otros modelos como el

RL en el que también se tiene en cuenta la inductancia de la línea de


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interconexión, pero que no depende de los materiales si no de la forma del

circuito [3].

Efecto pelicular, Kelvin o skin: debido a este fenómeno, la carga en corriente

alterna circula de forma no homogénea y se concentra alrededor de la superficie

del conductor, lo que causa un incremento en su resistencia. Este efecto es

apreciable en conductores con grandes secciones, pero también puede

incrementar la resistencia de los interconectores de los circuitos integrado

debido a altas frecuencias de funcionamiento.

Consumo de potencia y disipación de calor: A medida que el número de

componentes integrados en un volumen dado ha aumentado, los

interconectores han disminuido su tamaño, tanto en longitud como grosor,aumentado enormemente su resistividad:

Figura 8: Gráficas Resistividad-Tamaño interconectores.

(Fuente: Tapan Gupta. Copper Intercnnect Technology. Springer)

Este aumento en la resistencia, reflejado en la Figura 8, supone un aumento

en las pérdidas de potencia por efecto Joule y un aumento de la temperatura delsubstrato que degrada el comportamiento del dispositivo. Por ello las exigencias de

disipación de calor efectiva en los circuitos integrados están aumentando.

Al mismo tiempo debido a este calor, se acelera la electromigración en

metales conductores. Éste proceso consiste en el arrastre y transporte de átomos

metálicos del conductor por el flujo de electrones que atraviesan los dispositivos

electrónicos. Además de por las altas temperaturas de trabajo, la electromigracióon

está causada por corrientes elevadas y por la disminución de la sección de los

conductores. Provoca muchos de los fallos en dispositivos electrónicos ya que puede

formar huecos en los interconectores interrumpiendo el envío de las señales


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eléctricas y de la corriente o acumulaciones de metal que puede crear la unión de

interconectores adyacentes.

Para solucionar este problema y disminuir la temperatura en el interior delos circuitos integrados, se utilizan como disipadores del calor placas de metal en

contacto con el chip y su propio encapsulado. Además, debido al rango de

temperaturas tan amplio en el que tienen que trabajar los dispositivos electrónicos,

los circuitos integrados deben estar sobredimensionados. Sin embargo, estas

medidas no tienen cabida en el proceso de miniaturización y son insuficientes

llegado a ciertos tamaños, por ello es necesario la innovación de los materiales

empleados en las interconexiones o la mejora de sus propiedades.

En la actualidad se están estudiando diversas posibilidades entre las que cabe destacar:

Nanotubos de carbono: Intel está estudiando la posibilidad de cambiar el cobre

por interconectores de nanotubos de carbono ya que éstos conducen la

electricidad mucho mejor que los metales.

Los nanotubos de carbono son capas de grafeno enrolladas con diámetros

nanométricos y con propiedades excepcionales entre las que cabe destacar que

son excelentes conductores de calor o que poseen conductividad eléctrica

balística, lo que significa que los electrones se mueven sin dispersión a través

de ellos. Esto los hace realmente interesantes para su uso comointerconectores y así poder continuar con la miniaturización de los dispositivos.

El mayor problema de estos elementos hasta el momento es su fabricación

uniforme en masa, ya que no todos muestran las mismas propiedades, que

dependen de su quiralidad; la disposición de los hexágonos de carbono en los

nanotubos está definida por los índices de Hamada n y m que según su valor

los nanotubos serán semiconductores o metálicos [13].

Nanocables metálicos: los nanohilos poseen gran interés como interconectores

en futuras aplicaciones nanoelectrónicas. Aún están en desarrollo debido a la

complejidad de sintetizarlos de forma controlada ya que son estructuras deunos pocos átomos de longitud y sección.

En estas estructuras será interesante el uso de metales magnéticos como el

Níquel, ya que en la nanoescala se puede aprovechar su magnetorresistencia

balística. Esta propiedad permite a estos metales variar su resistencia eléctrica

en presencia de un campo magnético [14] y [15].

Recubrimientos de metales como manganeso, cromo, cobalto o vanadio: el uso

de estas barreras aumenta la velocidad y la vida útil de los circuitos integrados,


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mientras que disminuye su consumo de energía, ya que evita la migración delos electrones hacia el exterior de los interconectores [16].

IBM ha desarrollado circuitos integrados en los que combina interconectoreseléctricos con interconectores ópticos más rápidos y eficientes, ya que utilizapulsos de luz y señales eléctricas para la comunicación y conexión en loscircuitos integrados.

Grafeno: el uso de este material en interconexiones es algo natural debido a

sus propiedades excepcionales térmicas y eléctricas. Se ha demostrado que

colocando una sola capa de grafeno sobre una lámina fina de un metal se

mejoran sustancialmente sus propiedades térmicas y eléctricas.

El objetivo de este proyecto es construir estructuras grafeno-metal-grafeno y

caracterizarlas térmica y eléctrica para demostrar experimentalmente y

cuantificar las mejoras respecto a las propiedades del metal.


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2.2 ESTRUCTURAS GRAFENO-METAL-GRAFENO

2.2.1

Grafeno

2.2.1.1 Definición

La alotropía es la propiedad de algunos elementos químicos que presentan distintas

estructuras moleculares en un mismo estado físico; la composición de estas estructuras es la

misma pero varía la forma en la que se distribuyen los átomos.

