Tấm silicon được làm từ một tinh thể silicon có độ tinh khiết cao, thường có ít hơn một phần tỷ chất gây ô nhiễm. Quá trình Czochralski là phương pháp phổ biến nhất để hình thành các tinh thể lớn có độ tinh khiết này, bao gồm việc kéo một tinh thể hạt từ silicon nóng chảy, thường được gọi là nấu chảy. Tinh thể hạt sau đó được tạo thành một thỏi hình trụ được gọi là bó hoa.
Các nguyên tố như boron và phốt pho có thể được thêm vào khối với số lượng chính xác để kiểm soát tính chất điện của tấm bán dẫn, thường nhằm mục đích biến nó thành chất bán dẫn loại n hoặc loại p. Sau đó, bó hoa được cắt thành những lát mỏng bằng cưa dây còn được gọi là cưa wafer. Các tấm wafer cắt có thể được đánh bóng ở các mức độ khác nhau.
Tấm wafer silicon được sử dụng để làm gì?
Tấm wafer silicon là một miếng silicon tinh thể mỏng thường được sử dụng trong ngành công nghiệp điện tử. Silicon được sử dụng cho mục đích này vì nó là chất bán dẫn, nghĩa là nó không phải là chất dẫn điện mạnh hay chất cách điện mạnh. Sự phong phú tự nhiên của nó và các đặc tính khác thường làm cho silicon được ưa chuộng hơn các chất bán dẫn khác như germanium để chế tạo tấm bán dẫn.
Kích thước phổ biến nhất của tấm silicon phụ thuộc vào ứng dụng của chúng. Các tấm bán dẫn được sử dụng trong IC có hình tròn với đường kính thường từ 100 đến 300 mm (mm). Độ dày thường tăng theo đường kính và thường nằm trong khoảng từ 525 đến 775 micron (μm). Các tấm wafer trong pin mặt trời thường có hình vuông với các cạnh có kích thước từ 100 đến 200 mm. Độ dày của chúng là từ 200 đến 300 μm, mặc dù điều này dự kiến sẽ được tiêu chuẩn hóa thành 160 μm trong tương lai gần.
Mạch tích hợp
IC, còn được gọi là vi mạch hoặc chỉ chip, là một tập hợp các mạch điện tử được đặt trong chất nền của vật liệu bán dẫn. Silicon đơn tinh thể hiện là chất nền phổ biến nhất cho IC, mặc dù gali arsenide được sử dụng trong một số ứng dụng như thiết bị liên lạc không dây. Tấm wafer làm bằng hợp kim silicon-germanium cũng đang được sử dụng rộng rãi hơn, điển hình là trong các ứng dụng mà tốc độ của silicon-germanium cao hơn có giá thành cao hơn.
IC hiện được sử dụng trong hầu hết các thiết bị điện tử, hầu như đã thay thế các linh kiện điện tử riêng biệt. Chúng nhỏ hơn, nhanh hơn và rẻ hơn để sản xuất so với các thành phần rời rạc theo cấp độ lớn. Việc áp dụng nhanh chóng IC trong ngành công nghiệp điện tử cũng là do thiết kế mô-đun của IC, dễ dàng áp dụng cho sản xuất hàng loạt.
Các lớp này được phát triển theo cách tương tự như các bức ảnh thông thường ngoại trừ việc sử dụng ánh sáng cực tím thay vì ánh sáng khả kiến vì bước sóng của ánh sáng khả kiến quá lớn để tạo ra các đặc điểm với độ chính xác cần thiết. Các tính năng của IC hiện đại nhỏ đến mức các kỹ sư xử lý phải sử dụng kính hiển vi điện tử để gỡ lỗi chúng.
Chế tạo vi mạch
Thiết bị kiểm tra tự động (ATE) kiểm tra từng tấm bán dẫn trước khi sử dụng nó để tạo ra vi mạch, một quy trình thường được gọi là thăm dò tấm bán dẫn hoặc kiểm tra tấm bán dẫn. Tấm wafer sau đó được cắt thành các miếng hình chữ nhật được gọi là khuôn và sau đó được kết nối với một gói điện tử thông qua dây dẫn điện, thường được làm bằng vàng hoặc nhôm. Các dây này được liên kết với các miếng đệm thường nằm xung quanh mép khuôn bằng siêu âm trong một quá trình gọi là liên kết nhiệt âm.
