Siliciumwafels zijn gemaakt van een enkel kristal van zeer zuiver silicium, doorgaans met minder dan één deel per miljard verontreinigingen. Het Czochralski-proces is de meest gebruikelijke methode om grote kristallen van deze zuiverheid te vormen, waarbij een entkristal uit gesmolten silicium wordt getrokken, algemeen bekend als een smelt. Het zaadkristal wordt vervolgens gevormd tot een cilindrische staaf die bekend staat als een boule.
Elementen zoals boor en fosfor kunnen in precieze hoeveelheden aan de boule worden toegevoegd om de elektrische eigenschappen van de wafel te controleren, in het algemeen met het doel er een n-type of p-type halfgeleider van te maken. De boule wordt vervolgens in dunne plakjes gesneden met een draadzaag, ook wel wafelzaag genoemd. De gesneden wafels kunnen in verschillende mate gepolijst worden.
Waar wordt een siliciumwafel voor gebruikt?
Een siliciumwafel is een dun plakje kristallijn silicium dat veel wordt gebruikt in de elektronica-industrie. Silicium wordt voor dit doel gebruikt omdat het een halfgeleider is, wat betekent dat het noch een sterke geleider, noch een sterke isolator van elektriciteit is. Door zijn natuurlijke overvloed en andere eigenschappen verdient silicium over het algemeen de voorkeur boven andere halfgeleiders zoals germanium voor het maken van wafels.
De meest voorkomende afmetingen van siliciumwafels zijn afhankelijk van hun toepassing. De wafers die in IC's worden gebruikt, zijn rond en hebben een diameter die doorgaans varieert van 100 tot 300 millimeter (mm). De dikte neemt doorgaans toe met de diameter en ligt gewoonlijk in het bereik van 525 tot 775 micron (μm). De wafers in zonnecellen zijn meestal vierkant met zijden van 100 tot 200 mm. Hun dikte ligt tussen de 200 en 300 μm, hoewel dit naar verwachting in de nabije toekomst zal worden gestandaardiseerd naar 160 μm.
Geïntegreerde schakelingen
Een IC, ook wel microchip of gewoon chip genoemd, is een reeks elektronische circuits die in een substraat van halfgeleidend materiaal zijn geplaatst. Monokristallijn silicium is momenteel het meest voorkomende substraat voor IC's, hoewel galliumarsenide in sommige toepassingen wordt gebruikt, zoals draadloze communicatieapparatuur. Wafers gemaakt van silicium-germaniumlegeringen worden ook steeds vaker gebruikt, meestal in toepassingen waarbij de hogere snelheid van silicium-germanium de hogere kosten waard is.
IC's worden momenteel in de meeste elektronische apparaten gebruikt en hebben vrijwel afzonderlijke elektronische componenten vervangen. Ze zijn kleiner, sneller en goedkoper te vervaardigen dan afzonderlijke componenten, in ordes van grootte. De snelle acceptatie van IC's in de elektronica-industrie is ook te danken aan het modulaire ontwerp van IC's, dat zich gemakkelijk leent voor massaproductie.
Deze lagen worden op dezelfde manier ontwikkeld als gewone foto's, behalve dat er ultraviolet licht wordt gebruikt in plaats van zichtbaar licht, omdat de golflengten van zichtbaar licht te groot zijn om kenmerken met de nodige precisie te creëren. De kenmerken van moderne IC's zijn zo klein dat procesingenieurs elektronenmicroscopen moeten gebruiken om ze te debuggen.
IC-fabricage
Geautomatiseerde testapparatuur (ATE) test elke wafer voordat deze wordt gebruikt om een IC te maken, een proces dat algemeen bekend staat als wafer-sondering of wafer-testen. De wafel wordt vervolgens in rechthoekige stukken gesneden, ook wel matrijzen genoemd, en vervolgens verbonden met een elektronisch pakket via elektrisch geleidende draden, die meestal van goud of aluminium zijn gemaakt. Deze draden worden met behulp van ultrageluid verbonden met pads die zich doorgaans rond de rand van de chip bevinden, in een proces dat thermosonische binding wordt genoemd.
