Silisiumskiver er laget av en enkelt krystall av høyrent silisium, vanligvis med mindre enn én del per milliard av forurensninger. Czochralski-prosessen er den vanligste metoden for å danne store krystaller av denne renheten, som innebærer å trekke en frøkrystall fra smeltet silisium, vanligvis kjent som en smelte. Frøkrystallen formes deretter til en sylindrisk barre kjent som en boule.
Elementer som bor og fosfor kan tilsettes bollen i nøyaktige mengder for å kontrollere waferens elektriske egenskaper, vanligvis med det formål å gjøre den til en n-type eller p-type halvleder. Bollen kuttes deretter i tynne skiver med en trådsag også kjent som en oblatsag. De kuttede skivene kan poleres i varierende grad.
Hva brukes en silisiumwafer til?
En silisiumwafer er en tynn skive krystallinsk silisium som vanligvis brukes i elektronikkindustrien. Silisium brukes til dette formålet fordi det er en halvleder, noe som betyr at det verken er en sterk leder eller sterk isolator av elektrisitet. Dens naturlige overflod og andre egenskaper gjør generelt silisium å foretrekke fremfor andre halvledere som germanium for å lage wafere.
De vanligste dimensjonene til silisiumskiver avhenger av deres bruk. Skivene som brukes i IC-er er runde med diametre som vanligvis varierer fra 100 til 300 millimeter (mm). Tykkelsen øker generelt med diameteren og er vanligvis i området 525 til 775 mikron (μm). Skivene i solceller er vanligvis firkantede med sider som måler 100 til 200 mm. Tykkelsen deres er mellom 200 og 300 μm, selv om dette forventes å bli standardisert til 160 μm i nær fremtid.
Integrerte kretser
En IC, også kjent som en mikrobrikke eller bare brikke, er et sett med elektroniske kretser satt inn i et substrat av halvledende materiale. Monokrystallinsk silisium er for tiden det vanligste substratet for IC-er, selv om galliumarsenid brukes i noen applikasjoner som trådløse kommunikasjonsenheter. Wafere laget av silisium-germanium-legeringer blir også mer utbredt, vanligvis i applikasjoner der den høyere hastigheten til silisium-germanium er verdt den høyere kostnaden.
IC-er brukes for tiden i de fleste elektroniske enheter, og har praktisk talt erstattet separate elektroniske komponenter. De er mindre, raskere og billigere å produsere enn diskrete komponenter i størrelsesordener. Den raske bruken av IC-er i elektronikkindustrien skyldes også den modulære utformingen av IC-er, som lett egner seg til masseproduksjon.
Disse lagene er fremkalt på samme måte som vanlige fotografier, bortsett fra at ultrafiolett lys brukes i stedet for synlig lys siden bølgelengdene til synlig lys er for store til å lage funksjoner med nødvendig presisjon. Funksjonene til moderne IC-er er så små at prosessingeniører må bruke elektronmikroskoper for å feilsøke dem.
IC-fremstilling
Automatisert testutstyr (ATE) tester hver wafer før den brukes til å lage en IC, en prosess, ofte kjent som wafer-probing eller wafer-testing. Waferen kuttes deretter i rektangulære biter kjent som dies og kobles deretter til en elektronisk pakke via elektrisk ledende ledninger, som vanligvis er laget av gull eller aluminium. Disse ledningene er bundet til puter som vanligvis er plassert rundt kanten av dysen ved hjelp av ultralyd i en prosess som kalles termosonisk binding.
De resulterende enhetene gjennomgår siste testfaser, som vanligvis bruker ATE og industriell computertomografi (CT) skanningsutstyr. Den relative kostnaden for testing varierer sterkt i henhold til utbyttet, størrelsen og kostnaden til enheten. For eksempel kan testing utgjøre over 25 % av de totale produksjonskostnadene for billige enheter, men det kan være praktisk talt ubetydelig for store, dyre enheter med lavt utbytte.
Teknikker
Produksjonen av IC-er er en svært automatisert prosess som bruker mange spesifikke teknikker. Disse egenskapene driver de høye kostnadene ved å bygge et fabrikasjonsanlegg, som kan overstige 8 milliarder dollar fra 2016. Denne kostnaden forventes å øke mye raskere enn inflasjonen på grunn av det vedvarende behovet for større automatisering.
Trenden mot mindre transistorer vil fortsette i overskuelig fremtid, med 14 nm som toppmoderne i 2016. IC-produsenter som Intel, Samsung, Global Foundries og TSMC forventes å begynne overgangen til 10 nm transistorer innen utgangen av 2017 .
Store wafere gir stordriftsfordeler, noe som reduserer de totale kostnadene for IC-er. De største skivene kommersielt tilgjengelig er 300 mm i diameter, med 450 mm som forventes å være neste maksimale størrelse. Imidlertid eksisterer det fortsatt betydelige tekniske utfordringer for å lage wafere av denne størrelsen.
