Siliziumwafer werden aus einem Einkristall aus hochreinem Silizium hergestellt, das typischerweise weniger als ein Teil pro Milliarde Verunreinigungen enthält. Das Czochralski-Verfahren ist die gängigste Methode zur Herstellung großer Kristalle dieser Reinheit. Dabei wird ein Impfkristall aus geschmolzenem Silizium gezogen, das allgemein als Schmelze bezeichnet wird. Der Impfkristall wird dann zu einem zylindrischen Barren geformt, der als Boule bezeichnet wird.
Elemente wie Bor und Phosphor können der Boule in genauen Mengen hinzugefügt werden, um die elektrischen Eigenschaften des Wafers zu steuern, im Allgemeinen um ihn zu einem n-Typ- oder p-Typ-Halbleiter zu machen. Die Boule wird dann mit einer Drahtsäge, auch Wafersäge genannt, in dünne Scheiben geschnitten. Die geschnittenen Wafer können in unterschiedlichem Maße poliert werden.
Wofür wird ein Silizium-Wafer verwendet?
Ein Siliziumwafer ist eine dünne Scheibe aus kristallinem Silizium, die häufig in der Elektronikindustrie verwendet wird. Silizium wird für diesen Zweck verwendet, weil es ein Halbleiter ist, was bedeutet, dass es weder ein starker Leiter noch ein starker Isolator für Elektrizität ist. Aufgrund seines natürlichen Vorkommens und anderer Eigenschaften ist Silizium für die Herstellung von Wafern im Allgemeinen anderen Halbleitern wie Germanium vorzuziehen.
Die gängigsten Abmessungen von Siliziumwafern hängen von ihrer Anwendung ab. Die in ICs verwendeten Wafer sind rund und haben einen Durchmesser von typischerweise 100 bis 300 Millimeter (mm). Die Dicke nimmt im Allgemeinen mit dem Durchmesser zu und liegt normalerweise im Bereich von 525 bis 775 Mikrometer (μm). Die Wafer in Solarzellen sind normalerweise quadratisch mit einer Kantenlänge von 100 bis 200 mm. Ihre Dicke beträgt zwischen 200 und 300 μm, obwohl in naher Zukunft eine Standardisierung auf 160 μm erwartet wird.
Integrierte Schaltkreise
Ein IC, auch Mikrochip oder einfach Chip genannt, ist eine Reihe elektronischer Schaltkreise, die in ein Substrat aus Halbleitermaterial eingelassen sind. Monokristallines Silizium ist derzeit das gängigste Substrat für ICs, obwohl in einigen Anwendungen, wie etwa in drahtlosen Kommunikationsgeräten, auch Galliumarsenid verwendet wird. Auch Wafer aus Silizium-Germanium-Legierungen werden immer häufiger eingesetzt, typischerweise in Anwendungen, bei denen die höhere Geschwindigkeit von Silizium-Germanium die höheren Kosten rechtfertigt.
ICs werden derzeit in den meisten elektronischen Geräten verwendet und haben einzelne elektronische Komponenten praktisch ersetzt. Sie sind um Größenordnungen kleiner, schneller und billiger herzustellen als einzelne Komponenten. Die schnelle Verbreitung von ICs in der Elektronikindustrie ist auch auf das modulare Design von ICs zurückzuführen, das sich leicht für die Massenproduktion eignet.
Diese Schichten werden ähnlich wie normale Fotografien entwickelt, mit dem Unterschied, dass hier ultraviolettes Licht statt sichtbarem Licht verwendet wird, da die Wellenlängen des sichtbaren Lichts zu groß sind, um Strukturen mit der erforderlichen Präzision zu erzeugen. Die Strukturen moderner ICs sind so klein, dass Prozessingenieure Elektronenmikroskope verwenden müssen, um sie zu debuggen.
