Kísilplötur eru gerðar úr einum kristal af mjög hreinu sílikoni, venjulega með minna en einum hluta af hverjum milljarði af mengunarefnum. Czochralski ferlið er algengasta aðferðin til að mynda stóra kristalla af þessum hreinleika, sem felur í sér að draga frækristall úr bráðnu sílikoni, almennt þekktur sem bræðsla. Frækristallinn er síðan myndaður í sívalan hleif sem kallast boule.
Hægt er að bæta frumefnum eins og bór og fosfór við bolinn í nákvæmu magni til að stjórna rafeiginleikum skífunnar, almennt í þeim tilgangi að gera hana að n-gerð eða p-gerð hálfleiðara. Bollan er síðan skorin í þunnar sneiðar með vírsög sem einnig er þekkt sem oblátusög. Skurðar obláturnar geta verið slípaðar í mismiklum mæli.
Til hvers er sílikonskífa notað?
Kísilsneið er þunn sneið af kristölluðu sílikoni sem almennt er notað í rafeindaiðnaðinum. Kísill er notaður í þessum tilgangi vegna þess að það er hálfleiðari, sem þýðir að það er hvorki sterkur leiðari né sterkur rafeinangrunarefni. Náttúrulegt gnægð þess og aðrir eiginleikar gera kísil almennt æskilegra en aðra hálfleiðara eins og germaníum til að búa til oblátur.
Algengustu stærðir kísilþráða fer eftir notkun þeirra. Diskarnir sem notaðir eru í IC eru kringlóttir með þvermál á bilinu 100 til 300 millimetrar (mm). Þykktin eykst almennt með þvermálinu og er venjulega á bilinu 525 til 775 míkron (μm). Diskarnir í sólarsellum eru venjulega ferkantaðir með hliðar sem mælast 100 til 200 mm. Þykkt þeirra er á bilinu 200 til 300 μm, en búist er við að það verði staðlað í 160 μm á næstunni.
Samþættir hringrásir
IC, einnig þekkt sem örflögur eða bara flís, er sett af rafrásum sett í undirlag af hálfleiðandi efni. Einkristallaður sílikon er nú algengasta undirlagið fyrir ICs, þó gallíumarseníð sé notað í sumum forritum eins og þráðlausum samskiptatækjum. Diskar úr kísil-germaníum málmblöndur eru einnig að verða meira notaðar, venjulega í forritum þar sem meiri hraði kísil-germaníums er þess virði hærri kostnaðar.
ICs eru nú notaðir í flestum rafeindatækjum, hafa nánast skipt út fyrir aðskilda rafeindaíhluti. Þeir eru minni, hraðari og ódýrari í framleiðslu en stakir íhlutir eftir stærðargráðum. Hröð innleiðing ICs í rafeindaiðnaðinum er einnig vegna mátahönnunar ICs, sem auðvelt er að nota til fjöldaframleiðslu.
Þessi lög eru þróuð á svipaðan hátt og venjulegar ljósmyndir nema að útfjólublátt ljós er notað frekar en sýnilegt ljós þar sem bylgjulengdir sýnilegs ljóss eru of stórar til að búa til eiginleika með nauðsynlegri nákvæmni. Eiginleikar nútíma IC eru svo litlir að ferliverkfræðingar verða að nota rafeindasmásjár til að kemba þær.
IC tilbúningur
Sjálfvirkur prófunarbúnaður (ATE) prófar hverja oblátu áður en hún er notuð til að búa til IC, ferli, almennt þekkt sem wafer probing eða oblátuprófun. Ofan er síðan skorin í rétthyrnd bita sem kallast teygjur og síðan tengdur við rafeindapakka með rafleiðandi vírum, sem venjulega eru úr gulli eða áli. Þessir vírar eru tengdir við púða sem eru venjulega staðsettir í kringum brún deyja með ómskoðun í ferli sem kallast hitahljóðtenging.
Tækin sem myndast gangast undir lokaprófunarstig, sem nota venjulega ATE og iðnaðar tölvusneiðmynda (CT) skannabúnað. Hlutfallslegur kostnaður við prófun er mjög mismunandi eftir ávöxtun, stærð og kostnaði tækisins. Til dæmis geta prófanir verið yfir 25% af heildarframleiðslukostnaði ódýrra tækja, en það getur verið nánast hverfandi fyrir stór og dýr tæki með lága ávöxtun.
Tækni
Framleiðsla ICs er mjög sjálfvirkt ferli sem notar margar sérstakar aðferðir. Þessi hæfileiki knýr háan kostnað við að byggja upp framleiðsluaðstöðu, sem getur farið yfir 8 milljarða dollara frá og með 2016. Búist er við að þessi kostnaður aukist mun hraðar en verðbólga vegna áframhaldandi þörf fyrir meiri sjálfvirkni.
Þróunin í átt að smærri smára mun halda áfram í fyrirsjáanlega framtíð, þar sem 14 nm er hátækni árið 2016. Gert er ráð fyrir að IC framleiðendur eins og Intel, Samsung, Global Foundries og TSMC hefji umskipti yfir í 10 nm smára í lok árs 2017 .
Stórar oblátur veita stærðarhagkvæmni, sem dregur úr heildarkostnaði ICs. Stærstu diskarnir sem fást eru í verslun eru 300 mm í þvermál, þar sem búist er við að 450 mm verði næsta hámarksstærð. Hins vegar eru verulegar tæknilegar áskoranir enn fyrir hendi við að búa til oblátur af þessari stærð.
