เวเฟอร์ซิลิคอนใช้ทำอะไร?

เวเฟอร์ซิลิคอนทำจากผลึกซิลิคอนบริสุทธิ์สูงเพียงผลึกเดียว โดยทั่วไปจะมีสารปนเปื้อนน้อยกว่าหนึ่งส่วนต่อพันล้านส่วน กระบวนการ Czochralski เป็นวิธีการทั่วไปในการสร้างผลึกขนาดใหญ่ที่มีความบริสุทธิ์นี้ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการดึงผลึกเมล็ดจากซิลิคอนหลอมเหลว หรือที่เรียกกันทั่วไปว่าการหลอมละลาย จากนั้นผลึกเมล็ดจะก่อตัวเป็นแท่งโลหะทรงกระบอกที่เรียกว่าลูกเปตอง

องค์ประกอบต่างๆ เช่น โบรอนและฟอสฟอรัสอาจเติมลงในลูกเปตองในปริมาณที่แม่นยำเพื่อควบคุมคุณสมบัติทางไฟฟ้าของเวเฟอร์ โดยทั่วไปเพื่อวัตถุประสงค์ในการทำให้เป็นเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n หรือชนิด p จากนั้นจึงหั่นลูกเปตองเป็นชิ้นบางๆ ด้วยเลื่อยลวดหรือที่เรียกว่าเลื่อยเวเฟอร์ เวเฟอร์ที่ตัดแล้วอาจถูกขัดเงาได้หลายองศา

เวเฟอร์ซิลิคอนใช้ทำอะไร?

เวเฟอร์ซิลิคอนเป็นซิลิคอนผลึกชิ้นบาง ๆ ที่ใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ ซิลิคอนใช้เพื่อจุดประสงค์นี้เนื่องจากเป็นเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งหมายความว่ามันไม่ใช่ทั้งตัวนำไฟฟ้าที่แข็งแกร่งหรือฉนวนไฟฟ้าอย่างแรง ความอุดมสมบูรณ์ตามธรรมชาติและคุณสมบัติอื่นๆ โดยทั่วไปแล้วทำให้ซิลิคอนเป็นที่นิยมมากกว่าเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ เช่น เจอร์เมเนียมสำหรับทำเวเฟอร์

ขนาดทั่วไปของเวเฟอร์ซิลิคอนขึ้นอยู่กับการใช้งาน เวเฟอร์ที่ใช้ในไอซีมีลักษณะกลม โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 100 ถึง 300 มิลลิเมตร (มม.) โดยทั่วไปความหนาจะเพิ่มขึ้นตามเส้นผ่านศูนย์กลาง และโดยปกติจะอยู่ในช่วง 525 ถึง 775 ไมครอน (μm) แผ่นเวเฟอร์ในเซลล์แสงอาทิตย์มักจะเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัส โดยมีด้านขนาด 100 ถึง 200 มม. ความหนาอยู่ระหว่าง 200 ถึง 300 μm แม้ว่าคาดว่าจะได้มาตรฐานที่ 160 μm ในอนาคตอันใกล้นี้

วงจรรวม

ไอซีหรือที่รู้จักกันในชื่อไมโครชิปหรือชิปคือชุดของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ตั้งค่าเป็นสารตั้งต้นของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ปัจจุบันซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์เป็นสารตั้งต้นที่พบมากที่สุดสำหรับไอซี แม้ว่าแกลเลียมอาร์เซไนด์จะใช้ในการใช้งานบางอย่าง เช่น อุปกรณ์สื่อสารไร้สายก็ตาม เวเฟอร์ที่ทำจากโลหะผสมซิลิคอน-เจอร์เมเนียมกำลังมีการใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้น โดยทั่วไปในการใช้งานที่ความเร็วของซิลิคอน-เจอร์เมเนียมที่สูงกว่านั้นคุ้มค่ากับต้นทุนที่สูงกว่า

ปัจจุบันไอซีถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ โดยแทบจะแทนที่ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่แยกจากกัน มีขนาดเล็กกว่า เร็วกว่า และราคาถูกกว่าในการผลิตมากกว่าส่วนประกอบแบบแยกตามลำดับความสำคัญ การนำ IC มาใช้อย่างรวดเร็วในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ก็เนื่องมาจากการออกแบบโมดูลาร์ของ IC ซึ่งทำให้สามารถผลิตจำนวนมากได้อย่างง่ายดาย