Ytterligere teknikker som brukes i fabrikasjonen av IC-er inkluderer tri-gate transistorer, som Intel har produsert med en bredde på 22 nm siden 2011. IBM bruker en prosess kjent som anstrengt silisium direkte på isolator (SSDOI), som fjerner silisium-germanium-laget fra en oblat.
Kobber erstatter aluminiumsforbindelser i IC-er, først og fremst på grunn av dens større elektriske ledningsevne. Low-K dielektriske isolatorer og Silicon on Insulators (SOIs) er også avanserte produksjonsteknikker for IC-er.
Andre ressurser om halvledere
Grunnleggende Wafer-vilkår og definisjoner
Kutting av Si-wafere utenfor aksen
Oksygenutfelling i silisium
Egenskaper til glass relatert til applikasjoner med silisium
En veiledning til SEMI-spesifikasjoner for Si-wafere
Våt-kjemisk etsing og rengjøring av silisium
Solceller
En solcelle bruker den fotovoltaiske effekten til å konvertere lysenergi til elektrisk energi, som vanligvis involverer absorpsjon av lys av noe materiale for å eksitere elektroner til en høyere energitilstand. Det er en type fotocelle, en enhet som endrer sine elektriske egenskaper når den utsettes for lys. Solceller kan bruke lys fra alle kilder, selv om begrepet "solenergi" antyder at de krever sollys.
Generering av elektrisitet som energikilde er en av de mest kjente bruksområdene for solceller. Disse typer solceller bruker en lyskilde for å lade et batteri, som kan brukes til å drive en elektrisk enhet.
Solceller er ofte integrert i enheten de er ment å drive. For eksempel bruker de solcelledrevne lysene som vanligvis er tilgjengelige i oppussingsbutikker solceller til å lade et batteri i løpet av dagen. Om natten driver batteriet en bevegelsessensor som slår på lyset når det registrerer bevegelse.
Solceller kan klassifiseres i første, andre og tredje generasjons typer. Første generasjons celler er sammensatt av krystallinsk silisium, inkludert monokrystallinsk silisium og polysilisium. De er for tiden den vanligste typen solcelle. Andre generasjons celler bruker tynn film bestående av amorft silisium og brukes vanligvis i kommersielle kraftstasjoner. Tredje generasjons solceller bruker tynn film utviklet med en rekke nye teknologier og har for tiden begrenset kommersiell bruk.
Fremstilling av solceller
Det store flertallet av en førstegenerasjons solcelle består av krystallinsk silisium, selv om dens strukturelle kvalitet og renhet er langt under det som brukes i IC-er. Monokrystallinsk silisium omdanner lys til elektrisitet mer effektivt enn polysilisium, men monokrystallinsk silisium er også dyrere.
Skivene kuttes i firkanter for å danne individuelle celler, og hjørnene deres blir deretter klippet for å danne åttekanter. Denne formen gir solcellepaneler deres karakteristiske diamantlignende utseende. Cellene som utgjør et solcellepanel må alle være orientert langs samme plan for å maksimere konverteringseffektiviteten. Panelene er vanligvis dekket med en glassplate på siden som vender mot solen for å beskytte skivene.
Solceller kan kobles i serie eller parallelt, avhengig av spesifikke krav. Kobling av cellene i en serie øker spenningen deres, mens parallellkobling øker strømmen. Den primære ulempen med parallelle strenger er at skyggeeffekter kan føre til at de skyggelagte strengene slås av, noe som kan føre til at de opplyste strengene bruker en omvendt skjevhet på de skyggelagte strengene. Denne effekten kan resultere i et betydelig tap av kraft og til og med skade på cellene.
Den foretrukne løsningen på dette problemet er å koble cellestrenger i serie for å danne moduler og bruke maksimaleffektpunktsporere (MPPT) for å håndtere strømkravene til strengene uavhengig av hverandre. Modulene kan imidlertid også kobles sammen for å danne en gruppe med ønsket ladestrøm og toppspenning. En annen løsning på problemene forårsaket av skyggeeffekter er bruken av shuntdioder for å redusere strømtap.
Størrelsesøkning
Trenden mot større boule i halvlederindustrien har resultert i en økning i størrelsen på solceller. Solcellepanelene utviklet på 1980-tallet er laget av celler med en diameter mellom 50 og 100 mm. Paneler laget på 1990- og 2000-tallet brukte vanligvis wafere med en diameter på 125 mm, og paneler laget siden 2008 har 156 mm celler.
Bruken av silisiumskiver
Silisiumskiver brukes oftest som underlag for integrerte kretser (IC), selv om de også er en viktig komponent i solceller eller solceller. Den grunnleggende prosessen med å fremstille disse skivene er den samme for begge disse applikasjonene, selv om kvalitetskravene er mye høyere for skivene som brukes i IC-er. Disse skivene gjennomgår også ytterligere trinn som ioneimplantasjon, etsing og fotolitografisk mønster, som ikke er nødvendig for solceller.