Önnur tækni sem notuð er við framleiðslu á IC eru meðal annars þríhliða smári, sem Intel hefur framleitt með breidd 22 nm síðan 2011. IBM notar ferli sem kallast strained silicon direct on insulator (SSDOI), sem fjarlægir kísil-germaníum lagið frá obláta.
Kopar kemur í stað áltenginga í IC, fyrst og fremst vegna meiri rafleiðni. Low-K dielectric einangrunarefni og Silicon on Insulators (SOIs) eru einnig háþróuð framleiðslutækni fyrir ICs.
Aðrar heimildir um hálfleiðara
Grunnskilmálar og skilgreiningar fyrir Wafer
Cutting Si Wafers Off-Axis
Súrefnisúrkoma í sílikoni
Eiginleikar glers sem tengjast notkun með sílikoni
Leiðbeiningar um SEMI forskriftir fyrir Si Wafers
Blaut-efnafræðileg æting og hreinsun á sílikoni
Sólarsellur
Sólarrafhlaða notar ljósvökvaáhrifin til að umbreyta ljósorku í raforku, sem venjulega felur í sér frásog ljóss af einhverju efni til að örva rafeindir í hærra orkuástand. Þetta er tegund ljósafruma, tæki sem breytir rafeiginleikum sínum þegar það verður fyrir ljósi. Sólarsellur geta notað ljós frá hvaða uppsprettu sem er, jafnvel þó hugtakið „sól“ gefi til kynna að þær þurfi sólarljós.
Framleiðsla raforku sem orkugjafa er eitt þekktasta forritið fyrir sólarsellur. Þessar gerðir af sólarsellum nota ljósgjafa til að hlaða rafhlöðu, sem hægt er að nota til að knýja raftæki.
Sólarsellur eru oft samþættar í tækið sem þeim er ætlað að knýja. Sem dæmi má nefna að sólarorkuljósin sem almennt eru fáanleg í húsgagnaverslunum nota sólarsellur til að hlaða rafhlöðu á daginn. Á nóttunni knýr rafhlaðan hreyfiskynjara sem kveikir ljósið þegar það skynjar hreyfingu.
Sólarsellur má flokka í fyrstu, aðra og þriðju kynslóðar tegundir. Fyrstu kynslóðar frumur eru samsettar úr kristölluðu sílikoni, þar á meðal einkristölluðum sílikoni og fjölkísli. Þeir eru sem stendur algengasta tegund sólarsellu. Önnur kynslóð frumur nota þunnt filmu úr myndlausu sílikoni og eru venjulega notaðar í raforkuverum í atvinnuskyni. Þriðja kynslóðar sólarsellur nota þunnt filmu sem þróað er með margs konar nýrri tækni og hafa nú takmarkaða viðskiptanotkun.
Framleiðsla sólarfrumu
Mikill meirihluti fyrstu kynslóðar sólarsellu er samsettur úr kristölluðu sílikoni, þó að byggingargæði hennar og hreinleiki séu langt undir því sem notað er í IC. Einkristallaður kísill breytir ljósi í rafmagn á skilvirkari hátt en pólýkísill, en einkristallaður kísill er líka dýrari.
Bláturnar eru skornar í ferninga til að mynda einstakar frumur og horn þeirra eru síðan klippt til að mynda áttahyrninga. Þessi lögun gefur sólarplötum áberandi demantslíkt útlit. Frumurnar sem mynda sólarplötu verða allar að vera með sama plani til að hámarka umbreytingarskilvirkni. Spjöldin eru venjulega þakin glerplötu á hliðinni sem snýr að sólinni til að vernda obláturnar.
Sólarsellur geta verið tengdar í röð eða samhliða, allt eftir sérstökum kröfum. Að tengja frumurnar í röð eykur spennu þeirra á meðan samhliða tengingu þeirra eykur strauminn. Helsti ókosturinn við samhliða strengi er að skuggaáhrif geta valdið því að skyggða strengirnir slökkva, sem getur valdið því að upplýstu strengirnir beita öfugri hlutdrægni á skyggða strengina. Þessi áhrif geta leitt til verulegs orkutaps og jafnvel skemmda á frumunum.
Ákjósanlegasta lausnin á þessu vandamáli er að tengja strengi frumna í röð til að mynda einingar og nota hámarksaflpunkta rekja spor einhvers (MPPT) til að takast á við aflþörf strenganna óháð hver öðrum. Hins vegar er einnig hægt að tengja einingarnar saman til að mynda fylki með æskilegum hleðslustraumi og toppspennu. Önnur lausn á vandamálunum af völdum skuggaáhrifa er notkun shunt díóða til að draga úr orkutapi.
Stærð Aukning
Þróunin í átt að stærri kúlum í hálfleiðaraiðnaðinum hefur leitt til þess að sólarsellur hafa aukist. Sólarrafhlöðurnar sem þróaðar voru á níunda áratugnum eru gerðar úr frumum með þvermál á milli 50 og 100 mm. Spjöld sem framleidd voru á tíunda og tíunda áratugnum notuðu venjulega obláta með þvermál 125 mm og spjöld sem gerðar voru síðan 2008 eru með 156 mm frumur.
Notkun kísilþráða
Kísilplötur eru oftast notaðar sem undirlag fyrir samþættar rafrásir (ICs), þó að þær séu líka stór hluti í ljósafrumum eða sólarrafhlöðum. Grunnferlið við að búa til þessar skífur er það sama fyrir bæði þessi forrit, þó að gæðakröfurnar séu mun hærri fyrir skífurnar sem notaðar eru í ICs. Þessar oblátur gangast einnig undir fleiri skref eins og jónaígræðslu, ætingu og ljóslitógrafískum mynstri, sem eru ekki nauðsynlegar fyrir sólarsellur.