เลเยอร์เหล่านี้ได้รับการพัฒนาในลักษณะที่คล้ายคลึงกับภาพถ่ายทั่วไป ยกเว้นว่ามีการใช้แสงอัลตราไวโอเลตแทนแสงที่มองเห็นได้ เนื่องจากความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นมีขนาดใหญ่เกินไปที่จะสร้างลักษณะที่มีความแม่นยำที่จำเป็น คุณลักษณะของไอซีสมัยใหม่มีขนาดเล็กมากจนวิศวกรกระบวนการต้องใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเพื่อตรวจแก้จุดบกพร่อง

การผลิตไอซี

อุปกรณ์ทดสอบอัตโนมัติ (ATE) ทดสอบแต่ละเวเฟอร์ก่อนที่จะนำไปใช้เพื่อสร้าง IC ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกกันทั่วไปว่าการตรวจสอบเวเฟอร์หรือการทดสอบเวเฟอร์ จากนั้นแผ่นเวเฟอร์จะถูกตัดเป็นชิ้นสี่เหลี่ยมที่เรียกว่าแม่พิมพ์ จากนั้นเชื่อมต่อกับบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ผ่านสายไฟที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ซึ่งมักจะทำจากทองหรืออลูมิเนียม สายไฟเหล่านี้ผูกติดกับแผ่นอิเล็กโทรดที่โดยทั่วไปจะตั้งอยู่รอบขอบของแม่พิมพ์โดยใช้อัลตราซาวนด์ในกระบวนการที่เรียกว่าพันธะเทอร์โมโซนิก

อุปกรณ์ที่ได้จะผ่านขั้นตอนการทดสอบขั้นสุดท้าย ซึ่งโดยทั่วไปจะใช้ ATE และอุปกรณ์สแกนด้วยเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ (CT) ทางอุตสาหกรรม ต้นทุนในการทดสอบจะแตกต่างกันไปตามผลผลิต ขนาด และราคาของอุปกรณ์ ตัวอย่างเช่น การทดสอบอาจคิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 25% ของต้นทุนการผลิตทั้งหมดของอุปกรณ์ที่มีราคาไม่แพง แต่อาจไม่มีความสำคัญเลยสำหรับอุปกรณ์ขนาดใหญ่ราคาแพงที่ให้ผลผลิตต่ำ

เทคนิค

การประดิษฐ์ไอซีเป็นกระบวนการอัตโนมัติขั้นสูงซึ่งใช้เทคนิคเฉพาะมากมาย ความสามารถเหล่านี้ผลักดันให้เกิดต้นทุนที่สูงในการสร้างโรงงานผลิต ซึ่งอาจเกิน 8 พันล้านดอลลาร์ในปี 2559 ค่าใช้จ่ายนี้คาดว่าจะเพิ่มขึ้นเร็วกว่าอัตราเงินเฟ้อมาก เนื่องจากความต้องการระบบอัตโนมัติที่มากขึ้นอย่างต่อเนื่อง

แนวโน้มของทรานซิสเตอร์ที่มีขนาดเล็กลงจะยังคงดำเนินต่อไปในอนาคตอันใกล้ โดย 14 นาโนเมตรถือเป็นเทคโนโลยีที่ทันสมัยในปี 2559 ผู้ผลิต IC เช่น Intel, Samsung, Global Foundries และ TSMC คาดว่าจะเริ่มเปลี่ยนไปใช้ทรานซิสเตอร์ 10 นาโนเมตรภายในสิ้นปี 2560 .