IC-Herstellung
Automatisierte Testgeräte (ATE) testen jeden Wafer, bevor er zur Herstellung eines ICs verwendet wird. Dieser Vorgang wird allgemein als Wafer-Probing oder Wafer-Testen bezeichnet. Der Wafer wird dann in rechteckige Stücke, sogenannte Dies, geschnitten und über elektrisch leitfähige Drähte, die normalerweise aus Gold oder Aluminium bestehen, mit einem elektronischen Paket verbunden. Diese Drähte werden in einem als Thermosonic Bonding bezeichneten Prozess mithilfe von Ultraschall an Pads gebondet, die sich normalerweise am Rand des Dies befinden.
Die daraus resultierenden Geräte durchlaufen abschließende Testphasen, bei denen üblicherweise ATE- und industrielle Computertomographie-(CT)-Scangeräte zum Einsatz kommen. Die relativen Testkosten variieren stark je nach Ausbeute, Größe und Kosten des Geräts. Beispielsweise können die Tests bei preisgünstigen Geräten über 25 % der gesamten Herstellungskosten ausmachen, bei großen, teuren Geräten mit geringer Ausbeute können sie jedoch praktisch vernachlässigbar sein.
Techniken
Die Herstellung von ICs ist ein hochautomatisierter Prozess, bei dem viele spezielle Techniken zum Einsatz kommen. Diese Fähigkeiten treiben die hohen Kosten für den Bau einer Fertigungsanlage in die Höhe, die ab 2016 8 Milliarden US-Dollar übersteigen können. Aufgrund des anhaltenden Bedarfs an stärkerer Automatisierung werden diese Kosten voraussichtlich viel schneller steigen als die Inflation.
Der Trend zu kleineren Transistoren wird sich in absehbarer Zukunft fortsetzen, wobei 14 nm im Jahr 2016 Stand der Technik sind. IC-Hersteller wie Intel, Samsung, Global Foundries und TSMC werden voraussichtlich Ende 2017 mit der Umstellung auf 10 nm-Transistoren beginnen.
Große Wafer ermöglichen Skaleneffekte, die die Gesamtkosten von ICs senken. Die größten kommerziell erhältlichen Wafer haben einen Durchmesser von 300 mm, 450 mm dürften die nächstgrößere Größe sein. Die Herstellung von Wafern dieser Größe ist jedoch immer noch mit erheblichen technischen Herausforderungen verbunden.
Weitere Techniken, die bei der Herstellung von ICs zum Einsatz kommen, sind beispielsweise Tri-Gate-Transistoren, die Intel seit 2011 mit einer Breite von 22 nm herstellt. IBM verwendet ein Verfahren namens Strained Silicon Directly on Insulator (SSDOI), bei dem die Silizium-Germanium-Schicht von einem Wafer entfernt wird.
Kupfer ersetzt Aluminiumverbindungen in ICs, hauptsächlich aufgrund seiner höheren elektrischen Leitfähigkeit. Low-K-Dielektrika und Silicon-on-Insulators (SOIs) sind ebenfalls fortschrittliche Fertigungstechniken für ICs.
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Solarzellen
Eine Solarzelle nutzt den Photovoltaikeffekt, um Lichtenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Dabei wird Licht von einem Material absorbiert, um Elektronen in einen höheren Energiezustand zu versetzen. Es handelt sich um eine Art photoelektrische Zelle, also ein Gerät, das seine elektrischen Eigenschaften ändert, wenn es Licht ausgesetzt wird. Solarzellen können Licht aus jeder beliebigen Quelle nutzen, auch wenn der Begriff „Solar“ impliziert, dass sie Sonnenlicht benötigen.
Die Erzeugung von Elektrizität als Energiequelle ist eine der bekanntesten Anwendungen für Solarzellen. Diese Art von Solarzellen nutzt eine Lichtquelle, um eine Batterie aufzuladen, die wiederum zur Stromversorgung eines elektrischen Geräts verwendet werden kann.
Solarzellen sind oft in das Gerät integriert, das sie mit Strom versorgen sollen. Die in Baumärkten erhältlichen solarbetriebenen Lampen beispielsweise laden tagsüber eine Batterie mit Solarzellen auf. Nachts versorgt die Batterie einen Bewegungssensor mit Strom, der das Licht einschaltet, wenn er eine Bewegung erkennt.
