Кремниевые пластины изготавливаются из монокристалла кремния высокой чистоты, обычно с содержанием примесей менее одной части на миллиард. Процесс Чохральского — наиболее распространенный метод формирования крупных кристаллов такой чистоты, который включает в себя вытягивание затравочного кристалла из расплавленного кремния, широко известного как расплав. Затем из затравочного кристалла формируют цилиндрический слиток, известный как буля.
Такие элементы, как бор и фосфор, могут быть добавлены в булю в точных количествах, чтобы контролировать электрические свойства пластины, обычно с целью придания ей полупроводника n- или p-типа. Затем булю разрезают на тонкие ломтики проволочной пилой, также известной как вафельная пила. Разрезанные пластины можно полировать в различной степени.
Для чего используется кремниевая пластина?
Кремниевая пластина — это тонкий слой кристаллического кремния, обычно используемый в электронной промышленности. Кремний используется для этой цели, поскольку он является полупроводником, а это означает, что он не является ни сильным проводником, ни сильным изолятором электричества. Его естественное распространение и другие свойства обычно делают кремний более предпочтительным для изготовления пластин по сравнению с другими полупроводниками, такими как германий.
Наиболее распространенные размеры кремниевых пластин зависят от их применения. Пластины, используемые в микросхемах, имеют круглую форму и обычно имеют диаметр от 100 до 300 миллиметров (мм). Толщина обычно увеличивается с диаметром и обычно находится в диапазоне от 525 до 775 микрон (мкм). Пластины в солнечных элементах обычно имеют квадратную форму со сторонами от 100 до 200 мм. Их толщина составляет от 200 до 300 мкм, хотя в ближайшем будущем ожидается стандартизация до 160 мкм.
Интегральные схемы
ИС, также известная как микрочип или просто чип, представляет собой набор электронных схем, помещенных в подложку из полупроводникового материала. Монокристаллический кремний в настоящее время является наиболее распространенной подложкой для ИС, хотя арсенид галлия используется в некоторых приложениях, таких как устройства беспроводной связи. Пластины из кремний-германиевых сплавов также становятся все более широко используемыми, как правило, в тех приложениях, где более высокая скорость кремний-германиевых сплавов стоит более высоких затрат.
В настоящее время микросхемы используются в большинстве электронных устройств, практически заменив отдельные электронные компоненты. Они на порядки меньше, быстрее и дешевле в производстве, чем дискретные компоненты. Быстрое внедрение ИС в электронной промышленности также обусловлено модульной конструкцией ИС, которая легко поддается массовому производству.
Эти слои создаются аналогично обычным фотографиям, за исключением того, что вместо видимого света используется ультрафиолетовый свет, поскольку длины волн видимого света слишком велики, чтобы создавать объекты с необходимой точностью. Особенности современных микросхем настолько малы, что инженерам-технологам приходится использовать электронные микроскопы для их отладки.
Изготовление ИС
Автоматизированное испытательное оборудование (ATE) тестирует каждую пластину перед ее использованием для изготовления микросхемы. Этот процесс широко известен как зондирование пластин или тестирование пластин. Затем пластину разрезают на прямоугольные кусочки, называемые штампами, а затем подключают к электронному корпусу с помощью электропроводящих проводов, которые обычно изготавливаются из золота или алюминия. Эти провода прикрепляются к площадкам, которые обычно расположены по краю матрицы, с помощью ультразвука в процессе, называемом термозвуковым соединением.
Полученные устройства проходят заключительные этапы испытаний, на которых обычно используется сканирующее оборудование ATE и промышленной компьютерной томографии (КТ). Относительная стоимость тестирования сильно варьируется в зависимости от производительности, размера и стоимости устройства. Например, тестирование может составлять более 25% от общей стоимости изготовления недорогих устройств, но оно может быть практически незначительным для больших, дорогих устройств с низким выходом.
Техники
Производство микросхем — это высокоавтоматизированный процесс, в котором используется множество специфических методов. Эти возможности приводят к высокой стоимости строительства производственного предприятия, которая по состоянию на 2016 год может превысить 8 миллиардов долларов. Ожидается, что эта стоимость будет расти гораздо быстрее, чем инфляция, из-за сохраняющейся потребности в большей автоматизации.
Тенденция к использованию транзисторов меньшего размера сохранится в обозримом будущем: в 2016 году новейшим стандартом станет 14 нм. Ожидается, что производители микросхем, такие как Intel, Samsung, Global Foundries и TSMC, начнут переход на транзисторы 10 нм к концу 2017 года. .
Большие пластины обеспечивают экономию за счет масштаба, что снижает общую стоимость микросхем. Самые большие пластины, доступные на рынке, имеют диаметр 300 мм, и ожидается, что следующим максимальным размером будет 450 мм. Однако при изготовлении пластин такого размера все еще существуют серьезные технические проблемы.
