Křemíkové destičky jsou vyrobeny z jednoho krystalu vysoce čistého křemíku, typicky s méně než jednou částí na miliardu nečistot. Czochralského proces je nejběžnější metodou tvorby velkých krystalů této čistoty, která zahrnuje vytažení zárodečného krystalu z roztaveného křemíku, běžně známého jako tavenina. Zárodečný krystal je pak formován do válcového ingotu známého jako boule.
Prvky jako bor a fosfor mohou být přidány do koule v přesných množstvích pro řízení elektrických vlastností destičky, obecně za účelem výroby polovodiče typu n nebo typu p. Koule se poté nařeže na tenké plátky drátěnou pilou známou také jako oplatková pila. Řezané plátky mohou být leštěny v různé míře.
K čemu se používá křemíkový plátek?
Křemíkový plátek je tenký plátek krystalického křemíku běžně používaný v elektronickém průmyslu. K tomuto účelu se používá křemík, protože je to polovodič, což znamená, že není ani silným vodičem, ani silným izolátorem elektřiny. Jeho přirozené množství a další vlastnosti obecně činí křemík výhodnějším než jiné polovodiče, jako je germanium pro výrobu destiček.
Nejběžnější rozměry křemíkových plátků závisí na jejich použití. Plátky používané v integrovaných obvodech jsou kulaté s průměry typicky v rozmezí od 100 do 300 milimetrů (mm). Tloušťka obecně roste s průměrem a je obvykle v rozmezí 525 až 775 mikronů (μm). Plátky v solárních článcích jsou obvykle čtvercové se stranami o rozměrech 100 až 200 mm. Jejich tloušťka se pohybuje mezi 200 a 300 μm, i když se očekává, že v blízké budoucnosti bude standardizována na 160 μm.
Integrované obvody
IC, také známý jako mikročip nebo jen čip, je sada elektronických obvodů zasazených do substrátu z polovodičového materiálu. Monokrystalický křemík je v současné době nejběžnějším substrátem pro integrované obvody, i když arsenid galia se používá v některých aplikacích, jako jsou zařízení pro bezdrátovou komunikaci. Stále více se také používají destičky vyrobené ze slitin křemíku a germania, obvykle v aplikacích, kde vyšší rychlost křemíku a germania stojí za vyšší náklady.
Integrované obvody se v současné době používají ve většině elektronických zařízení a prakticky nahradily samostatné elektronické součástky. Jsou menší, rychlejší a levnější na výrobu než diskrétní součástky o řády. Rychlé přijetí integrovaných obvodů v elektronickém průmyslu je také způsobeno modulární konstrukcí integrovaných obvodů, která se snadno hodí k hromadné výrobě.
Tyto vrstvy jsou vyvolány podobným způsobem jako běžné fotografie s tím rozdílem, že se používá spíše ultrafialové světlo než viditelné světlo, protože vlnové délky viditelného světla jsou příliš velké na to, aby vytvořily útvary s potřebnou přesností. Vlastnosti moderních integrovaných obvodů jsou tak malé, že procesní inženýři musí k jejich odladění používat elektronové mikroskopy.
Výroba IC
Automatizované testovací zařízení (ATE) testuje každý wafer před jeho použitím k vytvoření IC, což je proces, běžně známý jako wafer probing nebo wafer testing. Oplatka je poté rozřezána na obdélníkové kusy známé jako matrice a poté připojena k elektronickému obalu pomocí elektricky vodivých drátů, které jsou obvykle vyrobeny ze zlata nebo hliníku. Tyto dráty jsou připojeny k podložkám, které jsou obvykle umístěny kolem okraje matrice pomocí ultrazvuku v procesu zvaném termosonické spojování.
Výsledná zařízení procházejí závěrečnými testovacími fázemi, které obvykle využívají ATE a skenovací zařízení pro průmyslovou počítačovou tomografii (CT). Relativní náklady na testování se značně liší v závislosti na výtěžnosti, velikosti a ceně zařízení. Například testování může představovat více než 25 % celkových výrobních nákladů levných zařízení, ale u velkých a drahých zařízení s nízkými výtěžnostmi může být prakticky zanedbatelné.
Techniky
Výroba integrovaných obvodů je vysoce automatizovaný proces, který využívá mnoho specifických technik. Tyto schopnosti způsobují vysoké náklady na vybudování výrobního zařízení, které mohou od roku 2016 přesáhnout 8 miliard USD. Očekává se, že tyto náklady porostou mnohem rychleji než inflace kvůli pokračující potřebě větší automatizace.
Trend směrem k menším tranzistorům bude v dohledné době pokračovat, přičemž 14 nm bude nejmodernější v roce 2016. Očekává se, že výrobci IC jako Intel, Samsung, Global Foundries a TSMC zahájí přechod na 10 nm tranzistory do konce roku 2017. .
Velké wafery poskytují úsporu z rozsahu, což snižuje celkové náklady na integrované obvody. Největší komerčně dostupné destičky mají průměr 300 mm, přičemž se očekává, že příští maximální velikost bude 450 mm. Pro výrobu plátků této velikosti však stále existují významné technické problémy.
