Siliciumwafers er lavet af en enkelt krystal af meget rent silicium, typisk med mindre end en del pr. milliard af forurenende stoffer. Czochralski-processen er den mest almindelige metode til at danne store krystaller af denne renhed, som involverer at trække en frøkrystal fra smeltet silicium, almindeligvis kendt som en smelte. Frøkrystallen formes derefter til en cylindrisk barre kendt som en boule.
Elementer såsom bor og fosfor kan tilsættes til boulen i præcise mængder for at kontrollere waferens elektriske egenskaber, generelt med det formål at gøre den til en n-type eller p-type halvleder. Boulen skæres derefter i tynde skiver med en trådsav også kendt som en wafersav. De skårne vafler kan poleres i forskellig grad.
Hvad bruges en siliciumwafer til?
En siliciumwafer er en tynd skive krystallinsk silicium, der almindeligvis anvendes i elektronikindustrien. Silicium bruges til dette formål, fordi det er en halvleder, hvilket betyder, at det hverken er en stærk leder eller stærk isolator af elektricitet. Dens naturlige overflod og andre egenskaber gør generelt silicium at foretrække frem for andre halvledere såsom germanium til fremstilling af wafers.
De mest almindelige dimensioner af siliciumskiver afhænger af deres anvendelse. De wafere, der bruges i IC'er, er runde med diametre, der typisk spænder fra 100 til 300 millimeter (mm). Tykkelsen stiger generelt med diameteren og er normalt i området 525 til 775 mikron (μm). Skiverne i solceller er normalt firkantede med sider, der måler 100 til 200 mm. Deres tykkelse er mellem 200 og 300 μm, selvom dette forventes at blive standardiseret til 160 μm i den nærmeste fremtid.
Integrerede kredsløb
En IC, også kendt som en mikrochip eller bare chip, er et sæt elektroniske kredsløb sat i et substrat af halvledende materiale. Monokrystallinsk silicium er i øjeblikket det mest almindelige substrat for IC'er, selvom galliumarsenid bruges i nogle applikationer såsom trådløse kommunikationsenheder. Vafler lavet af silicium-germanium-legeringer bliver også mere udbredt, typisk i applikationer, hvor den større hastighed af silicium-germanium er de højere omkostninger værd.
IC'er bruges i øjeblikket i de fleste elektroniske enheder, der praktisk talt har erstattet separate elektroniske komponenter. De er mindre, hurtigere og billigere at fremstille end diskrete komponenter i størrelsesordener. Den hurtige indførelse af IC'er i elektronikindustrien skyldes også det modulære design af IC'er, som nemt egner sig til masseproduktion.
Disse lag er fremkaldt på samme måde som almindelige fotografier, bortset fra at ultraviolet lys bruges i stedet for synligt lys, da bølgelængderne af synligt lys er for store til at skabe funktioner med den nødvendige præcision. Funktionerne ved moderne IC'er er så små, at procesingeniører skal bruge elektronmikroskoper til at fejlsøge dem.
IC fremstilling
Automatiseret testudstyr (ATE) tester hver wafer, før den bruges til at lave en IC, en proces, almindeligvis kendt som wafer-probing eller wafer-test. Waferen skæres derefter i rektangulære stykker kendt som dies og forbindes derefter til en elektronisk pakke via elektrisk ledende ledninger, som normalt er lavet af guld eller aluminium. Disse ledninger er bundet til puder, der typisk er placeret rundt om kanten af matricen ved hjælp af ultralyd i en proces kaldet termolydbinding.
De resulterende enheder gennemgår endelige testfaser, som typisk bruger ATE og industriel computertomografi (CT) scanningsudstyr. De relative omkostninger ved test varierer meget afhængigt af udbyttet, størrelsen og prisen på enheden. For eksempel kan test tegne sig for over 25% af de samlede fremstillingsomkostninger for billige enheder, men det kan være praktisk talt ubetydeligt for store, dyre enheder med lavt udbytte.
Teknikker
Fremstillingen af IC'er er en meget automatiseret proces, der bruger mange specifikke teknikker. Disse muligheder driver de høje omkostninger ved at bygge en fabrikationsfacilitet, som kan overstige 8 milliarder dollars fra 2016. Disse omkostninger forventes at stige meget hurtigere end inflationen på grund af det fortsatte behov for større automatisering.
Tendensen mod mindre transistorer vil fortsætte i en overskuelig fremtid, hvor 14 nm er state of the art i 2016. IC-producenter som Intel, Samsung, Global Foundries og TSMC forventes at begynde overgangen til 10 nm transistorer inden udgangen af 2017 .
Store wafere giver en stordriftsfordel, som reducerer de samlede omkostninger ved IC'er. De største wafers, der er kommercielt tilgængelige, er 300 mm i diameter, hvor 450 mm forventes at være den næste maksimale størrelse. Der er dog stadig betydelige tekniske udfordringer for at lave wafers af denne størrelse.