Solarzellen können in die erste, zweite und dritte Generation eingeteilt werden. Zellen der ersten Generation bestehen aus kristallinem Silizium, darunter monokristallines Silizium und Polysilizium. Sie sind derzeit der am weitesten verbreitete Solarzellentyp. Zellen der zweiten Generation verwenden Dünnschicht aus amorphem Silizium und werden typischerweise in kommerziellen Kraftwerken eingesetzt. Solarzellen der dritten Generation verwenden Dünnschicht, die mit einer Vielzahl neuer Technologien entwickelt wurde, und haben derzeit nur begrenzte kommerzielle Anwendungen.
Herstellung von Solarzellen
Solarzellen der ersten Generation bestehen zum größten Teil aus kristallinem Silizium, dessen Strukturqualität und Reinheit jedoch weit unter denen von ICs liegen. Monokristallines Silizium wandelt Licht effizienter in Elektrizität um als Polysilizium, ist aber auch teurer.
Die Wafer werden in Quadrate geschnitten, um einzelne Zellen zu bilden, und ihre Ecken werden dann abgeschnitten, um Achtecke zu bilden. Diese Form verleiht Solarmodulen ihr charakteristisches diamantenartiges Aussehen. Die Zellen, aus denen ein Solarmodul besteht, müssen alle in derselben Ebene ausgerichtet sein, um die Umwandlungseffizienz zu maximieren. Die Module sind normalerweise auf der der Sonne zugewandten Seite mit einer Glasscheibe abgedeckt, um die Wafer zu schützen.
Solarzellen können je nach Anforderungen in Reihe oder parallel geschaltet werden. Wenn die Zellen in Reihe geschaltet werden, erhöht sich ihre Spannung, während bei einer Parallelschaltung der Strom zunimmt. Der Hauptnachteil paralleler Strings besteht darin, dass Schatteneffekte dazu führen können, dass die beschatteten Strings abgeschaltet werden, was dazu führen kann, dass die beleuchteten Strings eine Sperrspannung auf die beschatteten Strings anwenden. Dieser Effekt kann zu einem erheblichen Leistungsverlust und sogar zu Schäden an den Zellen führen.
Die bevorzugte Lösung für dieses Problem besteht darin, Zellstränge in Reihe zu schalten, um Module zu bilden, und Maximum Power Point Tracker (MPPTs) zu verwenden, um den Leistungsbedarf der Stränge unabhängig voneinander zu regeln. Die Module können jedoch auch miteinander verbunden werden, um ein Array mit dem gewünschten Ladestrom und der gewünschten Spitzenspannung zu bilden. Eine weitere Lösung für die durch Schatteneffekte verursachten Probleme ist die Verwendung von Shunt-Dioden zur Reduzierung des Leistungsverlusts.
Größenerhöhung
Der Trend zu größeren Boles in der Halbleiterindustrie hat zu einer Vergrößerung der Solarzellen geführt. Die in den 1980er Jahren entwickelten Solarmodule bestehen aus Zellen mit einem Durchmesser zwischen 50 und 100 mm. In den 1990er und 2000er Jahren hergestellte Module verwenden typischerweise Wafer mit einem Durchmesser von 125 mm, und seit 2008 hergestellte Module haben 156 mm große Zellen.
Die Verwendung von Silizium-Wafern
Siliziumwafer werden am häufigsten als Substrat für integrierte Schaltkreise (ICs) verwendet, obwohl sie auch eine wichtige Komponente in Photovoltaik- oder Solarzellen sind. Der grundlegende Herstellungsprozess dieser Wafer ist für beide Anwendungen derselbe, obwohl die Qualitätsanforderungen für die in ICs verwendeten Wafer viel höher sind. Diese Wafer durchlaufen außerdem zusätzliche Schritte wie Ionenimplantation, Ätzen und photolithografisches Strukturieren, die für Solarzellen nicht erforderlich sind.