Mezi další techniky používané při výrobě integrovaných obvodů patří tri-gate tranzistory, které Intel vyrábí o šířce 22 nm od roku 2011. IBM používá proces známý jako namáhaný křemík přímo na izolátoru (SSDOI), který odstraňuje vrstvu křemíku a germania z oplatka.
Měď nahrazuje hliníková propojení v integrovaných obvodech, a to především kvůli své větší elektrické vodivosti. Dielektrické izolátory s nízkým K a Silicon on Insulators (SOI) jsou také pokročilé výrobní techniky pro integrované obvody.
Další zdroje o polovodičích
Základní termíny a definice oplatek
Řezání Si waferů mimo osu
Srážení kyslíku v křemíku
Vlastnosti skla ve vztahu k aplikacím s křemíkem
Průvodce specifikacemi SEMI pro Si wafery
Mokré chemické leptání a čištění křemíku
Solární články
Solární článek využívá fotovoltaický efekt k přeměně světelné energie na elektrickou energii, což obecně zahrnuje absorpci světla nějakým materiálem k excitaci elektronů do vyššího energetického stavu. Je to typ fotoelektrického článku, zařízení, které při vystavení světlu mění své elektrické vlastnosti. Solární články mohou využívat světlo z jakéhokoli zdroje, i když termín „solární“ znamená, že vyžadují sluneční světlo.
Výroba elektřiny jako zdroje energie je jednou z nejznámějších aplikací pro solární články. Tyto typy solárních článků využívají k nabíjení baterie zdroj světla, který lze použít k napájení elektrického zařízení.
Solární články jsou často integrovány do zařízení, které mají napájet. Například světla na solární pohon běžně dostupná v obchodech s domácími potřebami používají solární články k nabíjení baterie během dne. V noci baterie napájí pohybový senzor, který rozsvítí světlo, když detekuje pohyb.
Solární články lze rozdělit na typy první, druhé a třetí generace. Články první generace se skládají z krystalického křemíku, včetně monokrystalického křemíku a polykřemíku. V současnosti jsou nejrozšířenějším typem solárních článků. Články druhé generace používají tenký film složený z amorfního křemíku a obvykle se používají v komerčních elektrárnách. Solární články třetí generace využívají tenký film vyvinutý řadou nově vznikajících technologií a v současnosti mají omezené komerční využití.
Výroba solárních článků
Velká většina solárních článků první generace je složena z krystalického křemíku, ačkoli jeho strukturální kvalita a čistota jsou mnohem nižší než u integrovaných obvodů. Monokrystalický křemík přeměňuje světlo na elektřinu efektivněji než polykřemík, ale monokrystalický křemík je také dražší.
Oplatky se nařežou na čtverce, aby se vytvořily jednotlivé buňky, a jejich rohy se pak seříznou do osmiúhelníků. Tento tvar dodává solárním panelům jejich charakteristický vzhled připomínající diamant. Články, které tvoří solární panel, musí být všechny orientovány ve stejné rovině, aby se maximalizovala účinnost konverze. Panely jsou obvykle pokryty skleněnou deskou na straně obrácené ke slunci, aby byly plátky chráněny.
Solární články mohou být zapojeny sériově nebo paralelně, v závislosti na konkrétních požadavcích. Zapojením článků do série se zvýší jejich napětí, zatímco paralelním zapojením se zvýší proud. Primární nevýhodou paralelních strun je to, že stínové efekty mohou způsobit vypnutí zastíněných strun, což může způsobit, že osvětlené struny aplikují zpětné předpětí na zastíněné struny. Tento efekt může mít za následek podstatnou ztrátu výkonu a dokonce poškození buněk.
Upřednostňovaným řešením tohoto problému je propojit řetězce článků do série za účelem vytvoření modulů a použití sledovačů bodu maximálního výkonu (MPPT) ke zpracování požadavků na výkon řetězců nezávisle na sobě. Moduly však lze také vzájemně propojit a vytvořit pole s požadovaným zatěžovacím proudem a špičkovým napětím. Dalším řešením problémů způsobených stínovými efekty je použití bočníkových diod pro snížení ztrát energie.
Zvětšení velikosti
Trend k větším koulím v polovodičovém průmyslu vedl ke zvětšení velikosti solárních článků. Solární panely vyvinuté v 80. letech jsou vyrobeny z článků o průměru mezi 50 a 100 mm. Panely vyrobené v průběhu 90. a 20. století obvykle používaly destičky o průměru 125 mm a panely vyrobené od roku 2008 mají buňky 156 mm.
Použití křemíkových plátků
Křemíkové destičky se nejčastěji používají jako substrát pro integrované obvody (IC), ačkoli jsou také hlavní součástí fotovoltaických nebo solárních článků. Základní proces výroby těchto waferů je stejný pro obě tyto aplikace, i když požadavky na kvalitu jsou mnohem vyšší pro wafery používané v IC. Tyto destičky také procházejí dalšími kroky, jako je implantace iontů, leptání a fotolitografické vzorování, které nejsou pro solární články potřeba.