Các thiết bị thu được sẽ trải qua các giai đoạn thử nghiệm cuối cùng, thường sử dụng thiết bị quét ATE và chụp cắt lớp vi tính (CT) công nghiệp. Chi phí thử nghiệm tương đối khác nhau tùy theo năng suất, kích thước và giá thành của thiết bị. Ví dụ: thử nghiệm có thể chiếm hơn 25% tổng chi phí chế tạo các thiết bị rẻ tiền, nhưng nó hầu như không đáng kể đối với các thiết bị lớn, đắt tiền có năng suất thấp.
Kỹ thuật
Việc chế tạo IC là một quá trình tự động hóa cao, sử dụng nhiều kỹ thuật cụ thể. Những khả năng này khiến chi phí xây dựng cơ sở chế tạo tăng cao, có thể vượt quá 8 tỷ USD vào năm 2016. Chi phí này dự kiến sẽ tăng nhanh hơn nhiều so với lạm phát do nhu cầu tự động hóa ngày càng tăng.
Xu hướng sử dụng bóng bán dẫn nhỏ hơn sẽ tiếp tục trong tương lai gần, với 14 nm là công nghệ tiên tiến nhất vào năm 2016. Các nhà sản xuất vi mạch như Intel, Samsung, Global Foundries và TSMC dự kiến sẽ bắt đầu chuyển đổi sang bóng bán dẫn 10 nm vào cuối năm 2017 .
Các tấm wafer lớn mang lại tính kinh tế nhờ quy mô, giúp giảm tổng chi phí của IC. Tấm wafer lớn nhất hiện có trên thị trường có đường kính 300 mm, dự kiến 450 mm sẽ là kích thước tối đa tiếp theo. Tuy nhiên, vẫn tồn tại những thách thức kỹ thuật đáng kể để chế tạo các tấm bán dẫn có kích thước này.
Các kỹ thuật bổ sung được sử dụng trong chế tạo IC bao gồm các bóng bán dẫn ba cổng mà Intel đã sản xuất với chiều rộng 22 nm kể từ năm 2011. IBM sử dụng một quy trình được gọi là silicon căng trực tiếp trên chất cách điện (SSDOI), loại bỏ lớp silicon-germanium khỏi một tấm bánh xốp.
Đồng đang thay thế các kết nối bằng nhôm trong IC, chủ yếu là do tính dẫn điện cao hơn của nó. Chất cách điện có hàm lượng K thấp và Chất cách điện silicon (SOI) cũng là những kỹ thuật sản xuất IC tiên tiến.
Các tài nguyên khác về chất bán dẫn
Các thuật ngữ và định nghĩa wafer cơ bản
Cắt tấm Si ngoài trục
Lượng mưa oxy trong silic
Các tính chất của thủy tinh liên quan đến ứng dụng với Silicon
Hướng dẫn về thông số kỹ thuật SEMI cho tấm Si
Khắc hóa chất ướt và làm sạch silicon
Pin mặt trời
Pin mặt trời sử dụng hiệu ứng quang điện để chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện, thường liên quan đến sự hấp thụ ánh sáng của một số vật liệu để kích thích các electron sang trạng thái năng lượng cao hơn. Đó là một loại tế bào quang điện, một thiết bị thay đổi đặc tính điện khi tiếp xúc với ánh sáng. Pin mặt trời có thể sử dụng ánh sáng từ bất kỳ nguồn nào, mặc dù thuật ngữ "năng lượng mặt trời" ngụ ý rằng chúng cần ánh sáng mặt trời.
Việc tạo ra điện như một nguồn năng lượng là một trong những ứng dụng nổi tiếng nhất của pin mặt trời. Những loại pin mặt trời này sử dụng nguồn sáng để sạc pin, nguồn sáng này có thể dùng để cấp nguồn cho thiết bị điện.
Pin mặt trời thường được tích hợp vào thiết bị mà chúng dự định cung cấp năng lượng. Ví dụ, đèn chạy bằng năng lượng mặt trời thường có sẵn trong các cửa hàng đồ gia dụng sử dụng pin mặt trời để sạc pin vào ban ngày. Vào ban đêm, pin cung cấp năng lượng cho cảm biến chuyển động để bật đèn khi phát hiện chuyển động.