Дополнительные технологии, используемые при производстве ИС, включают транзисторы с тройным затвором, которые Intel производит с шириной 22 нм с 2011 года. IBM использует процесс, известный как «напряженный кремний непосредственно на изоляторе» (SSDOI), который удаляет кремний-германиевый слой с поверхности изолятора. вафля.
Медь заменяет алюминиевые межсоединения в микросхемах, в первую очередь из-за ее большей электропроводности. Диэлектрические изоляторы с низким содержанием K и кремний на изоляторах (SOI) также являются передовыми технологиями производства ИС.
Другие ресурсы о полупроводниках
Основные термины и определения пластин
Резка кремниевых пластин вне оси
Осаждение кислорода в кремнии
Свойства стекла в связи с применением кремния
Руководство по спецификациям SEMI для кремниевых пластин
Мокро-химическое травление и очистка кремния
Солнечные батареи
Солнечный элемент использует фотоэлектрический эффект для преобразования энергии света в электрическую энергию, что обычно включает поглощение света каким-либо материалом для возбуждения электронов в состояние с более высокой энергией. Это тип фотоэлектрического элемента — устройства, которое меняет свои электрические характеристики под воздействием света. Солнечные элементы могут использовать свет из любого источника, хотя термин «солнечный» подразумевает, что им требуется солнечный свет.
Производство электроэнергии в качестве источника энергии является одним из наиболее известных применений солнечных элементов. Эти типы солнечных элементов используют источник света для зарядки аккумулятора, который можно использовать для питания электрического устройства.
Солнечные элементы часто интегрируются в устройство, для питания которого они предназначены. Например, фонари на солнечных батареях, обычно доступные в магазинах товаров для дома, используют солнечные элементы для зарядки аккумулятора в течение дня. Ночью батарея питает датчик движения, который включает свет при обнаружении движения.
Солнечные элементы можно разделить на типы первого, второго и третьего поколения. Элементы первого поколения состоят из кристаллического кремния, включая монокристаллический кремний и поликремний. В настоящее время это наиболее распространенный тип солнечных батарей. В ячейках второго поколения используется тонкая пленка, состоящая из аморфного кремния, и они обычно используются на коммерческих электростанциях. Солнечные элементы третьего поколения используют тонкую пленку, разработанную с использованием различных новых технологий, и в настоящее время имеют ограниченное коммерческое применение.
Производство солнечных батарей
Подавляющее большинство солнечных элементов первого поколения состоит из кристаллического кремния, хотя его структурное качество и чистота намного ниже, чем в интегральных схемах. Монокристаллический кремний преобразует свет в электричество более эффективно, чем поликремний, но монокристаллический кремний также дороже.
Пластины разрезаются на квадраты, чтобы сформировать отдельные ячейки, а затем их углы обрезаются, чтобы сформировать восьмиугольники. Такая форма придает солнечным панелям характерный ромбовидный вид. Все элементы солнечной панели должны быть ориентированы в одной плоскости, чтобы максимизировать эффективность преобразования. Панели обычно покрываются листом стекла со стороны, обращенной к солнцу, для защиты пластин.
Солнечные элементы могут быть подключены последовательно или параллельно, в зависимости от конкретных требований. Последовательное соединение ячеек увеличивает их напряжение, а параллельное соединение увеличивает ток. Основным недостатком параллельных струн является то, что эффекты тени могут привести к отключению затененных струн, что может привести к тому, что освещенные струны начнут применять обратное смещение к затененным струнам. Этот эффект может привести к существенной потере мощности и даже повреждению клеток.
Предпочтительным решением этой проблемы является последовательное соединение цепочек ячеек для формирования модулей и использование устройств отслеживания точки максимальной мощности (MPPT) для удовлетворения требований к мощности цепочек независимо друг от друга. Однако модули также можно соединить между собой для формирования массива с желаемым током нагрузки и пиковым напряжением. Еще одним решением проблем, вызванных теневыми эффектами, является использование шунтирующих диодов для уменьшения потерь мощности.
Увеличение размера
Тенденция к увеличению размеров булей в полупроводниковой промышленности привела к увеличению размеров солнечных элементов. Солнечные панели, разработанные в 1980-х годах, состоят из ячеек диаметром от 50 до 100 мм. В панелях, изготовленных в 1990-х и 2000-х годах, обычно использовались пластины диаметром 125 мм, а панели, изготовленные с 2008 года, имеют ячейки 156 мм.
Использование кремниевых пластин
Кремниевые пластины чаще всего используются в качестве подложки для интегральных схем (ИС), хотя они также являются основным компонентом фотоэлектрических или солнечных элементов. Основной процесс изготовления этих пластин одинаков для обоих этих приложений, хотя требования к качеству гораздо выше для пластин, используемых в ИС. Эти пластины также подвергаются дополнительным этапам, таким как ионная имплантация, травление и фотолитографическое нанесение рисунка, которые не нужны для солнечных элементов.