Kiselwafers är gjorda av en enda kristall av mycket rent kisel, vanligtvis med mindre än en del per miljard av föroreningar. Czochralski-processen är den vanligaste metoden för att bilda stora kristaller av denna renhet, vilket innebär att man drar en frökristall från smält kisel, allmänt känd som en smälta. Frökristallen formas sedan till ett cylindriskt göt som kallas en boule.
Element som bor och fosfor kan tillsättas till boulen i exakta mängder för att kontrollera waferns elektriska egenskaper, vanligtvis i syfte att göra den till en n-typ eller p-typ halvledare. Boulen skärs sedan i tunna skivor med en trådsåg även känd som en wafersåg. De skurna skivorna kan vara polerade i varierande grad.
Vad används en silikonwafer till?
En kiselwafer är en tunn skiva kristallint kisel som vanligtvis används inom elektronikindustrin. Kisel används för detta ändamål eftersom det är en halvledare, vilket betyder att det varken är en stark ledare eller stark isolator av elektricitet. Dess naturliga överflöd och andra egenskaper gör i allmänhet att kisel är att föredra framför andra halvledare såsom germanium för att göra wafers.
De vanligaste måtten på kiselskivor beror på deras tillämpning. Skivorna som används i IC är runda med diametrar som vanligtvis sträcker sig från 100 till 300 millimeter (mm). Tjockleken ökar i allmänhet med diametern och ligger vanligtvis i intervallet 525 till 775 mikron (μm). Skivorna i solceller är vanligtvis fyrkantiga med sidor som mäter 100 till 200 mm. Deras tjocklek är mellan 200 och 300 μm, även om detta förväntas standardiseras till 160 μm inom en snar framtid.
Integrerade kretsar
En IC, även känd som ett mikrochip eller bara ett chip, är en uppsättning elektroniska kretsar satta i ett substrat av halvledande material. Monokristallint kisel är för närvarande det vanligaste substratet för IC, även om galliumarsenid används i vissa applikationer såsom trådlösa kommunikationsenheter. Wafers gjorda av kisel-germanium-legeringar blir också mer allmänt använda, vanligtvis i applikationer där den högre hastigheten av kisel-germanium är värt den högre kostnaden.
IC:er används för närvarande i de flesta elektroniska enheter, och har praktiskt taget ersatt separata elektroniska komponenter. De är mindre, snabbare och billigare att tillverka än diskreta komponenter i storleksordningar. Det snabba antagandet av IC:er inom elektronikindustrin beror också på den modulära designen av IC:er, som lätt lämpar sig för massproduktion.
Dessa lager framkallas på ett liknande sätt som vanliga fotografier förutom att ultraviolett ljus används snarare än synligt ljus eftersom våglängderna för synligt ljus är för stora för att skapa funktioner med nödvändig precision. Funktionerna hos moderna IC är så små att processingenjörer måste använda elektronmikroskop för att felsöka dem.
Tillverkning av IC
Automatiserad testutrustning (ATE) testar varje wafer innan den används för att göra en IC, en process, allmänt känd som wafer probing eller wafer testing. Skivan skärs sedan till rektangulära bitar som kallas formar och ansluts sedan till ett elektroniskt paket via elektriskt ledande ledningar, som vanligtvis är gjorda av guld eller aluminium. Dessa ledningar är bundna till dynor som vanligtvis är placerade runt kanten av formen med hjälp av ultraljud i en process som kallas termoljudbindning.
De resulterande enheterna genomgår slutliga testfaser, som vanligtvis använder ATE och industriell datortomografi (CT) skanningsutrustning. Den relativa kostnaden för testning varierar mycket beroende på utbyte, storlek och kostnad för enheten. Till exempel kan testning stå för över 25 % av de totala tillverkningskostnaderna för billiga enheter, men det kan vara praktiskt taget försumbart för stora, dyra enheter med låg avkastning.
Tekniker
Tillverkningen av IC är en mycket automatiserad process som använder många specifika tekniker. Dessa funktioner driver den höga kostnaden för att bygga en tillverkningsanläggning, som kan överstiga 8 miljarder USD från och med 2016. Denna kostnad förväntas öka mycket snabbare än inflationen på grund av det fortsatta behovet av större automatisering.
Trenden mot mindre transistorer kommer att fortsätta under överskådlig framtid, med 14 nm som toppmodern 2016. IC-tillverkare som Intel, Samsung, Global Foundries och TSMC förväntas påbörja övergången till 10 nm transistorer i slutet av 2017 .
Stora wafers ger stordriftsekonomi, vilket minskar den totala kostnaden för IC. De största wafers som finns kommersiellt tillgängliga är 300 mm i diameter, med 450 mm som förväntas bli nästa maximala storlek. Det finns dock fortfarande betydande tekniska utmaningar för att tillverka wafers av denna storlek.