Pin mặt trời có thể được phân loại thành các loại thế hệ thứ nhất, thứ hai và thứ ba. Các tế bào thế hệ đầu tiên bao gồm silicon tinh thể, bao gồm silicon đơn tinh thể và polysilicon. Chúng hiện là loại pin mặt trời phổ biến nhất. Tế bào thế hệ thứ hai sử dụng màng mỏng làm từ silicon vô định hình và thường được sử dụng trong các nhà máy điện thương mại. Pin mặt trời thế hệ thứ ba sử dụng màng mỏng được phát triển với nhiều công nghệ mới nổi và hiện có ứng dụng thương mại hạn chế.
Chế tạo pin mặt trời
Phần lớn pin mặt trời thế hệ đầu tiên được cấu tạo từ silicon tinh thể, mặc dù chất lượng cấu trúc và độ tinh khiết của nó thấp hơn nhiều so với chất lượng và độ tinh khiết được sử dụng trong IC. Silicon đơn tinh thể chuyển đổi ánh sáng thành điện năng hiệu quả hơn polysilicon, nhưng silicon đơn tinh thể cũng đắt hơn.
Các tấm wafer được cắt thành các hình vuông để tạo thành các ô riêng lẻ và các góc của chúng sau đó được cắt bớt để tạo thành các hình bát giác. Hình dạng này mang lại cho các tấm pin mặt trời vẻ ngoài giống kim cương đặc biệt. Tất cả các tế bào tạo nên tấm pin mặt trời đều phải được định hướng dọc theo cùng một mặt phẳng để tối đa hóa hiệu suất chuyển đổi. Các tấm này thường được phủ một tấm kính ở mặt hướng ra ánh nắng mặt trời để bảo vệ các tấm wafer.
Pin mặt trời có thể được mắc nối tiếp hoặc song song tùy theo yêu cầu cụ thể. Việc kết nối các ô thành một chuỗi sẽ làm tăng điện áp của chúng trong khi kết nối chúng song song sẽ làm tăng dòng điện. Nhược điểm chính của các dây song song là hiệu ứng đổ bóng có thể làm cho các dây bị bóng bị tắt, điều này có thể khiến các dây được chiếu sáng áp dụng độ lệch ngược cho các dây bị bóng. Hiệu ứng này có thể dẫn đến mất năng lượng đáng kể và thậm chí làm hỏng các tế bào.
Giải pháp ưu tiên cho vấn đề này là kết nối các chuỗi ô nối tiếp để tạo thành các mô-đun và sử dụng bộ theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) để xử lý các yêu cầu công suất của các chuỗi độc lập với nhau. Tuy nhiên, các mô-đun cũng có thể được kết nối với nhau để tạo thành một mảng có dòng điện tải và điện áp đỉnh mong muốn. Một giải pháp khác cho các vấn đề do hiệu ứng bóng gây ra là sử dụng điốt shunt để giảm tổn thất điện năng.
Tăng kích thước
Xu hướng hướng tới các khối lớn hơn trong ngành bán dẫn đã dẫn đến sự gia tăng kích thước của pin mặt trời. Các tấm pin mặt trời được phát triển vào những năm 1980 được làm từ các tế bào có đường kính từ 50 đến 100 mm. Các tấm được sản xuất trong những năm 1990 và 2000 thường sử dụng các tấm wafer có đường kính 125 mm và các tấm được sản xuất từ năm 2008 có các ô 156 mm.
Việc sử dụng tấm silicon
Tấm silicon thường được sử dụng làm chất nền cho các mạch tích hợp (IC), mặc dù chúng cũng là thành phần chính trong tế bào quang điện hoặc năng lượng mặt trời. Quy trình cơ bản để chế tạo các tấm bán dẫn này giống nhau đối với cả hai ứng dụng này, mặc dù yêu cầu về chất lượng đối với các tấm bán dẫn được sử dụng trong IC cao hơn nhiều. Những tấm wafer này cũng trải qua các bước bổ sung như cấy ion, khắc axit và tạo mẫu quang khắc, những bước không cần thiết cho pin mặt trời.