El carbono es uno de los elementos químicos más estudiados. Según las condiciones a

las que se someta, ya sea en la naturaleza o artificialmente en un laboratorio, puede presentarse

en distintos estados alotrópicos: desde grafito, uno de los materiales más blandos, hasta

diamante, de los más duros.

Figura 9: Formas alotrópicas del carbono.

El grafeno es una de estas formas alotrópicas del carbono. Se trata de una estructura

nanométrica cuasibidimensional, que consiste en una lámina extremadamente delgada, tan sólo

de un átomo de espesor, en la que los átomos de carbono se encuentran organizados en un

patrón hexagonal similar a un panal de abejas, como se muestra en la Figura 10. Los átomos de

carbono están entrelazados por enlaces covalentes muy fuertes, basados en la hibridación sp2.

Figura 10: Estructura de una lámina de grafeno.(Fuente: El grafeno. Propiedades y Aplicaciones. Patentes y marcas. Madri+d)


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Este material se hizo famoso en 2010 cuando sus descubridores Andre Geim y

Konstantine Novoselov obtuvieron el Premio Nobel de Física. Aunque se conocía su existencia

teórica desde la década de 1990, no fue sintetizado y estudiado hasta 2004, ya que hasta ese

momento se pensaba que una lámina de carbono de un átomo de espesor no podía existir,

debido a la inestabilidad termodinámica al separar las capas.

Geim y Novoselov obtuvieron el grafeno de una forma muy sencilla: separaron láminas

de grafito con sólo cinta adhesiva, atraparon una oblea de grafito entre dos caras adhesivas de

la cinta y repitieron de forma iterada esta operación hasta el material de la cinta quedó

translúcido, obteniendo así la primera monocapa de grafeno. Una vez que aislaron el grafeno

lo depositaron sobre una superficie de óxido de silicio y analizaron el producto resultante,

acabando con las dudas sobre su estabilidad.

El grafeno es la unidad estructural básica del resto los elementos grafíticos de las demás

dimensiones como se muestra en la Figura 11.

Figura 11: Elementos grafíticos.

(Fuente: A.K. Geim y K.S. Novoselov. “The rise of graphene”.Nature Maerials. Vol 6. Marzo

2007. Nature Publishing Group).

Además es la estructura más bidimensional que existe, y el único elemento formado por

una sola capa de átomos que ha sido sintetizado y estudiado en detalle, lo que permitió

demostrar que es un material estable, acabando con la idea de que las fluctuaciones térmicas,

que hasta el momento se pensaba que se causarían un desplazamiento de los átomos formando

una estructura tridimensional.


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2.2.1.2 Propiedades

Debido a su estructura, el grafeno tiene unas propiedades mecánicas, eléctricas,

térmicas y químicas excepcionales, convirtiéndole en un material único. Estas propiedadesdependen del número de capas que tenga, así podemos diferenciar tres tipos de grafeno:

monocapa, bicapa y grafeno de 3 a 10 capas. A pesar de que las propiedades difieran según esta

clasificación, hay propiedades comunes propias de cualquier tipo de grafeno:

Como ya se ha mencionado, los enlaces covalentes del grafeno están basados en la

hibridación sp2, lo que significa que los orbitales 2s, 2px y 2py se fusionan resultando tres

orbitales en sp2, que forman enlaces covalentes simples (σ) con tres átomos de carbono

adyacentes, y un orbital pz sin hibridar y perpendicular a los otros tres, que forman los

enlaces π.

Figura 12: Hibridación y enlaces de la estructura del grafeno.(Fuente: Christian Rield, Epitaxial Graphene on Silicon Carbide Surfaces: Growth,

Characterization, Doping and Hydrogen intercalation).

Los enlaces son enlaces fuertes, se encuentran a muy poca distancia y son los

responsables de las excepcionales propiedades mecánicas del grafeno. Por otro lado los

enlaces π son enlaces débiles y son los responsables de las propiedades electrónicas del

material.

Destaca por poseer pocos defectos, aunque puede mostrar algunas imperfecciones

como presentar anillos pentagonales y heptagonales en lugar de los hexagonales. Estosdefectos e impurezas afectan a todas las propiedades del grafeno.

En cuanto a las propiedades químicas cabe destacar su posibilidad de reaccionar con

otras sustancias para formar nuevos materiales con diferentes y nuevas propiedades.

Muestra una rigidez excepcional al mismo tiempo de poder expandirse más que

cualquier material cristalino. Puede estirarse de forma reversible hasta un 10% de su

tamaño original, cuando la mayoría de solidos dejan de ser estables para deformaciones

inferiores al 3%. [17]

Enlaces π Enlaces


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Es un material realmente duro y resistente a la vez de presentar una gran flexibilidad,

es muy maleable.

A pesar de ser el material más duro encontrado, es muy ligero, el papel es

aproximadamente mil veces más pesado que él. [17]

Una monocapa de grafeno presenta una transparencia casi completa debido a que

posee una transmitancia óptica alrededor del 98% [18].

Presenta una elevada densidad, lo que le hace un material impermeable para líquidos y

gases, excepto para el agua.

Una de las propiedades más interesantes para este proyecto y que hace del grafeno unmaterial realmente atractivo, está relacionada con su elevada conductividad eléctrica,

ya que el grafeno es un material situado entre el conjunto de los conductores y el de los

semiconductores. Esto se debe a la configuración de las bandas de energía del grafeno,

las cuales adoptan una forma de cono en este material y no paraboloides como en los

materiales conductores, semiconductores y aislantes.

El nivel de Fermi es el nivel e

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