Ytterligare tekniker som används vid tillverkningen av IC inkluderar tri-gate transistorer, som Intel har tillverkat med en bredd på 22 nm sedan 2011. IBM använder en process som kallas ansträngd kisel direkt på isolator (SSDOI), som tar bort kisel-germaniumskiktet från en oblat.
Koppar ersätter aluminiumkopplingar i IC, främst på grund av dess högre elektriska ledningsförmåga. Low-K dielektriska isolatorer och Silicon on Insulators (SOI) är också avancerade tillverkningstekniker för IC.
Andra resurser om halvledare
Grundläggande wafer-termer och definitioner
Skär Si Wafers Off-Axis
Syrefällning i kisel
Egenskaper hos glas som relaterade till applikationer med kisel
En guide till SEMI-specifikationer för Si Wafers
Våtkemisk etsning och rengöring av kisel
Solceller
En solcell använder den fotovoltaiska effekten för att omvandla ljusenergi till elektrisk energi, vilket i allmänhet innebär absorption av ljus av något material för att excitera elektroner till ett högre energitillstånd. Det är en typ av fotocell, en enhet som ändrar sina elektriska egenskaper när den utsätts för ljus. Solceller kan använda ljus från vilken källa som helst, även om termen "solenergi" antyder att de kräver solljus.
Generering av el som energikälla är en av de mest välkända tillämpningarna för solceller. Dessa typer av solceller använder en ljuskälla för att ladda ett batteri, som kan användas för att driva en elektrisk enhet.
Solceller är ofta integrerade i enheten de är avsedda att driva. Till exempel använder de soldrivna lamporna som är vanliga i heminredningsbutiker solceller för att ladda ett batteri under dagen. På natten driver batteriet en rörelsesensor som tänder ljuset när det upptäcker rörelse.
Solceller kan klassificeras i första, andra och tredje generationens typer. Första generationens celler består av kristallint kisel, inklusive monokristallint kisel och polykisel. De är för närvarande den vanligaste typen av solceller. Andra generationens celler använder tunn film bestående av amorft kisel och används vanligtvis i kommersiella kraftverk. Tredje generationens solceller använder tunn film som utvecklats med en mängd nya teknologier och har för närvarande begränsade kommersiella tillämpningar.
Tillverkning av solceller
Den stora majoriteten av en första generationens solcell består av kristallint kisel, även om dess strukturella kvalitet och renhet är långt under den som används i IC. Monokristallint kisel omvandlar ljus till elektricitet mer effektivt än polykisel, men monokristallint kisel är också dyrare.
Skivorna skärs i rutor för att bilda individuella celler, och deras hörn klipps sedan till åttakanter. Denna form ger solpaneler deras distinkta diamantliknande utseende. Cellerna som utgör en solpanel måste alla vara orienterade längs samma plan för att maximera konverteringseffektiviteten. Panelerna är vanligtvis täckta med en glasskiva på sidan som vetter mot solen för att skydda wafers.
Solceller kan kopplas i serie eller parallellt beroende på specifika krav. Att ansluta cellerna i en serie ökar deras spänning medan parallellkoppla dem ökar strömmen. Den primära nackdelen med parallella strängar är att skuggeffekter kan göra att de skuggade strängarna stängs av, vilket kan göra att de upplysta strängarna applicerar en omvänd förspänning på de skuggade strängarna. Denna effekt kan resultera i en avsevärd effektförlust och till och med skada på cellerna.
Den föredragna lösningen på detta problem är att ansluta strängar av celler i serie för att bilda moduler och använda maximala effektpunktsföljare (MPPT) för att hantera strömkraven för strängarna oberoende av varandra. Modulerna kan emellertid också kopplas samman för att bilda en grupp med önskad laddningsström och toppspänning. En annan lösning på problemen som orsakas av skuggeffekter är användningen av shuntdioder för att minska strömförlusten.
Storleksökning
Trenden mot större boule inom halvledarindustrin har resulterat i en ökning av storleken på solceller. Solpanelerna som utvecklades på 1980-talet är gjorda av celler med en diameter mellan 50 och 100 mm. Paneler tillverkade under 1990- och 2000-talen använde vanligtvis wafers med en diameter på 125 mm, och paneler tillverkade sedan 2008 har 156 mm celler.
Användningen av silikonwafers
Kiselskivor används oftast som substrat för integrerade kretsar (IC), även om de också är en viktig komponent i solceller eller solceller. Den grundläggande processen för att tillverka dessa wafers är densamma för båda dessa applikationer, även om kvalitetskraven är mycket högre för wafers som används i IC. Dessa wafers genomgår också ytterligare steg som jonimplantation, etsning och fotolitografisk mönstring, som inte behövs för solceller.