De resulterende apparaten ondergaan de laatste testfasen, waarbij doorgaans gebruik wordt gemaakt van ATE en industriële computertomografie (CT)-scanapparatuur. De relatieve testkosten variëren sterk afhankelijk van de opbrengst, de grootte en de kosten van het apparaat. Testen kunnen bijvoorbeeld meer dan 25% van de totale fabricagekosten van goedkope apparaten uitmaken, maar kunnen vrijwel verwaarloosbaar zijn voor grote, dure apparaten met lage opbrengsten.
Technieken
De fabricage van IC's is een sterk geautomatiseerd proces waarbij gebruik wordt gemaakt van veel specifieke technieken. Deze capaciteiten zorgen voor de hoge kosten van het bouwen van een productiefaciliteit, die vanaf 2016 de $8 miljard kunnen overschrijden. Deze kosten zullen naar verwachting veel sneller stijgen dan de inflatie als gevolg van de aanhoudende behoefte aan grotere automatisering.
De trend naar kleinere transistors zal zich in de nabije toekomst voortzetten, waarbij 14 nm in 2016 state-of-the-art zal zijn. IC-fabrikanten zoals Intel, Samsung, Global Foundries en TSMC zullen naar verwachting eind 2017 beginnen met de transitie naar 10 nm-transistors. .
Grote wafers bieden schaalvoordelen, waardoor de totale kosten van IC's worden verlaagd. De grootste in de handel verkrijgbare wafels hebben een diameter van 300 mm, waarbij 450 mm naar verwachting de volgende maximale maat zal zijn. Er bestaan echter nog steeds aanzienlijke technische uitdagingen voor het maken van wafels van deze omvang.
Bijkomende technieken die worden gebruikt bij de vervaardiging van IC's zijn onder meer tri-gate-transistoren, die Intel sinds 2011 produceert met een breedte van 22 nm. IBM gebruikt een proces dat bekend staat als 'strained silicium direct on insulator' (SSDOI), dat de silicium-germaniumlaag verwijdert van een wafeltje.
Koper vervangt aluminiumverbindingen in IC's, voornamelijk vanwege de grotere elektrische geleidbaarheid. Low-K diëlektrische isolatoren en Silicon on Insulators (SOI's) zijn ook geavanceerde productietechnieken voor IC's.
Andere bronnen over halfgeleiders
Basiswafeltermen en -definities
Si-wafels buiten de as snijden
Zuurstofprecipitatie in silicium
Eigenschappen van glas in relatie tot toepassingen met silicium
Een gids voor SEMI-specificaties voor Si-wafels
Natchemisch etsen en reinigen van silicium
Zonnepanelen
Een zonnecel gebruikt het fotovoltaïsche effect om lichtenergie om te zetten in elektrische energie, wat doorgaans gepaard gaat met de absorptie van licht door een bepaald materiaal om elektronen in een hogere energietoestand te brengen. Het is een soort foto-elektrische cel, een apparaat dat zijn elektrische eigenschappen verandert bij blootstelling aan licht. Zonnecellen kunnen licht uit elke bron gebruiken, ook al impliceert de term 'zonnecellen' dat ze zonlicht nodig hebben.
Het opwekken van elektriciteit als energiebron is één van de bekendste toepassingen van zonnecellen. Dit soort zonnecellen gebruiken een lichtbron om een batterij op te laden, die kan worden gebruikt om een elektrisch apparaat van stroom te voorzien.
Zonnecellen worden vaak geïntegreerd in het apparaat waarvoor ze bedoeld zijn. De lampen op zonne-energie die gewoonlijk verkrijgbaar zijn in bouwmarkten, gebruiken bijvoorbeeld zonnecellen om overdag een batterij op te laden. 's Nachts voedt de batterij een bewegingssensor die het licht aanzet wanneer beweging wordt gedetecteerd.