Yderligere teknikker, der bruges i fremstillingen af IC'er, omfatter tri-gate transistorer, som Intel har fremstillet med en bredde på 22 nm siden 2011. IBM bruger en proces kendt som strained silicium direct on isolator (SSDOI), som fjerner silicium-germanium laget fra en oblat.
Kobber erstatter aluminiumforbindelser i IC'er, primært på grund af dets større elektriske ledningsevne. Low-K dielektriske isolatorer og Silicon on Insulators (SOI'er) er også avancerede fremstillingsteknikker til IC'er.
Andre ressourcer om halvledere
Grundlæggende Wafer vilkår og definitioner
Skæring af Si wafers off-akse
Iltudfældning i silicium
Egenskaber af glas i forbindelse med applikationer med silicium
En guide til SEMI-specifikationer for Si-wafere
Vådkemisk ætsning og rensning af silicium
Solceller
En solcelle bruger den fotovoltaiske effekt til at omdanne lysenergi til elektrisk energi, hvilket generelt involverer absorption af lys af noget materiale for at excitere elektroner til en højere energitilstand. Det er en type fotocelle, en enhed, der ændrer sine elektriske egenskaber, når den udsættes for lys. Solceller kan bruge lys fra enhver kilde, selvom udtrykket "sol" antyder, at de kræver sollys.
Generering af elektricitet som energikilde er en af de mest kendte anvendelser for solceller. Disse typer solceller bruger en lyskilde til at oplade et batteri, som kan bruges til at drive en elektrisk enhed.
Solceller er ofte integreret i den enhed, de er beregnet til at drive. For eksempel bruger de solcelledrevne lamper, der er almindeligt tilgængelige i boligforbedringsbutikker, solceller til at oplade et batteri i løbet af dagen. Om natten driver batteriet en bevægelsessensor, der tænder lyset, når det registrerer bevægelse.
Solceller kan klassificeres i første, anden og tredje generations typer. Første generations celler er sammensat af krystallinsk silicium, herunder monokrystallinsk silicium og polysilicium. De er i øjeblikket den mest almindelige type solcelle. Anden generations celler bruger tynd film sammensat af amorft silicium og bruges typisk i kommercielle kraftværker. Tredje generations solceller bruger tynd film udviklet med en række nye teknologier og har i øjeblikket begrænsede kommercielle anvendelser.
Fremstilling af solceller
Langt størstedelen af en førstegenerationssolcelle er sammensat af krystallinsk silicium, selvom dens strukturelle kvalitet og renhed er langt under den, der bruges i IC'er. Monokrystallinsk silicium omdanner lys til elektricitet mere effektivt end polysilicium, men monokrystallinsk silicium er også dyrere.
Vaflerne skæres i firkanter for at danne individuelle celler, og deres hjørner klippes derefter til ottekanter. Denne form giver solpaneler deres karakteristiske diamantlignende udseende. De celler, der udgør et solpanel, skal alle være orienteret langs det samme plan for at maksimere konverteringseffektiviteten. Panelerne er typisk dækket af en glasplade på den side, der vender mod solen for at beskytte waferne.
Solceller kan kobles i serie eller parallelt afhængigt af specifikke krav. Forbindelse af cellerne i en serie øger deres spænding, mens parallelforbindelse af dem øger strømmen. Den primære ulempe ved parallelle strenge er, at skyggeeffekter kan få de skyggede strenge til at lukke ned, hvilket kan få de oplyste strenge til at anvende en omvendt bias til de skyggede strenge. Denne effekt kan resultere i et betydeligt tab af strøm og endda beskadigelse af cellerne.
Den foretrukne løsning på dette problem er at forbinde strenge af celler i serie for at danne moduler og bruge maksimale power point trackers (MPPT'er) til at håndtere strømkravene til strengene uafhængigt af hinanden. Modulerne kan dog også sammenkobles for at danne et array med den ønskede ladestrøm og spidsspænding. En anden løsning på problemerne forårsaget af skyggeeffekter er brugen af shuntdioder for at reducere strømtab.
Størrelsesforøgelse
Tendensen mod større boules i halvlederindustrien har resulteret i en stigning i størrelsen af solceller. Solpanelerne udviklet i 1980'erne er lavet af celler med en diameter mellem 50 og 100 mm. Paneler lavet i 1990'erne og 2000'erne brugte typisk wafers med en diameter på 125 mm, og paneler lavet siden 2008 har 156 mm celler.
Brugen af siliciumwafers
Siliciumwafers bruges oftest som substrat for integrerede kredsløb (IC'er), selvom de også er en vigtig komponent i solceller eller solceller. Den grundlæggende proces til fremstilling af disse wafere er den samme for begge disse applikationer, selvom kvalitetskravene er meget højere for de wafere, der bruges i IC'er. Disse wafere gennemgår også yderligere trin, såsom ionimplantation, ætsning og fotolitografisk mønster, som ikke er nødvendige for solceller.