เวเฟอร์ขนาดใหญ่ช่วยประหยัดจากขนาด ซึ่งช่วยลดต้นทุนรวมของไอซี เวเฟอร์ที่ใหญ่ที่สุดที่มีจำหน่ายในท้องตลาดคือเส้นผ่านศูนย์กลาง 300 มม. โดยคาดว่าจะเป็นขนาดสูงสุดลำดับถัดไปคือ 450 มม. อย่างไรก็ตาม ยังมีความท้าทายทางเทคนิคที่สำคัญสำหรับการผลิตเวเฟอร์ขนาดนี้

เทคนิคเพิ่มเติมที่ใช้ในการผลิตไอซี ได้แก่ ทรานซิสเตอร์แบบไตรเกต ซึ่ง Intel ผลิตขึ้นด้วยความกว้าง 22 นาโนเมตรมาตั้งแต่ปี 2554 IBM ใช้กระบวนการที่เรียกว่าซิลิคอนเครียดบนฉนวน (SSDOI) โดยตรง ซึ่งจะขจัดชั้นซิลิคอน-เจอร์เมเนียมออกจาก เวเฟอร์

ทองแดงกำลังเข้ามาแทนที่การเชื่อมต่อระหว่างอะลูมิเนียมในไอซี โดยมีสาเหตุหลักมาจากการนำไฟฟ้าที่มากขึ้น ฉนวนไดอิเล็กตริก Low-K และซิลิคอนบนฉนวน (SOI) ยังเป็นเทคนิคการผลิตขั้นสูงสำหรับไอซี

แหล่งข้อมูลอื่นๆ เกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์

ข้อกำหนดและคำจำกัดความพื้นฐานของเวเฟอร์
การตัด Si Wafers นอกแกน
การตกตะกอนของออกซิเจนในซิลิคอน
คุณสมบัติของแก้วที่เกี่ยวข้องกับการใช้งานกับซิลิคอน
คู่มือข้อมูลจำเพาะ SEMI สำหรับ Si Wafer
การแกะสลักและการทำความสะอาดด้วยสารเคมีเปียกของซิลิคอน

พลังงานแสงอาทิตย์

เซลล์แสงอาทิตย์ใช้ปรากฏการณ์โฟโตโวลตาอิกในการแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้า ซึ่งโดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับการดูดกลืนแสงจากวัสดุบางชนิดเพื่อกระตุ้นอิเล็กตรอนให้มีสถานะพลังงานสูงขึ้น เป็นเซลล์ตาแมวชนิดหนึ่ง ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่เปลี่ยนลักษณะทางไฟฟ้าเมื่อสัมผัสกับแสง เซลล์แสงอาทิตย์สามารถใช้แสงจากแหล่งใดก็ได้ แม้ว่าคำว่า "แสงอาทิตย์" จะบ่งบอกว่าพวกเขาต้องการแสงแดดก็ตาม

การผลิตไฟฟ้าเพื่อเป็นแหล่งพลังงานเป็นหนึ่งในการใช้งานเซลล์แสงอาทิตย์ที่รู้จักกันดีที่สุด เซลล์แสงอาทิตย์ประเภทนี้ใช้แหล่งกำเนิดแสงในการชาร์จแบตเตอรี่ ซึ่งสามารถนำไปใช้จ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าได้

เซลล์แสงอาทิตย์มักถูกรวมเข้ากับอุปกรณ์ที่ต้องการจ่ายไฟ ตัวอย่างเช่น ไฟพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีจำหน่ายทั่วไปในร้านปรับปรุงบ้านจะใช้เซลล์แสงอาทิตย์เพื่อชาร์จแบตเตอรี่ในระหว่างวัน ในเวลากลางคืน แบตเตอรี่จะจ่ายพลังงานให้กับเซ็นเซอร์ตรวจจับความเคลื่อนไหวที่จะเปิดไฟเมื่อตรวจพบการเคลื่อนไหว

เซลล์แสงอาทิตย์อาจจำแนกได้เป็นประเภทที่ 1, 2 และ 3 เซลล์รุ่นแรกประกอบด้วยผลึกซิลิคอน รวมถึงซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์และโพลีซิลิคอน ปัจจุบันเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ประเภทที่พบมากที่สุด เซลล์รุ่นที่สองใช้ฟิล์มบางที่ประกอบด้วยซิลิคอนอสัณฐาน และมักใช้ในโรงไฟฟ้าเชิงพาณิชย์ เซลล์แสงอาทิตย์รุ่นที่สามใช้ฟิล์มบางที่พัฒนาด้วยเทคโนโลยีเกิดใหม่ที่หลากหลาย และปัจจุบันมีการใช้งานเชิงพาณิชย์อย่างจำกัด