Zonnecellen kunnen worden ingedeeld in typen van de eerste, tweede en derde generatie. Cellen van de eerste generatie zijn samengesteld uit kristallijn silicium, inclusief monokristallijn silicium en polysilicium. Ze zijn momenteel het meest voorkomende type zonnecel. Cellen van de tweede generatie maken gebruik van dunne film bestaande uit amorf silicium en worden doorgaans gebruikt in commerciële elektriciteitscentrales. Zonnecellen van de derde generatie maken gebruik van dunne film die is ontwikkeld met een verscheidenheid aan opkomende technologieën en hebben momenteel beperkte commerciële toepassingen.
Fabricage van zonnecellen
Het overgrote deel van een zonnecel van de eerste generatie bestaat uit kristallijn silicium, hoewel de structurele kwaliteit en zuiverheid ervan ver onder die van IC's liggen. Monokristallijn silicium zet licht efficiënter om in elektriciteit dan polysilicium, maar monokristallijn silicium is ook duurder.
De wafels worden in vierkanten gesneden om individuele cellen te vormen, en hun hoeken worden vervolgens afgeknipt om achthoeken te vormen. Deze vorm geeft zonnepanelen hun kenmerkende diamantachtige uiterlijk. De cellen waaruit een zonnepaneel bestaat, moeten allemaal in hetzelfde vlak worden georiënteerd om de conversie-efficiëntie te maximaliseren. De panelen zijn doorgaans bedekt met een glasplaat aan de kant die naar de zon is gericht om de wafels te beschermen.
Zonnecellen kunnen, afhankelijk van specifieke vereisten, in serie of parallel worden aangesloten. Door de cellen in serie aan te sluiten, wordt hun spanning verhoogd, terwijl ze parallel worden aangesloten, de stroom toeneemt. Het belangrijkste nadeel van parallelle snaren is dat schaduweffecten ervoor kunnen zorgen dat de beschaduwde snaren worden uitgeschakeld, waardoor de verlichte snaren een omgekeerde bias op de beschaduwde snaren kunnen uitoefenen. Dit effect kan resulteren in een aanzienlijk vermogensverlies en zelfs schade aan de cellen.
De voorkeursoplossing voor dit probleem is het in serie verbinden van reeksen cellen om modules te vormen en het gebruik van Maximum Power Point Trackers (MPPT's) om de stroomvereisten van de reeksen onafhankelijk van elkaar af te handelen. De modules kunnen echter ook met elkaar worden verbonden om een array te vormen met de gewenste laadstroom en piekspanning. Een andere oplossing voor de problemen veroorzaakt door schaduweffecten is het gebruik van shuntdiodes om vermogensverlies te verminderen.
Grootte vergroten
De trend naar grotere boules in de halfgeleiderindustrie heeft geresulteerd in een toename van de omvang van zonnecellen. De in de jaren tachtig ontwikkelde zonnepanelen zijn gemaakt van cellen met een diameter tussen de 50 en 100 mm. Voor panelen gemaakt in de jaren negentig en 2000 werden doorgaans wafels met een diameter van 125 mm gebruikt, en panelen die sinds 2008 zijn gemaakt, hebben cellen van 156 mm.
Het gebruik van siliciumwafels
Siliciumwafels worden het vaakst gebruikt als substraat voor geïntegreerde schakelingen (IC's), hoewel ze ook een belangrijk onderdeel vormen van fotovoltaïsche of zonnecellen. Het basisproces voor het vervaardigen van deze wafers is voor beide toepassingen hetzelfde, hoewel de kwaliteitseisen veel hoger zijn voor de wafers die in IC's worden gebruikt. Deze wafers ondergaan ook extra stappen, zoals ionenimplantatie, etsen en fotolithografische patronen, die niet nodig zijn voor zonnecellen.