การผลิตเซลล์แสงอาทิตย์

เซลล์แสงอาทิตย์รุ่นแรกส่วนใหญ่ประกอบด้วยผลึกซิลิคอน แม้ว่าคุณภาพโครงสร้างและความบริสุทธิ์จะต่ำกว่าที่ใช้ในไอซีมากก็ตาม ซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์แปลงแสงเป็นไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าโพลีซิลิคอน แต่ซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์ก็มีราคาแพงกว่าเช่นกัน

เวเฟอร์ถูกตัดเป็นสี่เหลี่ยมเพื่อสร้างแต่ละเซลล์ จากนั้นจึงตัดมุมของพวกมันให้เป็นรูปแปดเหลี่ยม รูปร่างนี้ทำให้แผงโซลาร์เซลล์มีลักษณะคล้ายเพชรที่โดดเด่น เซลล์ที่ประกอบเป็นแผงโซลาร์เซลล์ทั้งหมดจะต้องอยู่ในระนาบเดียวกันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงให้สูงสุด โดยทั่วไปแผงจะถูกปิดด้วยแผ่นกระจกที่ด้านข้างซึ่งหันหน้าไปทางดวงอาทิตย์เพื่อป้องกันเวเฟอร์

เซลล์แสงอาทิตย์อาจเชื่อมต่อแบบอนุกรมหรือขนาน ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะ การเชื่อมต่อเซลล์แบบอนุกรมจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าในขณะที่การเชื่อมต่อเซลล์แบบขนานจะทำให้กระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ข้อเสียเปรียบหลักของสตริงคู่ขนานคือเอฟเฟกต์เงาอาจทำให้สตริงที่มีเงาปิดลง ซึ่งอาจทำให้สตริงที่มีแสงสว่างใช้อคติย้อนกลับกับสตริงที่มีเงา ผลกระทบนี้อาจส่งผลให้สูญเสียพลังงานอย่างมากและอาจทำให้เซลล์เสียหายได้

วิธีแก้ปัญหาที่แนะนำสำหรับปัญหานี้คือการเชื่อมต่อสตริงของเซลล์เป็นอนุกรมเพื่อสร้างโมดูล และใช้ตัวติดตามกำลังไฟสูงสุด (MPPT) เพื่อจัดการความต้องการพลังงานของสตริงแยกจากกัน อย่างไรก็ตาม โมดูลยังสามารถเชื่อมต่อระหว่างกันเพื่อสร้างอาร์เรย์ที่มีกระแสโหลดและแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ต้องการได้ วิธีแก้ปัญหาอีกประการหนึ่งที่เกิดจากเอฟเฟกต์เงาคือการใช้ไดโอดแบ่งเพื่อลดการสูญเสียพลังงาน

เพิ่มขนาด

แนวโน้มของลูกเปตองที่ใหญ่ขึ้นในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ส่งผลให้ขนาดของเซลล์แสงอาทิตย์เพิ่มขึ้น แผงโซลาร์เซลล์ที่พัฒนาขึ้นในช่วงทศวรรษ 1980 ทำจากเซลล์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 50 ถึง 100 มม. โดยทั่วไปแผงที่ผลิตในช่วงทศวรรษปี 1990 และ 2000 จะใช้เวเฟอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 125 มม. และแผงที่ผลิตตั้งแต่ปี 2008 จะมีเซลล์ขนาด 156 มม.

การใช้เวเฟอร์ซิลิคอน

เวเฟอร์ซิลิคอนมักถูกใช้เป็นสารตั้งต้นสำหรับวงจรรวม (IC) แม้ว่าจะเป็นส่วนประกอบหลักในเซลล์แสงอาทิตย์หรือเซลล์แสงอาทิตย์ก็ตาม กระบวนการพื้นฐานในการผลิตเวเฟอร์เหล่านี้จะเหมือนกันสำหรับทั้งสองแอปพลิเคชันนี้ แม้ว่าข้อกำหนดด้านคุณภาพจะสูงกว่ามากสำหรับเวเฟอร์ที่ใช้ในไอซีก็ตาม เวเฟอร์เหล่านี้ยังผ่านขั้นตอนเพิ่มเติม เช่น การฝังไอออน การแกะสลัก และการสร้างลวดลายด้วยแสง ซึ่งไม่จำเป็นสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์